Gekühlte Zahnkrone statt neues Gebiss

Hat eine Windenergieanlage an nur einem oder wenigen Zähnen eines bestimmten Zahnrings Karies, musste ihr bis vor Kurzem nicht nur ein Kieferorthopäde ein komplett neues Gebiss verpassen, sondern ein Henker den ganzen Kopf abtrennen, vorher die Flügel, von oben das alte Gebiss komplett entnehmen, das neue einsetzen, das Haupt wieder aufsetzen und die Flügel wieder anbringen. Oftmals war die Notschlachtung der Anlage billiger − ein wirtschaftlicher Totalschaden.
 
Die spezielle Karies tritt bei 5 bis 10 % aller Windenergieanlagen auf, schätzt der auf Windturbinen spezialisierte Hersteller mobiler Werkzeuge CNC Onsite aus dem jütländischen Vejle. Er hat 2019 eine Methode entwickelt und patentieren lassen, wonach nur noch der Kieferorthopäde zum Zuge kommen muss und nur einzelne Zähne oder Zahnfolgen ersetzt statt des ganzen teuren Gebisses. Der Henker bleibt daheim.

Es geht um das Azimuthgetriebe direkt unter der Gondel. Das dreht Windenergieanlagen an Land wie an See immer wieder für eine optimale Stromausbeute in den Wind. Oder aus dem Wind, wenn ein Orkan zu stark wütet, für Revisionsarbeiten oder wenn der Betreiber auf die deutsche Subvention namens „Marktprämie“ angewiesen ist und sechs Stunden hintereinander negative Strompreise herrschen. Produziert die Mühle dann nämlich weiter, gibt es so lang keine Marktprämie. Sechs Stunden lang negative Preise, das gab es noch bis Oktober 2021, so das Portal netztransparenz.de, danach drückte die Stromrallye die negativen Zeiten unter sechs Stunden. Aber die alten Zeiten könnten ja wiederkommen.

So wichtig der Azimuthantrieb für den wirtschaftlichen Betrieb ist, so anfällig ist er, wenn nur ein oder mehrere Innen- oder Außenzahnräder vom sogenannten Gierring oder Gierzahnkranz des Azimuthlagers gebrochen oder abgewetzt sind. Der Gierring oder Gierzahnkranz etwa von Schaeffler kann bis zu vier Meter Durchmesser haben, so groß ist das Teil. Häufig funktioniert bei nur einem faulen Zahn die Nachführung nicht mehr.
Vor der Erfindung „made in Denmark“ waren Anlagenbetreiber darauf angewiesen,

• einen komplett neuen, teuren Gierring einzukaufen,
• jeweils mit Spezialkränen die Rotorblätter abmontieren zu lassen
• und danach die Gondel abzuheben − beides unter der Gefahr, die Anlage zu beschädigen,
• aus dem Azimuthlager den schadhaften Gierzahnkranz von oben per Kran zu entfernen,
• den neuen von oben einzusetzen,
• Lager und Gondel zu schließen
• und die Windflügel wieder anzubringen.

Patente für solch konventionelle Reparaturmethoden halten die Windturbinenhersteller GE (seit 2008/09) und Vestas (2015/16). Die Kosten hängen vom Standort ab, aber für Anlagen im unteren Leistungsbereich von 1,5 bis 4 MW liegen sie häufig bei 200.000 Euro für eine Onshore-Anlage. Geht man aufs Meer, liegen sie allein für das Installationsschiff bei 200.000 Euro pro Tag. Der Anlagenbetreiber rechnet da die potenzielle Reststromausbeute der Mühle nach einer Reparatur gegen den sofortigen Rückbau ohne Reparatur und entscheidet sich, je älter sie ist, umso wahrscheinlicher für die Verschrottung. Bei Offshore-Anlagen ist womöglich ohnehin der wirtschaftliche Totalschaden da.

Ein, zwei Zähne besiegeln also die Existenz einer Anlage. 20 Jahre oder älter sind eine nicht geringe Anzahl von Windturbinen mit einer Gesamtleistung von 14.000 MW, schätzt der Dachverband Windeurope. In vier Jahren sollen es 52.000 MW sein.

Die pfiffige Idee der Dänen

„Das hat uns dazu inspiriert, eine Reparaturmethode als Alternative zu entwickeln“, erklärt Sören Schmidt-Kellenberger, Vertriebsleiter von CNC Onsite. Und zwar sowohl für Onshore- als auch für Offshore-Anlagen − „zu einem Bruchteil der Kosten“, verspricht er.

