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06. Apr. 17

Die Zeit der Cowboys ist vorbei

Am Fraunhofer IWES arbeiten Forscher daran, Prozesse in der Offshore-Windkraft effizienter zu gestalten. Industriekunden sind daran stark interessiert – denn die Branche steht unter Kostendruck.

Wenn Andreas Reuter erklären soll, wie die Wissenschaft helfen kann, die Preise in der Offshore-Windkraft zu senken, verwendet der Leiter des Windenergie-Forschungsinstituts Fraunhofer IWES eine Metapher aus dem Wilden Westen. In der Anfangsphase der Windkraft auf See hätten sich die Pioniere der Branche mit ähnlich großen Erwartungen in das Abenteuer geworfen wie einst die Cowboys in die Besiedelung Amerikas. Doch im Duell mit den Elementen hätten sie so manche Lektion lernen müssen.

Industrie 4.0 statt Handarbeit: Eine computergesteuerte Fräse schneidet in einer Demonstrationsanlage des Fraunhofer IWES Kunststoffblöcke zu Rotorblattformen.

„Nicht nur die eingeschränkte Erreichbarkeit und Planbarkeit von Arbeitsschritten, auch die völlig neuen Herausforderungen für Strukturen, Bauverfahren und Zuverlässigkeit mussten bewältigt werden,“ sagt Reuter in seinem lichten Eckbüro mit Blick über Bremerhavens Fischereihafen. Das Know-how aus Bau und Betrieb von Öl- und Gasplattformen sei nur sehr begrenzt übertragbar gewesen, die Anlagenentwicklung musste für den Einsatz auf dem Meer ganz neu gedacht werden. Die Pioniere zahlten Lehrgeld für wertvolle Erfahrungen, von denen die Branche nachhaltig profitierte. Mancher Akteur mit Cowboy-Attitüde blieb dabei allerdings auf der Strecke.

Heute sind die Abläufe in der Branche strukturierter – und das ist nicht zuletzt dem Fraunhofer IWES zu verdanken. Es wurde 2009 ins Leben gerufen, um „anwendungsorientiere Forschung zum unmittelbaren Nutzen der Wirtschaft und zum Vorteil für die Gesellschaft“ zu betreiben, wie es in der Selbstbeschreibung heißt. Die inzwischen 160 Mitarbeiter an den Standorten Bremerhaven, Oldenburg, Bremen und Hannover suchen Wege, um Risiken bei der Produktentwicklung zu minimieren, die Ertragsfähigkeit zu steigern und Kostenstrukturen effizienter zu gestalten, etwa durch den Einsatz neuartiger Materialien und Verfahren. Viele der Ansätze sind sowohl für die Onshore- als auch für die Offshore-Windenergie relevant.

Durch die neuen Fertigungsverfahren sollen die Kosten beim Rotorblattbau um mehr als zehn Prozent gesenkt werden können.

Wie sieht der Meeresgrund aus? Welche Fundamente eignen sich am besten? Bei solchen Fragen helfen die Forscher den Unternehmen

Ein Beispiel: Für die Planung und Entwicklung von Offshore-Windparks ist die genaue Kenntnis der Baugrundverhältnisse entscheidend. Auf dieser Basis lassen sich die Tragstrukturen von Windenergieanlagen auswählen und optimal dimensionieren. Gängige Untersuchungsmethoden wie geologische Bohrungen und Drucksondierungen liefern wichtige Informationen, allerdings stets beschränkt auf den Standort der jeweiligen Probe. Das kann insbesondere bei aufgelösten Strukturen unzureichend sein.

Das Fraunhofer IWES hat daher ein sogenanntes mehrkanal-seismisches Messverfahren speziell für den Flachwassereinsatz in bis zu 100 Metern Tiefe für die Offshore-Windindustrie entwickelt und in der Nord- und Ostsee erprobt. Das Ergebnis ist eine 3-D-Ansicht der Bodenschichten in einem bestimmten Areal. „Die Anfangsinvestition mag dadurch etwas höher sein, aber für Windparkbetreiber lohnt es sich, weil sie Risiken bei der Standortwahl minimieren können“, sagt Reuter.

Solche Bodenuntersuchungen sind aber längst nicht die einzigen Dienstleistungen, die das Fraunhofer IWES seinen Kunden aus der Wirtschaft anbietet. Das Spektrum deckt praktisch die gesamte Kette von der Planung über den Bau bis zum Betrieb von Windparks ab.

Am Projekt BladeMaker arbeiten die Fraunhofer-Wissenschaftler gemeinsam mit 14 Partnern aus Industrie und Forschung.

