Windkraftanlagen länger nutzen
Lebensdauer und Sicherheit rauf, Wartungs- und Stromerzeugungskosten sowie
CO2-Ausstoß runter: Das ist das Ziel eines Forschungsvorhabens unter
Beteiligung von Mitgliedseinrichtungen der U Bremen Research Alliance.
Forschende vom Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien -
IWT und dem Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES haben ein
Bauteil von Windkraftanlagen im Visier, das viel auszuhalten hat: das
Rotorblattlager.
Sie habe eine natürliche Vorliebe für Stahl, sagt Brigitte Clausen. Was
sie an dem Werkstoff so fasziniert? „Er hat variable Eigenschaften, ist
sehr gut formbar und recyclingfähig. Mit verschiedenen Hilfsmitteln lässt
sich nachverfolgen, was in dem Metall passiert, wie die Prozesse ablaufen;
das zu sehen und zu erleben, ist einfach unglaublich!“ Und wenn man als
Wissenschaftlerin dann noch einen kleinen Beitrag zum Gelingen der
Energiewende leisten könne, „dann finde ich das richtig gut“.
Gesellschaftlichen Nutzen und wissenschaftliches Interesse – diese beiden
Aspekte verbindet ein Forschungsvorhaben nahezu idealtypisch, an dem die
54-jährige Leiterin der Abteilung Strukturmechanik am Leibniz-Institut für
Werkstofforientierte Technologien – IWT maßgeblich beteiligt ist. Es trägt
den etwas sperrigen Titel „Auslegung hochbelasteter Drehverbindungen“,
kurz: HBDV. Dabei geht es um Windkraftanlagen. Genauer: um die Verbindung
zwischen Rotorblatt und Rotornabe, um die aus Stahl geformten Wälzlager,
die die Blätter halten, die Drehbewegung zulassen und dabei enormen
Kräften ausgesetzt sind. Wie lässt sich deren Lebensdauer vorhersagen und
verlängern? Das ist die Frage.
Rund 30.000 Windkraftanlagen erzeugen derzeit in der Bundesrepublik grünen
Strom. Es werden deutlich mehr werden, so viel ist sicher. Manche
Forschende prognostizieren eine Verdoppelung ihrer Zahl. Die Windkraft
spielt beim Ausbau der erneuerbaren Energien und Erreichen der Klimaziele
eine zentrale Rolle. Bis 2030 soll der Stromanteil aus regenerativen
Quellen in Deutschland auf 65 Prozent steigen, ein Großteil davon wird per
Windenergie erzeugt werden. EU-weit soll die Hälfte des Stroms in Europa
bis 2050 aus Windkraft gewonnen werden.
--- „Mit verschiedenen Hilfsmitteln lässt sich nachverfolgen, was in dem
Metall passiert, wie die Prozesse ablaufen; das zu sehen und zu erleben,
ist einfach unglaublich!“ ---
Immer leistungsfähiger werden die Anlagen, nicht zuletzt durch größere
Rotorblätter und Computersteuerung. „Bei älteren Anlagen wurden die
Rotorblätter, einfach ausgedrückt, morgens und abends einmal zum Wind
ausgerichtet und das war’s“, erläutert Dipl.-Ing. Vera Friederici, die
gemeinsam mit Dr.-Ing. Jens Schumacher als wissenschaftliche Mitarbeiterin
für das HBDV-Projekt am Leibniz-IWT arbeitet. „Neuere Anlagen versuchen,
eine möglichst gleichmäßige Windlast herzustellen. Selbst den
Windschatten, der bei jeder Drehung eines Flügels durch das Passieren des
Turms entsteht, gleichen sie durch eine minimale Korrektur der
Flügelstellung im Bruchteil einer Sekunde aus.“
Diese permanente Anpassung hat Auswirkungen auf die Wälzlager, die aus
speziell gehärtetem Vergütungsstahl geformt sind. Die relativ kleinen
Ausgleichsbewegungen bewirken ein Hin- und Herrollen der Kugeln auf einer
sehr kleinen Fläche bei großer Belastung. Dafür sind die Lager
ursprünglich nicht ausgelegt. Mit mehr als 100 Millionen Umdrehungen im
Lauf einer durchschnittlichen Lebensdauer von 20 Jahren kalkulieren die
Erbauer der Windkraftanlagen.
2,2 Meter im Durchmesser sind die Rotorblattlager, das entspricht in der
Höhe etwa einer Wohnungstür. Ihre doppelreihigen Kugellager sind mit 102
Kugeln pro Laufbahn gefüllt, jede hat nahezu den Umfang eines Tennisballs.
Wie hält der Stahl den andauernden Belastungen durch die Bewegungen der
Kugeln stand? Führen sie zur Ermüdung? Entstehen Risse? Und wenn ja: Wohin
wachsen sie? Sind sie ungefährlich oder gefährden sie das Lager – und mit
ihm die Anlage? „An diesen Themen forschen wir“, sagt Brigitte Clausen.
Die Wissenschaftler:innen betreten damit Neuland. Untersuchungen zu den
Belastungen der Drehverbindungen in einer Windkraftanlage sind Mangelware,
zertifizierte Ansätze zur Abschätzung der Lebensdauer der Rotorblattlager
gibt es bislang nicht. Von einem Modellprojekt spricht Brigitte Clausen,
deren Leidenschaft für Stahl und andere Werkstoffe durch eine Lehre als
Werkstoffprüferin bei der Stahlhütte Klöckner geweckt worden ist. Später
hat sie an der Universität Bremen Produktionstechnik studiert, seit 1996
ist sie am IWT beschäftigt.
