Hybridverfahren bringen Innovationen im Windenergiebereich voran
Der Ausnutzung des Potenzials der Windenergie, einer der wichtigsten erneuerbaren Energiequellen, kommt entscheidende Bedeutung zu, wenn sich Europa mit Erfolg von seiner Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen lösen will. Zudem eröffnet die Windenergie neue wirtschaftliche Chancen, denn allein in Europa sind rund 280 400 Menschen in dieser Branche beschäftigt. Europas Wettbewerbsvorsprung auf diesem Gebiet zu halten und die Einführung von Innovationen in Richtung einer effizienteren Windenergienutzung stellen jedoch eine beständige Herausforderung dar. Beispielsweise wird der Sektor in naher Zukunft die durchschnittlichen Höhen und Durchmesser der eingesetzten Turbinen deutlich vergrößern müssen, um die Nachfrage befriedigen und gleichzeitig eine zuverlässige und kosteneffiziente Stromerzeugung gewährleisten zu können. „Wenn wir die heute gängigen Prüfmethoden nicht ändern, werden wir immer größere Bauteile physisch prüfen müssen“, bemerkt Mireia Olave von IKERLAN in Spanien und Koordinatorin des Projekts INNTERESTING. „Prüfungen dieser Art können sehr teuer und zeitaufwändig ausfallen.“ In vielen Fällen kann die Flexibilität der zur Validierung der Technologie geschaffenen Infrastrukturen, der sogenannten Prüfstände, durch die Einsatzumgebung eingeschränkt sein, und oft müssen sie anschließend wieder abgebaut werden.
Windenergietechnologie mithilfe neuer Ansätze prüfen
Das Ziel des EU-finanzierten Projekts INNTERESTING bestand darin, diese Herausforderung zu meistern, indem es von vornherein ausschloss, dass derart große Prüfstände überhaupt notwendig sind. An ihrer Stelle sollte ein neuartiges Hybridverfahren entwickelt werden, bei dem kleinmaßstäblichere Prototypen in Kombination mit hochtechnisierter Computermodellierung zum Einsatz kommen. Auf diese Weise könnte im Lauf der Entwicklung die Zuverlässigkeit größerer Windkraftanlagenkomponenten bewertet werden, ohne sie physisch prüfen zu müssen. Das Projektteam ermittelte drei Schlüsselphasen für diese Methodik. Zuerst wurden vereinfachte, maßgeschneiderte physische Tests durchgeführt. „Wir haben erkannt, dass vereinfachte Prüfungen mit kleineren Prototypen realisierbar sind – eine kostengünstigere und schnellere Lösung“, erklärt Olave. Anschließend wurden fortgeschrittene virtuelle Prüfungen zur Bewertung der Lebensdauer und Haltbarkeit der Technologie erarbeitet. Dabei galt es eine Reihe von Unwägbarkeiten und Schwankungen zu berücksichtigen, etwa die verwendeten Werkstoffe und Unsicherheiten im Lastverhalten. Zu guter Letzt wurden virtuelle Verfahren zur Maßstabsvergrößerung durchgeführt, die das Zuverlässigkeits- und Lebensdauerverhalten von Bauteilen in ihrer echten Größe berücksichtigen können.
Anwendung der Methodik auf echte Fallstudien
Diese Methodik wurde dann anhand von drei Fallstudien vorgeführt. Bei der ersten ging es um Bauteile einer Offshore-Windkraftanlage mit einer Leistung von 20 Megawatt (MW), einem Durchmesser von sieben Metern und einer geforderten Lebensdauer von 40 Jahren. Die zweite konzentrierte sich auf ein Getriebe für eine 10 MW-Windkraftanlage an Land, wobei kritische Aspekte wie die Werte der Drehmomentdichte und der Schmierstoffbedarf in Betracht gezogen wurden. „Bei der dritten Fallstudie ging es um eine 3,4 MW-Windkraftanlage“, berichtet Olave. „Unser Projektziel war, Wege zu finden, wie sich die Rissausbreitung verlangsamen und die Gesamtlebensdauer der Bauteile verlängern lässt.“
Effizienzgewinne in der Entwicklungsphase erzielen
Anhand dieser Fallstudien konnte das INNTERESTING-Projekteam mit Erfolg vorführen, dass mithilfe der Methodik großmaßstäbliche Windkraftanlagenkomponenten auf wesentlich effizientere Weise geprüft werden können. „Dieser Ansatz kann nicht nur der Prüfung und Validierung von Komponenten dienen“, fügt Olave hinzu. „Mit seiner Hilfe lassen sich tiefgreifendere Erkenntnisse über Werkstoffe, Fertigungsprozesse und Fehlermodi gewinnen, die sonst nur auf sehr kostspielige Weise zu erhalten wären.“ Es gilt daher als erwiesen, dass kostengünstigere, schnellere und im kleineren Maßstab durchgeführte Tests in Kombination mit Hightechverfahren zur Maßstabsvergrößerung zuverlässige Ergebnisse über Leistungsdaten liefern. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Möglichkeit, die Ausfallwahrscheinlichkeit von Bauteilen bestimmen zu können. „Wir sind zuversichtlich, dass diese bahnbrechende Methode in Zukunft bei der Prüfung größerer Windkraftanlagenkomponenten zum Einsatz kommen kann, wodurch sich die Notwendigkeit des Baus großer Prüfstände verringert“, bekräftigt Olave abschließend. „Auf diese Weise wird dem europäischen Windenergiesektor Hilfestellung dabei geleistet, während des kritischen Produktentwicklungsprozesses Zeit und Geld zu sparen.“
Schlüsselbegriffe
INNTERESTING, Wind, Energie, Windkraftanlage, erneuerbar, fossiler Brennstoff, Offshore
