Off shore wind turbines (Digital Composite)
Quelle: Michael Betts/DigitalVision/Getty Images
Dank des ertragreicheren Standorts arbeiten Offshore-Windenergieanlagen effizienter als Windräder an Land. Allerdings sind sie auf dem Meer größeren Belastungen durch den Wind ausgesetzt. Zudem nagen hohe Wellen und aggressives Salzwasser an ihnen. Die BAM untersucht diese Schadensquellen, arbeitet an technischen Lösungen und bewertet vorhandene Reparaturkonzepte.
Der Bau von Windparks vor den Küsten ist ein wichtiger strategischer Pfeiler der Energiewende in Deutschland. Anfang 2018 waren 19 Windparks in Nord- und Ostsee in Betrieb. "Je mehr Offshore-Windparks in Betrieb gehen, desto mehr rückt deren reibungsloser Betrieb in den Fokus", sagt Dr.-Ing. Matthias Baeßler vom Fachbereich Ingenieurbau der BAM. Er leitet das Projekt "Lebensdauerverlängerung und Betriebsfestigkeit von Windenergieanlagen (LeBeWind)". Ziel ist es, mit den Ergebnissen den wirtschaftlichen Betrieb der Anlagen sicherzustellen und die Kosten für Instandhaltung und Reparaturen zu minimieren.
Baeßler und sein Team konzentrieren sich vor allem auf drei Aspekte: die sogenannten Grout-Verbindungen, die Rotorblätter und den Korrosionsschutz.
Mit Spezialmörtel gegen Risse im Fundament
Grout-Verbindungen sind die Verbindungen zwischen den Gründungsbauwerken, also den Stahlpfählen beziehungsweise Fundamenten, und den darauf aufsetzenden Bauteilen der Windenergieanlage. Der zwischen diesen beiden Bauteilen vorhandene Spalt wird üblicherweise mit einem mineralischen Spezialmörtel vergossen, dem Grout. "Diese Verbindung ist einer hohen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, denn es wirken sowohl statische als auch dynamische Belastungen", erklärt Baeßler. Doch diese Spezialmörtel können im Anlagenbetrieb Risse bekommen. Die BAM entwickelte daher einen Rissfüllstoff auf Basis eines sehr feinen mineralischen Zements. Und tatsächlich: "Die Tragfähigkeit der ertüchtigten Grout-Verbindung ist vergleichbar mit einer intakten Verbindung", sagt Baeßler. Allerdings fanden die bisherigen Untersuchungen an trockenen Grout-Verbindungen statt. Die BAM will die Versuche deshalb in einer Wasserumgebung im Labor fortsetzen.
Auf der Suche nach dem besten Reparaturkonzept
Die über 60 Meter langen Rotorblätter sind anderen Belastungen ausgesetzt: Heftigen Starkwinden, orkanähnlichen Böen und salzhaltiger Meeresluft. Trotz dieser rauen Umweltbedingungen gehen die BAM-Ingenieure davon aus, dass 70 bis 80 Prozent der auftretenden Schäden an den Rotorblättern die Folge herstellungsbedingter Abweichungen von der konstruktiven Idealform sind. Es passiert nicht selten, dass sich schon weit vor der theoretisch vorausgesagten Lebensdauer von 20 Jahren Schäden bilden. Die Folgen sind Betriebsstillstand, aufwendige und kostspielige Reparaturen auf hoher See oder gar ein Rotorblattaustausch. Da es derzeit noch keine einheitlichen Vorgaben für die Reparatur gibt, untersucht die BAM die Auswirkungen der bisher angewendeten Konzepte und vergleicht sie miteinander. Schließlich soll aus diesen Vergleichswerten das bestmögliche Reparaturkonzept abgeleitet werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der BAM nutzen dafür Verfahren wie die Thermografie, mit der sie den Instandhaltungs- und Reparaturbedarf von Rotorblättern effizient ermitteln können.
Forschung mit Aussicht: Korrosionsschutz unter Realbedingungen testen
In einer weiteren Forschungsfrage geht es um die Korrosion. "Betroffen davon sind vor allem jene Stahlkonstruktionen, die sich oberhalb der Wasseroberfläche befinden", sagt der Teilprojektleiter Martin Babutzka. Beschichtungen sind deshalb die erste Wahl zum Schutz. Das frühzeitige Aufbringen soll Korrosionsschäden beim Transport oder durch Umwelteinflüsse während der Montage an Land sowie während des Betriebs verhindern. Die BAM arbeitet daher an der Entwicklung geeigneter Prüfmethoden für Korrosionsschutz-Beschichtungen, die die Dauerhaftigkeit einer Reparaturbeschichtung im Fokus haben.
Im Unterwasserbereich können mikrobiologische Aktivitäten oder maritimer Bewuchs wie Algen und Seepocken die Korrosion beeinflussen. Eine Möglichkeit hier Stahl zu schützen, ist der kathodische Korrosionsschutz. Bei diesem elektrochemischen Wirkprinzip werden Stahlwerkstoffe im Wasser geschützt, indem sie mit einem unedleren Metall wie Zink verbunden oder über eine externe Stromquelle kathodisch polarisiert werden. In der Folge löst sich das unedle Metall nach und nach auf, wird also "geopfert", um die Stahlstruktur zu schützen.
Die BAM plant hierzu Laborversuche unter Realbedingungen, Martin Babutzka: "Wir wollen die Wechselwirkung zwischen dem kathodischen Korrosionsschutz und dem maritimen Bewuchs verstehen. Unser Ziel ist es, für die Teile einer Windenergieanlage, die sich ständig unter Wasser befinden, einen dauerhaften Korrosionsschutz zu gewährleisten." Für diese anspruchsvolle Anwendungsforschung werden Babutzka und sein Team ein Testlabor in einem Container mit Meerwasser-Bypass einrichten, und sich dafür von Berlin auf den Weg zur Nordseeinsel Norderney machen. Das ist Forschung mit Aussicht: Dort kann man vom Nordstrand aus einen Offshore-Windkraft-Park mit bloßem Auge sehen, wenn das Wetter günstig ist.