Windenergie: Hochfeste Stähle machen Offshore-Türme noch leistungsfähiger
Offshore-Windanlagen werden aus zahlreichen
Einzelteilen zusammengeschweißt. Bei der Entwicklung immer größerer und
damit leistungsfähigerer Anlagen in Leichtbauweise erweisen sich jedoch
ausgerechnet die Schweißnähte als besondere Herausforderung.
Daher testet die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
spezielle Legierungen, die die Nähte ertüchtigen und damit eine lange
Lebensdauer der gesamten Anlage garantieren sollen.
Damit Windräder leistungsfähiger werden, müssen sie mit längeren
Rotorblättern ausgerüstet werden. Gleichzeitig wachsen damit die Türme in
die Höhe – auch, weil in oberen Luftschichten mehr und konstanterer Wind
weht. Um die gigantischen Anlagen wirtschaftlich und technisch realisieren
zu können, ist in naher Zukunft der Umstieg auf eine Errichtung in
Leichtbauweise mit modernen hochfesten Stählen unvermeidlich.
Je nach Konstruktionstyp bestehen heutige Offshore-Anlagen aus bis zu 2000
Tonnen Stahl. Ein großer Teil davon wird für die Tragstrukturen verwendet,
die unterhalb der Wasserlinie liegen. Bei einer konsequenten Errichtung in
Leichtbauweise, d.h. mit hochfesten Stählen, ließen sich davon insgesamt
bis zu 20 Prozent, also 400 Tonnen, einsparen.
Bislang galten hierbei die Schweißnähte als Schwachstelle, was u.a. auch
dazu führte, dass die entsprechenden Regelwerke eine Ausschöpfung des
Potentials dieser Stähle beim Bau von Windenergieanlagen aus
Sicherheitsgründen aktuell nicht zulassen.
Um die Größe und damit die Leistungsfähigkeit der Anlagen weiter zu
steigern, sind jedoch hochfeste Stähle unverzichtbar, zumal Konstruktionen
aus herkömmlichen Stählen aufgrund ihres Eigengewichts schlicht zu schwer
wären.
„Windenergieanlagen sind, zumal auf See, gewaltigen Belastungen durch Wind
und Wellen ausgesetzt, die das Material schwingend, d. h. zyklisch
wechselnd, beanspruchen. Gerade die Schwingfestigkeit moderner hochfester
Stähle wird durch den Schweißvorgang beeinträchtigt, weil dieser zu
strukturellen Veränderungen im Material führt“, erklärt Arne Kromm,
Experte für Schweißtechnik an der BAM. „Gleichzeitig werden diese Nähte
während des Betriebs der Anlage am höchsten belastet.“
Zwar existieren bereits Methoden, Schweißnähte an besonders kritischen
Stellen manuell nachzubearbeiten. Doch die Verfahren sind personal- und
zeitintensiv und entsprechend teuer.
Aus diesem Grund testet die BAM in einem Kooperationsprojekt neuartige
Schweißzusätze, die die Schweißnähte an den besonders kritischen Stellen
ertüchtigen sollen. „Es handelt sich dabei um spezielle Legierungen. Sie
bilden bei der Abkühlung eine Struktur aus, die die Eigenspannung im
Material reduziert, so die Schweißnaht stabilisiert und ihre
Schwingfestigkeit erhöht“, erklärt Arne Kromm.
Ziel ist es, der Industrie eine sichere Verarbeitung dieser speziellen
Schweißzusätze zu ermöglichen. Gleichzeitig sollen die Erkenntnisse in die
entsprechenden Regelwerke einfließen, damit diese entsprechend angepasst
werden können.
Relevant sind die Projektergebnisse nicht nur für Windenergieanlagen,
sondern allgemein für den Maschinen-, Automobil- und Stahlbau, um das
große Leichtbaupotenzial hochfester Stähle voll ausschöpfen zu können.
Nicht zuletzt auch für die großen Spezialkräne, die benötigt werden, um
noch gigantischere Windenergieanlagen errichten zu können.
Das Projekt, an dem auch das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
(IWM) und die Forschungsvereinigung des Deutschen Verbands für Schweißen
und verwandte Verfahren (DVS) beteiligt sind, wird vom Bundesministerium
für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen eines Programms zur Förderung der
industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) gefördert.