Beim Bau von Offshore-Windparks muss die See ruhig sein. Eine spezielle Wettersoftware erleichtert die Planung

Bei den Tragstrukturen etwa überprüfen die Wissenschaftler das Verhalten unter den Dauerbeanspruchungen von Wellen, Wind und Anlagenbetrieb. Die Abläufe werden quasi im Zeitraffer untersucht – nach drei bis vier Monaten liegen belastbare Ergebnisse vor. Für die Betreiber der Anlagen ergeben sich daraus Ansätze zur Optimierung, wodurch die Kosten sinken.

Um den gerade in der Offshore-Windkraft heiklen Faktor Wetter bereits in der Planungsphase berechenbar zu machen, wurde am Fraunhofer IWES Nordwest die Software COAST (Comprehensive Offshore Analysis and Simulation Tool) entwickelt. Sie erleichtert die Planung, Validierung und Bewertung von Abläufen in der Installations- und Betriebsphase.

Die Fragestellungen rund um das Management der Offshore-Aktivitäten sind vielfältig: Planer prüfen vorab ihre Terminpläne auf Realisierbarkeit. Logistiker und Installateure optimieren den Einsatz ihrer Fahrzeuge und Schiffe. Betreiber verbessern ihre Wartungsaufgaben und Strategien zum Komponententausch. Investoren und Banken validieren ihre Finanzmodelle. Versicherer gestalten individuelle Schutzkonzepte für Wetterrisiken oder Deckungssummen. Juristen und Betriebswirte vereinbaren fundierte Zahlungspläne, Vertragsstrafen und Konzepte zur Verteilung der Wetterrisiken.

„Wir gehen davon aus, dass wir die Kosten um mehr als zehn Prozent senken können“ Christian Dörsch, BladeMaker

Die Fertigung von Rotorblättern ist zum großen Teil Handarbeit – noch. Jetzt halten Industrie-4.0-Techniken Einzug

Zum Institut gehört auch eine eigene Fertigungshalle für Rotorblätter. Seit rund vier Jahren arbeiten Fraunhofer-Wissenschaftler hier gemeinsam mit 14 Partnern aus Industrie und Forschung im Projekt BladeMaker an der Umstellung der stark manuell geprägten Rotorblattfertigung auf eine industrialisierte Serienfertigung. Die Wissenschaftler erproben neue Materialien und Prozesse, die das Potenzial für eine schnellere und kostengünstigere Herstellung der sehr großen Kompositbauteile bieten.

Das soll auch der Fertigungsqualität zu Gute kommen. Das Kernstück dabei ist eine extrem flexible Multifunktionsmaschine, eine Kombination aus Roboter und Fräse. Sie bearbeitet zum Beispiel computergesteuert Kunststoffblöcke zu Blattformen, die anschließend von einem zweiten Roboterarm mit Glasfasermatten ausgelegt werden. Mithilfe eines Harzes sowie etwas Druck und Temperatur werden sie dann zu den fertigen Rotorblättern ausgeformt.

Damit halten Bausteine der Industrie 4.0 Einzug in den Rotorblattbau. Die digitale Prozesssimulation erlaubt im frühen Stadium, Herausforderungen der Fertigung zu erkennen und daraus direkt die entsprechenden Bearbeitungsprogramme abzuleiten.

In der Demonstrationsanlage in Bremerhaven klappt das bereits ziemlich gut. „Wir gehen davon aus, dass wir die Produktionskosten mit diesem Verfahren und den weiteren Prozessen um deutlich mehr als zehn Prozent senken können“, sagt Gruppenleiter Christian Dörsch, während ein paar Meter weiter die Fräse zischend über die meterlangen Kunststoffblöcke fährt, die dabei jedes Mal ein paar Späne schlanker werden und ein bisschen mehr wie eine Rotorblattform aussehen.

Effiziente Fertigungsverfahren werden zum Wettbewerbsvorteil: Bei Ausschreibungen kommt nur der günstigste Anbieter zum Zuge

„Die Maschine erledigt die Arbeit nicht nur schneller, als Menschen das könnten, sie ist auch bei diesen großen Dimensionen deutlich exakter“, sagt Dörsch. Zwar werden auch heutige Blätter schon präzise gefertigt, durch eine noch größere Genauigkeit können sie den Wind aber noch effizienter ausnutzen und mehr Leistung bringen.

Kein Wunder, dass sich die Partner aus der Industrie sowie das Bundeswirtschaftsministerium mit 14 Millionen Euro im BladeMaker-Projekt engagieren. Schließlich wird es für Windparkbetreiber immer wichtiger, effizient zu produzieren. Denn durch die Umstellung auf ein Auktionsmodell kommen bei Ausschreibungen nur die Anbieter zum Zuge, die ihren Strom am günstigsten anbieten können. Automatisierung und Industrie 4.0 sind dabei zentrale Themen.

Volker Kühn
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