Leichtbau

Mehr Windertrag durch den Leichtbau der Turmsegmente von WEA

| Autor / Redakteur: Mona Goudarzi, Tilmann Rüther* / Jan Vollmuth

(Bild: Ambau)

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Die Anwendung von Leichtbaukonzepten auf die Turmkonstruktion von Windenergieanlagen ermöglicht durch die Verringerung des Gewichtes, bei gleicher Steifigkeit, die Windenergieanlage höher zu bauen. Ein am IPH entwickelter Trapez-Leichtbauturms könnte bei einer 3-MW-Anlage mit 90 m Nabenhöhe eine Gewichtsersparnis bis zu 20 % erzielen.

Um fossile Energieträger zu schonen, werden verstärkt Energiegewinnungsanlagen gebaut, die auf regenerative Ressourcen zurückgreifen. Im Jahre 2011 wurden durch die Nutzung der Windenergie 7,6 % des bundesweiten Stromverbrauchs durch ca. 22.300 Windenergieanlagen (WEA) in das Stromnetz eingespeist [1]. Höhere Energieerträge lassen sich durch größere Nabenhöhen erzielen, da der Wind in der Höhe stärker und gleichmäßiger weht [2]. Derzeit haben die höchsten Türme eine Masse von 400 t (5M von REpower Systems).

Stahltürme sind die am weitesten verbreitete Turmbauart

Die Türme für WEA werden derzeit in Stahlrohr-, Gitter-, Beton- oder Hybridbauweise hergestellt [3]. Aufgrund der geringen Montagezeiten stellen Stahltürme die am weitesten verbreitete Turmbauart für kommerzielle WEA dar. Derzeit wird der Großteil der Stahltürme aus gerolltem Blech hergestellt. Die zu rollenden Platten werden – in der Regel durch Laserschneiden – vorgefertigt. Die meist konisch gerollten Segmente werden nach dem Walzvorgang zu Stahlrohrabschnitten verschweißt, die mit Hilfe von gewalzten Verbindungsringen verschraubt werden [4]. Wenn der Transportweg relativ kurz ist, werden die Segmente direkt nach dem Rollen verschweißt.

Mit der Höhe des Turmes der WEA steigen der Materialbedarf und das Gewicht überproportional an. Dem Aspekt des Leichtbaus wird daher ein großes Potenzial zugeordnet. Bereits in der Vergangenheit konnte durch den Einsatz von bspw. Sandwichstrukturen das Gewicht der Rotorblätter signifikant verringert werden [5].

Leichtbaukonzepte für die Fertigung von Stahlrohtürmen entwickelt

Im Rahmen eines am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) durchgeführten Forschungsprojekts wurden Leichtbaukonzepte für die Fertigung von Stahlrohtürmen entwickelt. Ein Leichtbau der Türme kann z. B. durch die Verringerung der Blechdicken des Stahlrohrbleches realisiert werden. Dünne Bleche können aber nur einen geringen Widerstand gegen aufgezwungene Verformungen oder Instabilitäten entgegensetzen. Diesem Effekt kann wiederum durch das Aufbringen von konstruktiven Versteifungselementen entgegengewirkt werden. Konstruktive Versteifungen sind gezielt eingebrachte geometrische Anisotropien, die helfen die Steifigkeit einer Leichtbaukonstruktion zu erhöhen.

Innerhalb des Forschungsprojekts wurden neben Ansätze aus der Luft- und Raumfahrt auch Ansätze aus der Bionik betrachtet. Die Bionik beschäftigt sich mit der Umsetzung von Prinzipien aus dem Bereich der Natur in die Technik. Dabei liegt die Annahme zugrunde, dass es in der Natur durch evolutionäre Prozesse (relativ) optimierte Strukturen gibt. Im Projekt wurden i. A. Bauformen und Strukturen untersucht, die aufgrund ihrer Geometrie eine hohe Steifigkeit aufweisen. Diese Strukturen wurden auf den Anwendungsfall WEA transferiert.

