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Die Herausforderungen der Offshore-Windparks meistern

Einführung

Um die globale Energieversorgung zu dekarbonisieren, ist ein erneuerbarer Energiemix erforderlich, der die traditionelle Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen ersetzt. Für Großbritannien ist die Offshore-Windenergie ein wichtiger Bestandteil dieser Bemühungen um erneuerbare Energien.

Zwar ist der Bau von Offshore-Windturbinen aufwendiger und teurer als der Bau von denen an Land, aber die Größe und Gleichmäßigkeit der Offshore-Windenergie gleicht die höheren Investitionen aus. Mit einer relativ geringen Wassertiefe rund um die Küste Großbritanniens und keinem signifikanten Auftreten von Wirbelstürmen bietet die Offshore-Windenergie eine gute Lösung für die erneuerbaren Energien in Großbritannien.

Das Vereinigte Königreich ist derzeit weltweit führend bei der Nutzung der Offshore-Windkapazität und profitiert von den Erfahrungen der Öl- und Gasindustrie im Bereich der Offshore-Technik.1 Es ist daher verständlich, dass die Offshore-Windenergie bis 2020 voraussichtlich 10% der nationalen Stromversorgung Großbritanniens ausmachen wird.2

Zu den Faktoren, die die Offshore-Windenergie attraktiv machen, gehören sinkende Kosten (auch für Inspektion und Wartung), längere Betriebszeiten und geringere Investitionen pro MW. In der Tat gab es in den letzten zwei Jahren eine 30 prozentige Reduzierung der Offshore-Windkosten pro MWh.3

Es gibt jedoch noch eine Reihe von Herausforderungen im Zusammenhang mit der Nutzung der Offshore-Windenergie.

Herausforderungen der Offshore-Windenergie

Die Konstruktion, Herstellung und der Betrieb von Offshore-Windenergieanlagen haben ihre eigenen Herausforderungen wie Korrosion, Ermüdung, Erosion, Blitzschlag und Biofouling. Die Bewältigung dieser Herausforderungen und die Aufrechterhaltung der Betriebsverfügbarkeit von Offshore-Windenergieanlagen wird mit zunehmender Abhängigkeit von der Offshore-Windenergie immer wichtiger werden. Im Folgenden werden einige der Herausforderungen in Bezug auf die Materialien diskutiert, die sich auf Fundamente, Übergangsstücke und Turbinenblätter auswirken.

Herausforderungen bei Fundamenten und Übergangsstücken

Da Offshore-Windparks in immer größere Wassertiefen verlegt werden und mit größeren Turbinen betrieben werden sollen, mussten die Fundamentkonstruktionen entsprechend angepasst werden. Dies hat sowohl zu größeren Monopiles als auch zu einem zunehmenden Interesse an der Verwendung von Mantelstrukturen geführt, die beide neue Herausforderungen für die Fertigung darstellen. Eine Kostenreduzierung wird durch die Fertigung mit hohem Durchsatz angestrebt, für die fortschrittliche Fertigungsmethoden erforderlich sind.

Die aggressive Meeresumgebung bedeutet, dass die Monopile-Fundamente sowohl innerer als auch äußerer Korrosion ausgesetzt sind. Die Innere Korrosion kann durch einen begrenzten Austausch von eingeschlossenem Meerwasser verstärkt werden, während ein intermittierender elektrolytischer Kontakt eine umfassende Korrosion in der Spritz- und Gezeitenzone verursachen kann. Hinzu kommen Bedenken hinsichtlich der mikrobiell induzierten Korrosion und des Biofoulings. Es besteht auch die Forderung nach gut sichtbaren Beschichtungen am Übergangsstück. Herkömmliche Farbsysteme können jedoch sowohl unter Beschädigungen als auch unter UV-Abbau leiden, was eine teure Wartung erfordert.

Es gibt Herausforderungen im Zusammenhang mit der Ermüdung, einschließlich der Auswirkungen der Belastung während der ersten Rammvorgänge und der zyklischen Belastung der Struktur durch Wind und Wellen. Diese Materialermüdung kann durch die Zusammensetzung des Meeresbodens und sich entwickelnden Biofoulings verstärkt werden, was die hydrodynamische Belastung erhöht und Herausforderungen bei der routinemäßigen Inspektion und Wartung schafft.