Die Entwicklung funktioniert folgendermaßen:
Die Servicetechniker von CNC Onsite tauschen nicht mehr den ganzen Gierzahnkranz aus, sondern fräsen nur noch die schadhaften Zähne heraus. „Wir ersparen uns die Herstellung eines neuen Gierrings und vor allem den Aufwand, um ihn zum Einsatzort zu transportieren und Kräne aufzustellen, was besonders auf See schwierig ist“, so Schmidt-Kellenberger. Die Reparatur wird nicht mehr von oben ausgeführt, sondern von der Seite entlang der Zahnräder innerhalb der Gondel und damit wetterunabhängig.
  

• Eine Fräsmaschine, die CNC Onsite ebenfalls entwickelt und hat patentieren lassen, ist so in drei leichte Teile zerlegbar, dass der Turmaufzug zum Transport nach oben ausreichend ist und kein Kran geordert werden muss. „Solange Anfahrt und Zugang zur Windkraftanlage sicher sind, können wir die Reparaturen durchführen“, verdeutlicht Schmidt-Kellenberger. „Die Reparaturen sind nicht wetterabhängig“, was ebenfalls den Preis der Zahnbehandlung senkt.
• Die in der Gondel zusammenmontierte Maschine wird von außen oder innen an den Gierring montiert und fräst sich radial vollautomatisch von Schadstelle zu Schadstelle mit einer Präzision von wenigen Hundertstel Millimetern. „In vielen Fällen müssen wir nur zehn bis 15 Prozent der Zähne reparieren, aber in einigen Fällen waren es auch etwa 30 Prozent“, blickt Schmidt-Kellenberger zurück. Onshore könne man noch bei bis zu 70 % einen positiven Business Case haben, offshore sogar, wenn alle Zähne schadhaft sind.
• In die neuen Zahnlücken kommen „Taschen“ mit einem oder mehreren Ersatzzähnen, die CNC Onsite vorproduziert und die die Techniker mit auf die Gondel gebracht haben. Wenn die Ersatzkomponenten bereits bei CNC Onsite vorrätig sind, dauere es bis zur Umsetzung nur ein bis zwei Wochen, heißt es. Je kürzer die Anlage stillsteht, umso besser.
  
  Der Sinn der Kühlung
   
• Die Ersatzzähne sind gekühlt und passen auf die Art in die bewusst engen Toleranzen noch gut hinein. Die Servicetechniker verschrauben sie durch vorgefräste Gewindelöcher. Weitere Stabilität bringen ebenfalls vorgefräste Rillen, Stege und Nut-Feder-Konstruktionen beiderseits. „Das Verfahren, das wir bei der Herstellung neuer Gierringzähne für eine Windkraftanlage anwenden, ist im Prinzip vergleichbar mit einer neuen Zahnkrone, die zunächst exakt kopiert und dann vom Zahnarzt mit Präzisionswerkzeugen eingesetzt wird“, so Schmidt-Kellenberger.
• Das Ganze funktioniert daher ohne riskante konventionelle Heißarbeiten wie Schweißen oder Schleifen auf engem Raum.
• Gleichzeitig ersetzen die Dänen zerschlissene oder gebrochene Bolzen. Die Werkzeugfabrikanten erwarten, dass die dritten Zähne aus ihrem Hause zehn Jahre halten.
• Vor dem Fräsen und Einsetzen hat ein Fachingenieur die Spezifikationen des jeweiligen Gierzahnkranzes in die CNC(Computer Numerical Control)-Steuerung des Frässchlittens eingegeben.

Mehrere Turbinenhersteller haben ihre technischen Daten bereits bei dem Unternehmen hinterlegt − welche, das möchte CNC Onsite nicht verraten. Man arbeite aber daran, weitere ins „Reparaturprogramm“ aufzunehmen.

Zwei Dutzend erfolgreiche Projekte

CNC Onsite hat seit der Markteinführung der dritten Zähne vor fast zwei Jahren nach eigenem Bekunden mehr als 20 Reparaturen durchgeführt, darunter zwei offshore. Diese Windkraftanlagen liefen immer noch gut, heißt es aus dem Vejlefjord. Man sei nun so weit, die Reparaturlösung in größerem Umfang anzubieten. Für Deutschland hat das Unternehmen in diesem Jahr bei „The Wind Energy Advisory“ in Hamburg einen Ansprechpartner benannt.