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Forschungsprojekt: Leichtbau ermöglicht hohe CO2-Einsparungen bei Offshore-Windenergie

© Adobe Stock / Fotolia© Adobe Stock / FotoliaBerlin - Die Bundeanstalt für Materialforschung und Prüfung (Bam) untersucht Ansätze zur Senkung der CO2-Emissionen im Fertigungsprozess von Offshore-Windenergieanlagen. Im Fokus stehen Gründungsstrukturen, die in Leichtbauweise gefertigt werden.

Der Ausbau der erneuerbaren Energien ist von entscheidender Bedeutung für die Erreichung nationaler und internationaler Klimaschutzziele. Weniger im Blick ist dabei oft, dass der Fertigungsprozess der Anlagen selber auch Ansätze für eine Reduktion von CO2-Emissionen bietet. Die BAM erforscht dazu in einem neuen Projekt zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie die Verknüpfung von Leichtbauprinzipien mit einer digitalisierten Fertigung. Die Ergebnisse versprechen erhebliche CO2-Einsparpotenziale, die auch auf andere Bereiche des Stahlbaus übertragen werden können.

Fertigung von Hand und hohe Sicherheitsanforderungen begünstigen hohen Stahleinsatz
Bei vielen Offshore-Windenergieanlagen erfolgt die Gründung unter Verwendung von Monopiles. Dafür werden pro Monopile bis zu 2000 Tonnen 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 Jacket-Gründungen verwendet werden. Diese stellen fertigungstechnisch jedoch eine Herausforderung dar, so dass die CO2-Einsparpotenziale bislang industriell nicht umgesetzt werden. Das hängt vor allem mit den sehr komplexen Schweißnähten zusammen. 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“, erklärt dazu Andreas Pittner von BAM.

BAM-Forschungsprojekt untersucht mit Leichtbauprinzipien verbundene Fragestellungen
Bei einer durchschnittlichen 12-Megawatt-Anlage ließen sich mit Jacket-Strukturen gegenüber einem Monopile 20 Prozent an Gewicht, d.h. ca. 400 Tonnen Stahl und entsprechend rund 800 Tonnen an CO2 einsparen. Durch ein optimiertes Design der Schweißnähte nach bionischen Prinzipien sowie Einsparungen beim energieintensiven Schweißen selbst könnte der CO2-Anteil in der Fertigung weiter reduziert werden. Insgesamt ergibt sich für einen Windpark mit 100 Anlagen nach BAM-Angaben damit 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 - diese wäre wiederum die Voraussetzung für die Anwendung des Leichtbauansatzes im Stahlbau.

Den mit den Leichtbauprinzipien verbundenen Fragestellungen widmet sich jetzt das neue Verbundprojekt „SmartWeld“ am BAM, das von Andreas Pittner geleitet wird. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Vorhaben im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau mit 3,17 Millionen Euro. Das Projekt 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.

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

Die Tragstrukturen von Windenergieanlagen sind letztlich nur ein Anwendungsbeispiel für die Einsparpotenziale von CO2 durch Leichtbau. Die Erkenntnisse von SmartWeld könnten später auch auf andere Bereiche übertragen werden, in denen großformatige Stahlbauten gefertigt werden, z.B. bei Tragstrukturen für Brücken.

© IWR, 2021


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