Faszination Technik Wie mit Leichtbau bei Offshore-Anlagen CO2 eingespart werden kann

Redakteur: Katharina Juschkat

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Mit Leichtbau CO2 einsparen.

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Mit bionischen Schweißnähten lässt sich viel CO2 einsparen.
Mit bionischen Schweißnähten lässt sich viel CO2 einsparen.
(Bild: ©peterschreiber.media - stock.adobe.com)

Ein neues Projekt untersucht, wie mit Leichtbauprinzipien CO2 schon bei der Konstruktion von Offshore-Windanlagen eingespart werden kann. Die Herausforderung dabei: Für eine leichtere Konstruktion braucht es sehr komplexe Schweißnähte, die für die automatisierte Fertigung schwierig sind. Das Verbundprojekt „Smart Weld“ will sich diesen Herausforderungen stellen. Beteiligt am Projekt sind die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (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.

2000 Tonnen Stahlgerüst

Offshore-Windenergieanlagen stehen auf einer gewaltigen, bis zu 60 m hohen Tragstruktur; der größere Teil davon bleibt unterhalb der Wasserlinie verborgen. Verwendet wird heute oft ein einziger stählerner Pfahl, ein sogenannter Monopile. Dazu werden bis zu 2000 t Stahl zusammengeschweißt – bei dessen Erzeugung große Mengen an CO2 freigesetzt werden.

Deutlich geringer fällt das Gewicht und damit der bei der Stahlerzeugung freigesetzte CO2-Anteil aus, wenn statt des Monopiles filigranere Tragstrukturen verwendet werden. Diese als Jacket-Gründungen bezeichneten Leichtbaustrukturen stellen fertigungstechnisch jedoch eine Herausforderung dar, so dass CO2-Einsparpotenziale bislang industriell nicht umgesetzt werden.

Die gewaltige Stahlstruktur, auf dem die Offshore-Anlagen stehen, bestehen aus bis zu 2000 t Stahl.
Die gewaltige Stahlstruktur, auf dem die Offshore-Anlagen stehen, bestehen aus bis zu 2000 t Stahl.
(Bild: Salzgitter Mannesmann Renewables GmbH)

Komplexe Schweißnähte

Das hat vor allem mit den sehr komplexen Schweißnähten zu tun: 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 Andreas Pittner von der Bundesanstalt. „Die Einsparpotenziale sind eindrucksvoll.“

100.000 Tonnen CO2 einsparen

Bei einer durchschnittlichen 12-Megawatt-Anlage ließen sich gegenüber einem Monopile 20 Prozent an Gewicht einsparen, was etwa 400 t Stahl und rund 800 t CO2 entspricht. Durch ein optimiertes Design der Schweißnähte nach bionischen Prinzipien sowie Einsparungen beim energieintensiven Schweißen selbst lässt sich der CO2-Anteil in der Fertigung weiter reduzieren. Insgesamt ergibt sich für einen Windpark mit 100 Anlagen 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 der Leichtbauprinzipien im Stahlbau.

Anwendungen auch in anderen Industrien denkbar

„Wir wollen die Verwendung von Leichtbautechniken durch eine durchgängige Digitalisierung der gesamten Fertigungs- und Prüfkette ermöglichen“, so Pittner vom BAM. „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.“

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

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