TWI: Materialprobleme bei Offshore-Windturbinen

• Ben Robinson arbeitet seit 5 Jahren in TWIs Oberfächenbearbeitungs- und Beschichtungs-Abteilung mit dem Fokus auf thermisch gespritztem Aluminium für Offshore-Anwendungen.
• Der Trend zur kohlenstoffarmen Energieversorgung erfordert den nachhaltigen Einsatz von erneuerbaren Energien - In Großbritannien spielen die Offshore-Windparks dabei eine wichtig Rolle.
• Während die Energiegewinnung auf dem Wasser schwieriger und teurer als an Land ist, bieten sich Vorteile, weil der Wind dort stärker und gleichmäßiger als an Land bläst. 
• Großbritannien, Nordirland und Europa liegen günstig, um die Offshore-Windenergie zu nutzen: 
• • Es gibt auf See reichlich Wind
  • Vergleichsweise geringe Wassertiefen
  • Kein nennenswertes Auftreten von Wirbelstürmen (Hurrikane, Taifune und Zyklone)
  • Bestehendes Know-how im Offshore-Ingenieurwesen durch die Öl- und Gasindustrie

• Großbritannien ist bei der Nutzung der Offshore-Windkraft weltweit führend:
• • Die Offshore Windenergieerzeugung entspricht dem Bedarf von 4,5 Mio. Wohneinheiten
  • Es wird 2020 angestrebt, 10 % des in Großbritannien erzeugten Stroms durch Offshore-Windkraft zu erzeugen.
• Die Offshore pro Jahr erzeugte Windkraftnutzungskapazität vezehnfachte sich in Europa von etwa 300 MW im Jahr 2008 auf Spitzenwerte um jeweils 3000 MW in den Jahren 2015 und 2017.
• Die kumulativ installierte Windkraftnutzungskapazität vezehnfachte sich in Europa von etwa 2.000 MW im Jahr 2008 auf knapp 20.000 MW im Jahr 2018.

• Kostensenkung bei der Nutzung der Offsore-Windenergie:
• • Investionskostenminderung pro Megawatt
  • Lebensdauerverlängerung
  • Minimierung der Inspektions- und Wartungsskosten
• 30 % Kostensenkung bei der durch Offshore-Windkraft erzeugten Megawattstunde über die letzten 2 Jahre

• Es gibt signifikante Herausforderungen bei der Konstruktion und dem Bau von Offshore-Windturbinen, z. B.:
• • Korrosion
  • Materialermüdung
  • Blitzschlag
  • Erosion
  • Biofouling
• Mit zunehmender Abhängigkeit von der Offshore-Windkraft, wird die betriebliche Verfügbarkeit immer wichtiger

• Rotorblätter
• Gondel (englisch Nacelle)
• Turm
• Übergangsstück
• Monopile, Jacket oder Ponton

•  Fundamente und Übergangsstücke
• • Herstellung: Immer größere Strukturen erfordern eine Kostenreduzierung
  • Korrosion: Die agressive Seewasserumgebung führt zu interner und externer Korrosion
  • Biofouling: Schwierigkeiten bei der Inspektion und Wartung. Zunehmende hydrodynamische Belastung
  • Materialermüdung: Mit dem Einrammen beim Bau und dem Biofouling während des Betriebs einhergehende Herausforderungen
  • Sichtbarkeit: Kompatibilitätsanforderungen bezüglich gut sichtbarer Farbe und Korrosionsschutzsystemen

• Zunehmende Größe
• •  Bedarf für größere Monopiles, die größere Turbinen in größeren Wassertiefen tragen
• Kostensenkung
• •  Jackets brauchen weniger Material als Monopiles und sind daher für größere Wassertiefen geeignet
  • Forderung nach Großserien-Produktions- und Installationsverfahren, um die Kosten zu minimieren
• Materialermüdung
• • Einfluss der Belastung beim Einrammen
  • Zyklische Belastung der Struktur durch Wind und Wellen
  • Einfluss der Zusammensetzung des Meeresgrundes und des Biofoulings etc.
• Interne Korrosion
• • Korrosion des Hohlraums innerhalb der Monopile-Struktur
  • Auswirkungen des geringen Austauschs von eingeschlossenem Seewasser
• Korrosion in der von Spritzwasser und Gezeiten beeinflussten Zone
• • Extrem aggressive Umgebung mit zeitweiligem elektrolytischen Kontakt
  • Wegen der Anforderungen an gute Sichtbarkeit sind die Farben für den Korrosionsschutz  nicht optimal
• Biofouling
• • Von Mikrolebewesen hervorgerufene Korrosion führt zu Lochfraß
  • Zunahme der hydrodynamischen Belastung
  • Schwierigkeiten bei der Inspektion und Wartung

