Leichtbau macht Windturbinen klimafreundlicher

Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erforscht in einem neuen Projekt, wie durch eine Kombination von Leichtbautechniken und digitalisierter Fertigung bei der Herstellung von Windturbinen erhebliche CO2-Einsparpotenziale realisiert werden können. 

Offshore-Windenergieanlagen stehen auf einer gewaltigen, bis zu 60 Meter hohen Tragstruktur; der größere Teil davon bleibt unterhalb der Wasserlinie verborgen. Verwendet wird heute oft ein einziger stählerner Pfahl, ein sogenannter Monopile. Dazu werden bis zu 2.000 Tonnen Stahl zusammengeschweißt – bei dessen Erzeugung große Mengen an CO2 freigesetzt werden.

Deutlich geringer fällt das Gewicht und damit der bei der Stahlerzeugung freigesetzte CO2-Anteil aus, wenn statt des Monopiles filigranere Tragstrukturen verwendet werden. Diese als Jacket-Gründungen bezeichneten Leichtbaustrukturen stellen fertigungstechnisch jedoch eine Herausforderung dar, sodass CO2-Einsparpotenziale bislang industriell nicht umgesetzt werden konnten.

Das hat vor allem mit den sehr komplexen Schweißnähten zu tun, die erforderlich sind: Die Jacket-Gründungen werden heute meist manuell zusammengeschweißt. Toleranzen bei der Fertigung von Hand und hohe Sicherheitsanforderungen machen eine konservative Auslegung erforderlich, das heißt, es werden dickwandige Bauteile verarbeitet.

„Durch automatisierte Schweißverfahren, mit denen man gleichzeitig optimierte Geometrien der Schweißnähte erzielt, ließe sich die Ermüdungsfestigkeit der Gründungen erhöhen und so der Bedarf an zu verarbeitendem Stahl reduzieren“, erklärt Andreas Pittner von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung.
100.000 Tonnen CO2 weniger bei einem großen Windpark

Die Einsparpotenziale sind relevant: Bei einer durchschnittlichen 12-MW-Anlage ließen sich gegenüber einem Monopile 20 % an Gewicht, also etwa 400 Tonnen Stahl und entsprechend rund 800 Tonnen an CO2 einsparen. Durch ein optimiertes Design der Schweißnähte nach bionischen Prinzipien und durch Einsparungen beim energieintensiven Schweißen selbst lässt sich der CO2-Anteil in der Fertigung weiter reduzieren. Insgesamt ergibt sich für einen Windpark mit 100 Anlagen ein Einsparpotenzial, das über 100.000 Tonnen CO2 entspräche.

Noch jedoch stellen die sehr komplexen Schweißnähte der Jackets eine Herausforderung für die automatisierte Fertigung dar. Den damit verbundenen Fragestellungen widmet sich jetzt das Verbundprojekt „SmartWeld“, das Andreas Pittner leitet. Es wird vom Bundeswirtschaftsministerium im Rahmen des Technologietransferprogramms Leichtbau mit 3,17 Mio. Euro gefördert und ist auf drei Jahre angelegt. Beteiligt sind neben der BAM das Institut für Stahlbau und das Testzentrum Tragstrukturen der Leibniz Universität Hannover, das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES), die Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH und das Ingenieurbüro Jörss – Blunck – Ordemann GmbH.

„Wir wollen die Verwendung von Leichtbautechniken durch eine durchgängige Digitalisierung der gesamten Fertigungs- und Prüfkette ermöglichen“, so Pittner. „Das betrifft das Design der Anlagen über die Fertigung und Bauteilprüfung bis zum Qualitätsmanagement. Dabei arbeiten wir bewusst unter industrienahen Bedingungen, damit der Technologietransfer in die Wirtschaft später schnell gelingen kann.“