Offshore-Windenergie: Forschungsprojekt soll hohe CO2-Einsparungen erschließen

Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erforscht in einem neuen Projekt mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie die Verknüpfung von Leichtbauprinzipien mit digitalisierter Fertigung von Offshore-Windenergieanlagen. Im Projekt SmartWeld geht es vor allem um ein optimiertes Design der Schweißnähte nach bionischen Prinzipien. Die BAM erwartet dadurch erhebliche CO2-Einsparpotenziale, die auch auf andere Bereiche des Stahlbaus übertragen werden können.

Offshore-Windenergieanlagen stehen auf einer gewaltigen, bis zu 60 m 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 t Stahl zusammengeschweißt – bei dessen Erzeugung große Mengen an CO2 freigesetzt werden.

Deutlich geringer fällt die Tonnage 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, so dass CO2-Einsparpotenziale bislang industriell nicht umgesetzt werden.

Das hat vor allem mit den sehr komplexen Schweißnähten zu tun: Die Jacket-Gründungen werden heute meist manuell zusammengeschweißt und später mit Spezialschiffen zu ihrem Einsatzort gebracht. Toleranzen bei der Fertigung von Hand und hohe Sicherheitsanforderungen machen eine konservative Auslegung erforderlich, d.h. 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. Die Einsparpotenziale sind eindrucksvoll“
Andreas Pittner, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM).

Bei einer durchschnittlichen Zwölf-Megawatt-Anlage ließen sich gegenüber einem Monopile 20 Prozent an Gewicht, d. h. ca. 400 t Stahl und entsprechend rund 800 t an CO2 einsparen. Durch ein optimiertes Design der Schweißnähte nach bionischen Prinzipien sowie 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 t CO2 entspräche.

Noch jedoch stellen die sehr komplexen Schweißnähte der Jackets eine Herausforderung für die automatisierte Fertigung dar – diese wäre wiederum die Voraussetzung für die Anwendung der Leichtbauprinzipien im Stahlbau.

Den damit verbundenen Fragestellungen widmet sich jetzt das neue Verbundprojekt „SmartWeld“, das Andreas Pittner leitet. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Technologietransfer-Programms 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 sowie das Ingenieurbüro Jörss – Blunck – Ordemann GmbH.

Der Einsatz der Leichtbau-Techniken soll durch eine durchgängige Digitalisierung der Fertigungs- und Prüfkette möglich werden. Durchgängige Digitalisierung bedeutet vom Design der Anlagen über die Fertigung und Bauteilprüfung bis hin zum Qualitätsmanagement. Dabei arbeiten die Projektpartner bewusst unter industrienahen Bedingungen, damit der Technologietransfer in die Wirtschaft später schnell gelingen kann.

Die Erkenntnisse von SmartWeld lassen sich laut BAM später auch auf andere Bereiche übertragen, in denen großformatige Stahlbauten gefertigt werden, z.B. bei Tragstrukturen für Brücken.

Bild oben: Die Kombination aus Digitalisierung, Leichtbau und Bionik bei der industriellen Fertigung von stählernen Leichtbau-Tragstrukturen könnte nicht nur bei Offshore-Windparks, sondern auch im Brückenbau deutliche CO2-Einsparungen mit sich bringen. (Quelle: Thomas G. | Pixabay)


Quelle und weiter Infos: Pressemitteilung, Windbranche.de, Offshore-Windenergie.de, IWR

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