Modellcharakter hat HBDV auch deshalb, weil an dem Forschungsprojekt, das
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit 3,8 Millionen Euro
gefördert wird, viele große Hersteller von Windanlagen beteiligt sind,
trotz der Konkurrenz untereinander. Schließlich verursachen Schäden an den
Lagern lange Ausfallzeiten und hohe Kosten durch Stillstand und für die
Reparatur, und zwar ganz unabhängig vom Hersteller.
Neben dem Leibniz-IWT sind fünf weitere Forschungsinstitute an dem Projekt
beteiligt, darunter von der U Bremen Research Alliance das Fraunhofer-
Institut für Windenergiesysteme IWES. Die Mitarbeitenden dort forschen an
den Verschleißschäden auf der Laufbahn eines Lagers, die durch die
ständigen kleinen Bewegungen der Kugeln bei sehr großen Lasten verursacht
werden können. „Wir untersuchen, unter welchen Betriebsbelastungen diese
Schäden entstehen, wie schnell sie auftreten können und wie sie sich
vermeiden lassen“, sagt Karsten Behnke, wissenschaftlicher Mitarbeiter und
Projektleiter des Forschungsprojekts am Fraunhofer IWES. „Die Kooperation
spielt eine ganz wichtige Rolle“, ergänzt Vera Friederici. „Wir arbeiten
Hand in Hand und ergänzen uns hervorragend." In 14-tägigen Treffen,
manchmal bilateral, manchmal in großer Runde, tauschen sich die
Beteiligten untereinander aus und besprechen die nächsten Arbeitsschritte.
Wie die Belastungen des Lagerwerkstoffs nachgeahmt werden, zeigt die
Diplom-Ingenieurin an einem Prüfstand in der Maschinenhalle des IWT. Dort
versetzt eine Schwingprüfmaschine die handtellergroße Probe in
Schwingungen. Sie ist mit einer kleinen Kerbe versehen, von der ein kaum
sichtbarer Riss ausgeht.
„Abhängig von der Kraft, die wir aufwenden, wachsen die Risse“, erläutert
Vera Friederici. „Wir messen, wie schnell und in welcher Richtung der Riss
bei einer bestimmten Belastung wächst.“ Mit den Daten wird ein
Simulationsmodell gefüttert, mit dem das Werkstoffverhalten vorhergesagt
werden kann.
--- „Die Kooperation spielt eine ganz wichtige Rolle. Wir arbeiten Hand in
Hand und ergänzen uns hervorragend." ---
Mehr als ein Dutzend Maschinen, die in unterschiedlichen Last- und
Frequenzbereichen arbeiten, füllen die Halle. Ein komplettes Wälzlager
haben Mitarbeitende des Leibniz-IWT zerschnitten und daraus Materialproben
gefertigt. „Die Proben liefern uns ganz viele Messdaten. Wir übertragen
sie auf ein komplettes Lager und können mit ihrer Hilfe eine
Lebensdauerprognose erstellen“, erklärt die 38-jährige, die über einen
Teilbereich des Projektes auch promoviert. „Diesen Prozess der Übertragung
vom Kleinen ins Große, von Erkenntnissen aus den Proben auf das gesamte
Lager, finde ich richtig spannend.“
Für Brigitte Clausen macht die Forschung an den gegensätzlichen
Materialeigenschaften einen wesentlichen Teil ihres wissenschaftlichen
Interesses an dem Projekt aus. Während die Kugeln im Lager und ihre
Laufbahn gehärtet sind, ist das sie umgebende Material eher zäh, was
wiederum Auswirkungen auf die Rissbildung hat. „Aufgrund des Zustandes des
Werkstoffes und der Spannung sind wir jetzt in der Lage vorherzusagen, in
welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich ein Riss entwickelt
und ob er kritisch ist. Das konnten wir vorher nicht“, erzählt sie. Die
Gefährdung durch Materialermüdung und Risse lasse sich nun viel besser
einschätzen, ebenso die Notwendigkeit von Wartungen.
Im Frühjahr soll das Projekt abgeschlossen sein. Die Ergebnisse der
Forschung fließen in eine Richtlinie ein, die es den Windkraftunternehmen
ermöglicht, die Rotorblattlager genauer zu bewerten und sicherer zu
machen. In der Folge werden die Windkraftanlagen länger Strom produzieren
können, die Stromerzeugungskosten sinken und mit ihnen auch der
CO2-Ausstoß.
Die Forschenden aus der U Bremen Research Alliance jedenfalls sind
zufrieden mit den Resultaten ihrer Arbeit. „Dazu beigetragen zu haben,
eine Schwachstelle zu eliminieren und damit auch Ressourcen zu schonen,
ist schon ein gutes Gefühl“, sagt Brigitte Clausen.
Originalpublikation:
Impact – Das Wissenschaftsmagazin der U Bremen Research Alliance
In der U Bremen Research Alliance kooperieren die Universität Bremen und
zwölf Forschungsinstitute der vier deutschen Wissenschaftsorganisationen
sowie das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz - alle mit
Sitz im Bundesland.
Das seit 2019 erscheinende Magazin Impact dokumentiert die kooperative
Forschungsstärke der Allianz und ihre gesellschaftliche Relevanz.
„Windkraftanlagen länger nutzen“ wurde in Ausgabe 5 (Januar 2022)
veröffentlicht.
https://www.uni-
bremen.de/fileadmin/user_uploa