Herausforderungen bei Turbinenschaufeln

Durch den Einsatz größerer Turbinenschaufeln wurden erhebliche Effizienzsteigerungen und Kostensenkungen erzielt, wobei die nächste Generation von Verbundwerkstoff-Schaufelstrukturen voraussichtlich über 100 m lang sein wird.4 Der Umstieg auf immer größere Schaufeln kann jedoch auch logistische Hindernisse schaffen. Die Hersteller sehen sich mit Herausforderungen beim Transport der Schaufeln zu den Installationsorten konfrontiert und erwägen segmentierte Schaufelkonstruktionen, die vor der endgültigen Installation vor Ort verklebt werden können. Die vorgeschlagene Vergrößerung der Turbinenschaufeln ist durch das Gewicht begrenzt, was bedeutet, dass leichtere Materialien wie thermoplastische Schaumstoffe und alternative Verbundwerkstoffe in Betracht gezogen werden. Leichtere Schaufeln ermöglichen eine leichtere Installation und Reparatur sowie eine verbesserte Leistung. Es gibt jedoch inhärente Schwierigkeiten bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen, wie z.B. die Fehlausrichtung der Fasern und die ungleichmäßige Harzverteilung, die zu einer verringerten Dauerfestigkeit führen können.

Die Auswirkungen von Ermüdung auf Turbinenschaufeln sind eine ständige Herausforderung, wobei jede Schaufel im Laufe ihrer Lebensdauer mehr als 100 Millionen Belastungszyklen durchlaufen muss.5 Die zyklische Belastung der Schaufeln wird auch durch Vorderkantenerosion und Eisbildung verschlechtert.

Die Vorderkantenerosion wird durch den wiederholten Aufprall von Regen, Eis und Partikeln verursacht, was zu einem Verlust der aerodynamischen Effizienz führt und die strukturelle Integrität der Schaufeln beeinträchtigen kann, was zu Wassereintritt und UV-Schäden führen kann. Selbst ein geringer Anteil der Vorderkantenerosion kann zu einem Rückgang der jährlichen Energieproduktion um etwa 5 % führen.6

Die größere Höhe der Turbinen und die größere Spannweite der Schaufeln erhöhen sowohl das Risiko von Blitzeinschlägen als auch die Reparaturkosten. Blitzeinschläge können zum Verlust von Turbinenschaufeln und zu Schäden an elektrischen Systemen führen. Obwohl es bereits handelsübliche Blitzschutzsysteme gibt, kann es zu Ausfällen kommen, die unter anderem auf das Eindringen von Feuchtigkeit, das Ablösen von Umlenkstreifen und die Erosion der Schaufeloberflächen zurückzuführen sind.

Die Zukunft der Offshore-Windenergie

Obwohl Großbritannien derzeit bei der Offshore-Windkapazität weltweit führend ist und eine Verdoppelung der Kapazität bis 2030 plant, wird erwartet, dass China ab 2021 bei der Offshore-Windkapazität weltweit führend sein wird.7

Der chinesische Markt hat seine eigenen besonderen Herausforderungen zu bewältigen, die mit dem Entwurf von Fundamenten für die lokalen Bedingungen des Meeresbodens und mit Korrosionsproblemen aufgrund der regionalen Umwelt zusammenhängen. In China wurden bestehende Offshore-Strukturen durch Taifune beschädigt. Da die Zeitfenster für die Durchführung von Reparaturen aufgrund der Verfügbarkeit von Überführungsschiffen begrenzt sind, besteht ein größerer Bedarf an geringeren Inspektions- und Wartungsanforderungen.

Da flache Standorte in Küstennähe immer stärker ausgelastet sind, werden Turbinen mit festem Boden in größeren Tiefen und weiter von der Küste entfernt installiert. Dies erhöht die Kosten für den Bau und die Installation des Fundaments, während die Entfernung vom Ufer Probleme bei der elektrischen Übertragung verursachen kann. Schwimmende Windturbinen ermöglichen den Zugang zu noch tieferen Gewässern, wo die Windgeschwindigkeit normalerweise höher und gleichmäßiger ist.