• Rotorblätter (Turbinenschaufeln):
• • Herstellung: Zunehmende Größe, Kostenreduzierung und Leichtbau
  • Materialermüdung: Annahme von 100 Mio. Lastzyklen über die Lebensdauer eines Rotorblatts
  • Gewitter: Blitzschlag kann zu Schäden im elektrischen System und zum Versagen der Windturbine führen
  • Korrosion an der Anströmkante: Führt zu höherem Luftwiderstand und senkt die aerodynamische Effizienz

• Leichtbau
• • Die mögliche Rotorblattgröße wird durch das Gewicht beschränkt
  • Leichte Rotorblätter lassen sich leichter installieren und reparieren. Sie haben eine bessere Stabilität und verbesserte Performance
• Transport
• • Die Größe verursacht Herausforderungen beim Transport vom Herstellungsort zum Installationsort
  • Segmentierte Turbinenschaufelkonstruktionen werden zur zeit erwogen. Diese würden vor Ort in temporär installierten Einrichtungen zusammengefügt
• Materialermüdung
• • Zyklische Belastung der Rotorblätter aufgrund von Bewegungen und der Interaktion mit dem Wind
  • Verursacht durch Vereisung und Korrosion der Anströmkanten  
  • Die Herstellung der Verbundwerkstoffbauteile hat einen signifikanten Einfluss auf deren Dauerfestigkeit, z.B. Fehlpositionierung von Fasern und ungleichmäßige Kunstharz-Verteilung

• Blitzschlag
• • Die zunehmende Höhe von Windturbinen und die größere Länge der Rotorblätter führt zu erhöhtem Blitzschlagrisiko und höheren Reparturkosten
• Anströmkantenerosion 
• • Wird durch den wiederholten Einfluss von Regen, Eis, Staub und anderen Partikeln auf die sich mit hoher Geschwindigkeit drehenden Rotorblätter ausgelöst
  • Die Beschädigungen führen zu Veränderungen am aerodynamischen Profil und daher zu einem verminderten Wirkungsgrad
  • Schäden können zum Eindringen von Wasser und UV-Licht sowie zum Strukturversagen führen

• Marktprognosen
• • Das Vereinigte Königreich von Großbritannien und Nordirland will seine Offshore-Windkraftnutzung bis 2010 verdoppeln
  • Voraussichtlich wird China ab 2021 bezüglich der Offshore-Windkraftnutzung die weltweite Führungsposition einnehmen
• Pontons
• •  Auf dem Meeresgrund verankerte Pontons ermöglichen die Windkraftnutzung auch bei größeren Wassertiefen
  • Zurzeit (Februar 2020) ist eine schwimmende Windkraftanlage in Betrieb: Hywind Scotland mit 30 MW und 5 Windturbinen vor der Küste von Schottland. 
  • Eine weitere wird zurzeit installiert: WindFloat Atlantic mit 25 MW und 3 Windturbinen vor der Küste von Portugal 
• Offshore-Windkraftnutzung in China
• • Herausforderungen bei der Konstruktion der Fundamente und der Installation aufgrund des Zustands des Meeresgrundes
  • Korrosionsschäden aufgrund der lokalen Umgebungseinflüsse und mangelnder Erfahrung mit Onshore-Windturbinen
  • Taifune haben bestehende Offshore-Windturbinen beschädigt
  • Begrenzte Zeitfenster für Reparaturen wegen eines Mangels an Transfer- und Wartungsschiffen und der dafür erforderlichen Erfahrung. Hier besteht ein noch größerer Bedarf für längere Inspektions- und Wartungsintervalle
• Schwimmende Windturbinen
• • Da die besten Standorte mit geringer Wassertiefe entlang der Küste bereits vergeben sind, werden Windturbinen zunehmend in Wassertiefen von mehr als 50 m und in größerem Abstand von der Küste errichtet.
  • Höhere Wassertiefen führen zu höherem Kostenaufwand beim Bau der Fundamente von konventionellen Windturbinen
  • Ein größerer Abstand von der Küste führt zu Herausforderungen bei der Übertragung des elektrischen Stroms