Bananenhalmturm – Die Leichtbauidee aus der Bionik

Aus der Bionik entlehnte Formen, Topologien und Gestalten ermöglichen die Optimierung von Bauteilen und Strukturen. Angelegt an einen natürlichen Bananenhalm wurde ein technischer Bananenhalm am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik entwickelt. Dieser erweist sich in der Praxis als stabil und zugleich leicht [6]. Auf der Grundlage dieses technischen Bananenhalms basiert der Konstruktionsansatz Bananenhalmturm. Die Hauptkonstruktionselemente dieses Leichtbauturms sind die beiden kreisförmigen Elemente, welche durch Stege miteinander verbunden sind. Die Idee hierbei war, eine Versteifungswirkung im Turm durch mehrere miteinander verbundene Elemente zu erzielen. Um eine optimale Versteifungsgeometrie zu erzielen, wurden mehrere Turmmodelle mit unterschiedlichen Versteifungsmöglichkeiten untersucht (vgl. Bild 1):

  • Hohlprofile: Mit Hohlprofilen können höhere Flächenträgheitsmomente als mit Vollquerschnitten erzielt werden (vgl. Bild 1 links).
  • Rohrförmige Versteifungen: Hierdurch sollten möglichst große Flächen- bzw. Widerstandsmoment erreicht werden, um somit eine Gewichtreduzierung bei gleichbleibender Steifigkeit zu erzielen (vgl. Bild 1 Mitte).
  • V-förmige Versteifungen: Die Idee hierbei stammt ursprünglich aus dem Mittelhandknochen eines Bartgeiers (vgl. Bild 1 rechts).

Bild 1: Am IPH konstruierte Bananenhalmvarianten: nach technischen Bananenhalm (l.), mit rohrförmigen Versteifungen (Mitte) und mit V-förmigen Versteifungen (r.).
Bild 1: Am IPH konstruierte Bananenhalmvarianten: nach technischen Bananenhalm (l.), mit rohrförmigen Versteifungen (Mitte) und mit V-förmigen Versteifungen (r.). (Bild: IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover)

Stringerturm – Die Leichtbauidee aus der Luft- und Raumfahrttechnik

Dünne Bleche können bekanntlich aufgezwungenen Verformungen oder Instabilitäten nur einen geringen Widerstand entgegensetzen. Analog zur Konstruktion eines Flugzeugrumpfes wurden die konstruktiven Versteifungen wie Stringer und Spanten im Forschungsprojekt untersucht. Stringer sind Längsversteifungen, die für eine erhöhte Steifigkeit von großen flächigen Bauteilen sorgen und das Ausbeulen von diesen Bauteilen verhindern sollen. In der Luft- und Raumfahrtechnik bilden sie zusammen mit Spanten das tragende Gerüst des Flugzeugrumpfs (vgl. Bild 2 links). Durch die Versteifungswirkung der Stringer sollte die benötigte Blechdicke des Turms minimiert werden können. Dieses hätte eine Verringerung des Gesamtgewichts vom Turm bei gleicher Steifigkeit zur Folge. Am IPH wurde der Turm aus Stringern mit kreuzförmigen Spannten konstruiert (vgl. Bild 2 rechts).

Bild 2: Links: Schematische Darstellung eines Flugzeugrumpfes [7]. Rechts: CAD-Modell Stringerturm mit Stringern und einer kreuzförmigen Spantenvariante.
Bild 2: Links: Schematische Darstellung eines Flugzeugrumpfes [7]. Rechts: CAD-Modell Stringerturm mit Stringern und einer kreuzförmigen Spantenvariante. (Bild: IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover)

Trapezturm – Der Leichtbauturm

Der Stringerturm wurde bzgl. des Gewichts und die Herstellbarkeit weiter optimiert. Am Markt sind sogenannte Trapezprofile vorhanden, die bereits in der Wand- und Dachkonstruktionen zum Einsatz kommen. Diese Profile sollten für den Turmbau die Funktion der Versteifungselemente erfüllen und kamen anstelle der Stringerelemente zum Einsatz. Die Profile werden standardmäßig mit einer Blechstärke bis zu 1,5 mm hergestellt, wobei in Sonderfertigungen Blechstärken von bis zu 5 mm produzierbar wären. Im Forschungsprojekt wurden zwei unterschiedliche Profile auf ihre Eignung für den Turmbau untersucht. Für die Turmkonstruktion wurden die geometrischen Daten eines Herstellers verwendet und auf den Radius des Leichtbauturmes übertragen (Bild 3).

Bild 3: CAD-Modell Trapezturm.
Bild 3: CAD-Modell Trapezturm. (Bild: IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover)

Bewertung der Leichtbauideen

Um die drei entwickelten Turmkonzepte bewerten zu können, wurde eine Referenzanlage ausgewählt. Dieser Anlage mit einem Stahlrohturm ist einer 3MW-Anlage mit einer Nabenhöhe von 90 m. Für diese Anlage standen die technischen Daten zur Anlage, wie z. B. Durchmesser des Turms, Schalendicke des Turmes und Gewicht der Hauptkomponenten durch einen Industriepartner zur Verfügung.

