Windturbinen werden immer größer. Dadurch werden ihre Bauteile stärker belastet, beispielsweise durch plötzliche Windböen und andere Turbulenzen. Einen wichtigen Fortschritt bei der Beschreibung dieser Lasten hat nun ein Team der Universität Oldenburg gemeinsam mit Partnern vom ICM – Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau und vom Hersteller Nordex erzielt. Damit lassen sich die mechanischen Kräfte auf Rotoren besser beschreiben als mit bisherigen Standardmodellen. „Wir stellen damit ein potenzielles Werkzeug für Belastungsabschätzungen zur Verfügung, das bei der Planung und Auslegung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommen kann“, erklärt Peinke.
Windturbinen werden größer – Lasten steigen
Die Rotorfläche einer Offshore-Windenergieanlage – also die kreisförmige Fläche, die von den Rotorblättern bei ihrer Umdrehung überstrichen wird – kann mittlerweile einen Durchmesser von mehr als 200 m erreichen. Bei Volllast erzeugen solche Windräder eine Leistung von 20 MW – genug, um 200 000 Personen mit Strom zu versorgen.
Eine besondere Herausforderung des Größenwachstums besteht darin, dass sich die Anlagen und ihre Teile durch wechselnde Windkräfte ständig verbiegen. Diese Verformungen lassen das Material ermüden, wodurch Risse oder sogar Brüche entstehen können. „Bislang nehmen Hersteller der Einfachheit halber an, dass Böen immer gleichmäßig auf die gesamte Rotorfläche treffen“, erläutert Ko-Autor Jörg Schwarte von Nordex.
Lokale, plötzliche Böen sind entscheidend
Für kleinere Anlagen war diese Annahme ausreichend, doch bei größeren Windrädern spielen turbulente Windverhältnisse eine stärkere Rolle für den Verschleiß. Die aktuelle Kooperationsstudie hat eine neue Erkenntnis gebracht: Plötzliche und auf kleine räumliche Bereiche konzentrierte Windböen sind der entscheidende Faktor für die Materialermüdung. Um Windkraftanlagen besser an diese Belastungen anpassen zu können, benötigen die Hersteller eine präzisere mathematische Beschreibung des Windes und seiner Schwankungen über dem Rotor.
In drei Publikationen schlägt das Team nun ein neues Maß für die Wirkung lokaler Böen vor. Die Forschenden entwickelten eine Methode, um aus den aktuellen Windverhältnissen – Fachleute sprechen in diesem Zusammenhang vom Windfeld – die auf die Rotorblätter wirkende Kraft zu errechnen. Die Belastung beschreiben sie anhand einer einfachen Größe, die sie als Druckschwerpunkt bezeichnen. „Ist die Windströmung gleichmäßig, liegt der Druckschwerpunkt genau in der Mitte der Rotorfläche“, erläutert Peinke. Erfasst jedoch eine Windböe nur einen Teil der Rotorfläche, bewegt sich der Druckschwerpunkt vom Zentrum weg. Dadurch verbiegen sich die Rotorblätter an dieser Stelle stärker und es entsteht ein Drehmoment auf die Gondel der Anlage.
So entstand das Konzept: Messungen, Windfelder & Simulationen
Um das neue Lastkonzept zu entwickeln, nutzte das Team Messdaten von modernen Anlagen sowie detaillierte Winddaten aus den 1980er-Jahren. Diese waren damals im Zuge des GROWIAN-Projekts von mehreren Messmasten in Schleswig-Holstein aufgenommen worden. Anhand dieser Daten rekonstruierte Dr. Jan Friedrich von der Universität Oldenburg Windfelder über der Rotorfläche. Damit führten die Forschenden sogenannte aeroelastische Simulationen durch, bei denen sie die Windströmungen und die sich verbiegenden Windanlagen gleichzeitig berechneten.
Anschließend belegten die Forschenden mithilfe aufwendiger Strömungssimulationen, dass das Konzept des Druckschwerpunkts die tatsächlichen Belastungen der Anlage gut beschreibt. „Obwohl wir dafür den Hochleistungsrechencluster der Universität nutzen konnten, lassen sich die Simulationen für große Anlagen nur wenige Minuten lang detailliert berechnen“, berichtet Marcel Bock, Doktorand an der Universität Oldenburg und Erstautor eines der Fachartikel. In der dritten Arbeit erstellte ein Team um Peinke und die Doktorandin Daniela Moreno ein stochastisches Modell für den Druckschwerpunkt. Dieses Modell vereinfacht die Berechnungen und könnte es Herstellern in Zukunft ermöglichen, Langzeitsimulationen über mehrere Jahre durchzuführen.
Was passiert, wenn der Druckschwerpunkt nach außen wandert
„Besonders starke Verbiegungen entstehen, wenn der Druckschwerpunkt in den Außenbereich der Rotorfläche kommt”, erklärt Dr. Carsten Schubert vom ICM. Solche heftigen Ereignisse werden von den Kontrollsystemen aktueller Anlagen nicht erfasst und somit auch nicht abgemildert, wie das Team berichtet. Dies könnte dank der neuen Studien nun möglich werden. Auch für die Auslegung von Windkraftanlagen sind die Ergebnisse hilfreich.
Der Oldenburger Windforscher Dr. Matthias Wächter berichtet: „Die Hersteller schätzen alle zu erwarteten Verbiegungen des Materials während einer etwa 20- jährigen Laufzeit ab und planen dementsprechend das Material und die Materialstärke der Bauteile.“ Bislang bestanden dabei große Unsicherheiten – vor allem, weil sich die Windverhältnisse nicht genau genug berechnen ließen. „Diese Unsicherheiten zu reduzieren, wäre ein großer Gewinn, da frühzeitige Ausfälle von Bauteilen einen großen Kostenfaktor der Windenergie darstellen“, sagt Ko-Autorin Gritt Pokriefke von Nordex. Neue, detaillierte Windmessungen finden aktuell im Forschungswindpark WiValdi an der Elbe statt, an dem sich ForWind beteiligt.