• Der derzeitige limitierende Faktor ergibt sich daraus, dass die Kosten pro Megawattstunde des erzeugten Stroms bei schwimmenden Windkraftplattformen noch höher als bei fest installierten Offshore-Windturbinen ist:
• • Schwimmende Windkraftplattform: ca. 180 €
  • Fest installierte Offshore-Windturbine: ca. 45 € 
• Die für die zukünftige Nutzung der Offshore-Windkraft angestrebte Kostenreduzierung erfordert zielgerechte Forschung und Entwicklung von Verankerungs-Lösungen, elektrischen Kabeln und Netz-Verbindungen
• Die höchsten Kosten der schwimmenden Offshore-Windplattformen liegen in deren Verankerung
• • Ein besseres Verständnis der Effekte auf die strukturelle Belastung von Ankerketten, Kabeln und anderen Strukturen ist erforderlich
  • Besseres Verständnis der Materialermüdung der Komponenten unter zyklischer Belastung
  • Reduzierung des Biofouling, um die Wartungskosten zu minimieren

• Korrosion
• • Offshore-Korrosionsuntersuchungen unter unterschiedlichen Umgebungseinflüssen
  • Weitere Laborarbeiten bezüglich Korrosionsgeschwindigkeit und dem Einfluss von organischen Beschichtungen 
• Konstruktion
• • Detaillierte Literaturrecherche zum Einfluss von thermisch gespritztem Aluminium auf die Materialermüdungseigenschaften
  • Modellieirung des Verhaltens von thermisch gespritztem Aluminium mithilfe der Finiten Elemente Methode
  • Erstellung von Empfehlungen und Richtlinien für den Einsatz von thermisch gespritztem Aluminium in korrosionsgerechte Konstruktionen 
• Herstellung
• •  Konstruktionen für die Großserienproduktion mit thermisch gespritztem Aluminium

• Das MIMREE-Projekt befasst sich mit der autonomen Inspektion von Offshore-Windparks

• Das HiPRwind-Projekt befasst sich mit der Hochleistungs-Windkraftnutzung mit hoher Ausfallsicherheit.

• Beschichtungen
• • Blitzschutzbeschichtungen
  • Anströmkantenbeschichtungen zur Erosionsminimierung
  • Korrosionsschutzbeschichtungen
  • Antifouling
  • Vereisungsschutzschichten
• Materialkunde
• • Materialermüdung in Offshore-Windturbinen
• Strukturintegrität
• • Duldung von Fehlern nach BS7910
• Schweißen
• • Schweißverfahren mit hoher Produktivität bei geringen Kosten
• Modellierung
• • Kathodischer Schutz
  • Strukturelle Belastung
• Sensorik
• • Ferngesteuerte Überwachung von Bolzen, Rotorblättern und andern Windturbinenkomponenten
• Verbundwerkstoffe
• • Verbindungsstellen in Rotorblättern
  • Fügen von Verbundwerkstoffen
  • Entwicklung und Auswahl von Werkstoffen für Rotorblätter
• Inspektion
• • Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) von Windkraftanlagen

Im Anschluss an das Webinar beantworteten Ben Robinson und Dave Harvey Fragen der Webinar-Teilnehmer, die von Ian Froment vorgelesen wurden. 

Dies Webinar ist Teil einer Serie von Webinars, die am TWI zum Thema Offshore-Windturbinen durchgeführt wurden und werden, z.B. ein Webinar zur Strukturintegrität und Materialermüdung von Offshore-Windturbinen. TWI freut sich über Vorschläge zu weiteren Themen, die von Interesse sind, z.B. Zustandsüberwachung und Strukturintegritätsüberwachung von Offshore-Windturbinen.

Für Unternehmen in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz stellt AluStir auf Anfrage gerne weitere Informationen zu werkstoffspezifischen Herausforderungen bei Offshore-Windturbinen zur Verfügung. Bitte kontaktieren Sie uns per Telefon (+49 6024 636 0123) oder E-Mail (stephan.kallee@alustir.com).