Auf Basis der zur Verfügung stehenden Konstruktionsdaten der Referenzanlage wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation dieser Anlage erstellt. Mit entsprechenden Randbedingungen (wie z. B. Lasten und Lagerungen) wurde die Gesamtbelastung dieser Anlage simulativ ermittelt. Die drei Konstruktionsansätze wurden strukturmechanisch untersucht.

Fazit

Durch den im Projekt entwickelten Konstruktionsansatz Trapezturm konnte ein Gewichtsersparnis von ca. 20 % gegenüber dem Referenzturm erreicht werden (Bild 4). Dies hat den Vorteil, dass keine Streckgrenzenabminderungen erforderlich sind.

Weiterer Vorteil dieser Konstruktion besteht in der bereits im Markt zur Verfügung stehenden Ausgangsmaterialien. Diese müssen nicht neu entwickelt, sondern nur für eine Anwendung bei Türmen angepasst werden. Die Gesamtsteifigkeit der Türme konnte auch bei einer weiteren Topologieoptimierung des Ausgangsmaterials im Vergleich zu der bisherigen Bauweise erhalten bleiben.

Bild 4: Vergleich Referenzturm mit dem entwickelten Trapezturm.
Bild 4: Vergleich Referenzturm mit dem entwickelten Trapezturm. (Bild: IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover)

Ausblick

Da die Türme von WEA zu den dynamisch beanspruchten Bauteilen gehören, ist neben der Tragfähigkeit auch die Ermüdungsfestigkeit über die geplante Lebensdauer (in der Regel 20 Jahre) sicherzustellen. Dieses sollte in weiteren Arbeiten untersucht werden.

Die hier untersuchten Trapezbleche werden zurzeit als Blechteile hergestellt. Zu untersuchen wäre hier der Aspekt der Fertigungstechnik, z. B. das Rundwalzen der Trapezbleche.

Da zur Herstellung des Leichtbau-Trapezturms aufgelöste Bauweisen aus unterschiedlichen Konstruktionselementen (Außenhautschale und Trapezblech) erforderlich sind, ist die Verbindungstechnologie von großer Bedeutung und soll in den weiteren Forschungsprojekten ebenfalls näher untersucht werden.

Das Projekt „Leichtbau bei XXL-Produkten am Beispiel von gewichtsoptimierten XXL-Turmsegmenten“ (LeiTu) wird von dem Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK) und dem Niedersächsischen Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr (MW) im Rahmen des Verbundprojekts „Innovationen für die Herstellung großskaliger Produkte“ gefördert. Das IPH bedankt sich für die finanzielle Unterstützung. (jv)

Literaturverzeichnis:

[1] Molly, J. P.: Status der Windenergienutzung in Deutschland. (Hrsg.): DEWI GmbH. Stand 31.12.2011, S. 2.

[2] VDI: Windkraftanlagen im Leichtbau. In: VDI-Nachrichten, Ausgabe 36 (2008), S. 20.

[3] Weinhold, N.: Die Two-in-one Lösung. In: Neue Energien, H. 5 (2008), S. 48-53.

[4] Apholt, H.; Szebsdat, O.: Schmiedetechnologie für den Umweltschutz. In: Schmiede-Journal, Industrieverband Massivumformung e. V., o. Jg. (2007), H. 3, S. 14-15.

[5] Odenwald, S.; Köhler, E.; Lampke, Th.; Wielage, B.: Strukturversteifung von Naturfaserverbunden durch Anwendung von Sandwichstrukturen. In: Tagungsband des 14. Symposiums Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, 02.-04. Juli 2003, Wien, Austria, Wiley-VCH, S. 756-761.

[6] Jaeger, R.: Bauteile – der Natur nachempfunden. Fraunhofer Mediendienst. September 2011.

[7] Klein, B.: Leichtbaukonstruktion. 9. Aufl., Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2011.

* Dipl.-Ing. Mona Goudarzi ist Projektingenieurin in der Abteilung Prozesstechnik am IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover, Dipl.-Ing. Tilmann Rüther ist Projektingenieur in der Abteilung Prozesstechnik am IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover.

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