Derzeit ist ein schwimmender Windpark in Betrieb, Hywind vor der Küste Schottlands, der fünf Turbinen umfasst.8 Ein weiterer wird derzeit installiert, WindFloat, mit drei Turbinen vor der Küste Portugals.9

Im Vergleich zu Offshore-Lösungen mit festem Boden sind die Kosten jedoch ein begrenzender Faktor. Eine schwimmende Offshore-Windlösung kostet etwa £160 pro MWh, während ein Offshore-Park mit festem Boden nur £40 pro MWh kostet.10, 11 Der größte Kostenanteil für schwimmende Offshore-Windkraftanlagen besteht derzeit aus den Kosten für das Fundament. Um die Kosten zu senken und die Rentabilität schwimmender Windparks zu verbessern, ist ein besseres Verständnis der Auswirkungen der strukturellen Belastung von Kabeln und anderen Strukturen erforderlich. Außerdem muss mehr Forschung im Hinblick auf die Alterung von Komponenten unter zyklischen Belastungen betrieben werden, während die Wartungskosten durch neue Biofouling-Lösungen verbessert werden müssen.

 

Was bietet TWI an?

Das TWI kann bei den aktuellen und zukünftigen Herausforderungen der Offshore-Windenergienutzung helfen, indem es unser Fachwissen in den Bereichen Werkstoffe, Schweißen, Beschichtungen, Modellierung, Sensoren und Verbundwerkstoffe nutzt. Wir waren bereits maßgeblich an der Erforschung von Lösungen für viele der Herausforderungen der Offshore-Windindustrie beteiligt, wie z.B. in den Hiperwind-, MIMRee- und CROWN-Projekten, die sich mit Korrosionsproblemen durch die Verwendung thermisch gespritzter Aluminiumbeschichtungen befassten.

Werkstoffkunde

TWIs Werkstoffkompetenz umfasst die Lösung von Problemen im Zusammenhang mit Korrosion, Ermüdung und Bruch.

Schweißen

Als Experten in allen Aspekten des Schweißens und Fügens kann das TWI bei der Entwicklung von Herstellungsverfahren mit hohem Durchsatz und niedrigen Kosten helfen.

Beschichtungen

Die TWI kann Ihnen mit Beschichtungen zu Themen wie Blitzschlagschutz, Erosionsschutz an der Vorderkante, Korrosionsschutz, Antifouling und Vereisungsschutz helfen.

Modellierung

Die Modellierungsexpertise und das Wissen über die strukturelle Integrität von TWI können genutzt werden, um sicherzustellen, dass Ihre Anlagen so lange wie möglich in Betrieb bleiben.

Sensoren

Sensoren können für die Fernüberwachung von Bolzen, Klingen, Verankerungsketten und anderen Schlüsselkomponenten verwendet werden.

Inspektion

Unser umfangreiches Wissen über zerstörungsfreie Prüfverfahren wird weiterhin zur Überwachung von Offshore-Windkraftanlagen genutzt und liefert wichtige Informationen für künftige Konstruktionen.

Verbundwerkstoffe

TWI treibt die Verbundwerkstoff-Forschung im gesamten Unternehmen weiter voran, was bedeutet, dass wir in Fragen der Konstruktion von Schaufelverbindungen, der Materialauswahl und -entwicklung sowie der Verbindung von Verbundwerkstoffen helfen können.

Wenn Sie wissen wollen, wie TWI Ihnen bei Ihrem Offshore-Windprojekt helfen kann, senden Sie bitte ein englischsprachiges E-Mail an kontakt@twi-deutschland.com.

 

Quellenangaben

  1. Offshore wind is first renewable technology to agree Sector Deal with Government.
  2. Offshore wind industry prospectus, Oktober 2018.
  3. Offshore wind energy price plunges 30 per cent to a new record low.
  4. Extreme measures: At 107 meters, the world’s largest wind turbine blade is longer than a football field. Here’s what it looks like.
  5. Materials for wind turbine blades: An overview.
  6. The increasing importance of leading edge erosion and a review of existing protection solutions.
  7. Lessons from Britain, the world’s biggest offshore wind market.
  8. The future of offshore wind is afloat.

World’s second floating wind farm sets sail for Portugal.

  1. Offshore wind energy price plunges 30 per cent to a new record low.
  2. Floating offshore wind energy: A policy blueprint for Europe.

Für weitere Informationen senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an:

kontakt@twi-deutschland.com 

 

 

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