CAD-Software Windturbinen im virtuellen Test

Autor / Redakteur: Carola von Wendland / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Branchenspezifische Softwarelösungen verkürzen die Produkteinführungszeiten von Windturbinen und reduzieren deren Herstellungskosten. Das hilft den Unternehmen und kommt letztlich auch der Umwelt zugute.

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(Bild: Dassault Systèmes)

Die Nachfrage nach Windenergie nimmt kontinuierlich zu. Allein in Nord- und Ostsee sollen in den kommenden Jahren über 20 neue Windparks mit mehr als 2.000 Windrädern in Betrieb genommen werden. Trotzdem hat die Windenergie-Industrie zu kämpfen. Um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen, setzen immer mehr Hersteller von Windkraftanlagen daher darauf, ihre Entwicklungs-, Produktions- und Betriebskosten zu reduzieren. Und sie wollen zunehmend die Zeitspanne zwischen Produktentwicklung und Produkteinführung verkürzen. Spezialisierte Softwarelösungen, wie die Branchenlösung „Nachhaltige Windkraftanlagen“, des Softwareherstellers Dassault Systèmes, die auf der 3D-Experience-Plattform basiert, unterstützen sie dabei.

Im Fokus: Das Herz der Windturbine

Windturbinen sind teuer. Mit einem Anteil von 20 bis 25 % an den Gesamtkosten zählen die Rotorblätter dabei zu den teuersten Komponenten. Kein Wunder, denn sie sind einer Vielzahl an Belastungen ausgesetzt. Was die Konstruktion ebenfalls zu einer Herausforderung macht: Sie werden heute meist aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt. Denn diese verfügen unter anderem über eine hohe Steifigkeit und Verschleißfestigkeit sowie über ein geringes Gewicht. Die Konstruktion erfordert Fertigungsablaufstudien, aerodynamische Berechnungen sowie Belastungs- und Lebensdauerprüfungen. Deshalb lassen sich Rotorblätter nur im Zuge einer engen, disziplinübergreifenden Zusammenarbeit entwickeln und weiterentwickeln.

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Branchenlösung deckt komplette Prozesskette ab

Auch wenn viele Hersteller den anspruchsvollen Konstruktionsprozess bereits sehr gut beherrschen, verschenken einige noch immer Optimierungschancen. Vor allem, wenn Vorentwurf, Detailkonstruktion, Berechnungsverfahren und Produktion voneinander abgeschottete Prozesse sind, die jeweils durch isolierte Softwarelösungen unterstützt werden. Das Problem: Verfügen die einzelnen Abteilungen nicht über eine gemeinsame Informationsplattform, kostet der notwendige Datenaustausch enorm viel Zeit. Das treibt die Kosten in die Höhe und verlängert die Produkteinführungszeit. Darüber hinaus stellt die manuelle Datenübertragung zwischen den Abteilungen eine zusätzliche Fehlerquelle dar.

Eine Branchenlösung wie die „Nachhaltige Windkraftanlagen“ deckt die komplette Prozesskette der Entwicklung ab: Vorentwurf, Detailkonstruktion und statische Berechnung ebenso wie Simulation und Herstellbarkeitsanalyse. Zudem greifen alle Beteiligten über eine zentrale Plattform auf dieselben Daten zu. So können Konstrukteure, Ingenieure und Fertigungsplaner gemeinsam und effizient an arbeiten – unabhängig davon, in welcher Abteilung und von welchem Standort aus sie tätig sind. 3D-Visualisierungen vereinfachen dabei die Validierung der Entwürfe und den Informationsaustausch.

Der Herz- und Nierentest

Fällt ein Rotorblatt aus, steht die Windturbine. Das kostet den Betreiber der Anlage viel Geld, das er innerhalb der Gewährleistungsfrist von zwei bis fünf Jahren von dem Hersteller des Rotorblattes als Schadenersatz einfordert. Die Unternehmen simulieren daher immer häufiger die Arbeitsweise ihrer Rotorblätter und der gesamten Turbinen. So können sie beispielsweise konkret die Auswirkungen prognostizieren, die unterschiedlich große Hagelkörner an den Verbundwerkstoffen der Rotorblätter hinterlassen würden.

Simulationen senken Zeit- und Kostenaufwand

Zu den Analysen gehört auch die Simulation von Vibrationen, nichtlinearem Verformungs- und Spannungsverhalten, Materialbruch und -versagen sowie Fluid-Struktur-Interaktionen, d.h. Wechselwirkungen zwischen der Windturbinenstruktur und den die Windturbine umgebenden Luftströmungen. Abhängig vom Ergebnis können die Ingenieure dann die optimalen Design-Parameter bestimmen und die Konstruktion entsprechend anpassen, etwa das Material verstärken. Durch die virtuellen Analysen können verschiedene Varianten innerhalb einer überschaubaren Zeit auf Herz und Nieren geprüft werden. Zudem fällt der Bau von Prototypen weitgehend weg, der Unternehmen nicht nur hohe Geldsummen, sondern auch mehrere Monate Zeit kosten kann.

Virtuell geplante Fertigung

Um ihre Prozesse zu beschleunigen und wirtschaftlicher zu machen, automatisieren Hersteller von Windturbinen ihre Herstellungsprozesse mehr und mehr. Damit sind häufig hohe Investitionen verbunden. Wenn solche Produktionssysteme zunächst am Computer simuliert werden, können Unternehmen besser einschätzen, ob bzw. wann sich die Investitionen in Einsparungen niederschlagen. Zudem bietet eine Simulation die Chance, die Prozesse zu optimieren und damit die Kosten zu reduzieren. Außerdem können Firmen durch Branchenlösungen Best Practises leichter auf andere Standorte übertragen und weltweit standardisieren.

Konstruktion und Fertigungsplanung finden parallel statt

Und noch einen Vorteil bietet eine ausgereifte Planungslösung, die wie „Nachhaltige Windkraftanlagen“ auf eine zentrale Datenplattform zurückgreift: Konstruktion und Fertigungsplanung finden gleichzeitig statt. So erhält die Konstruktionsabteilung deutlich früher Feedback, inwieweit sich eine Neuentwicklung auch praktikabel und wirtschaftlich herstellen lässt. Eine frühzeitige Anpassung der Konstruktion reduziert damit Verzögerungen beim Produktionsanlauf und verkürzt so die Produkteinführungszeit weiter.

Damit aber nicht genug. Branchenlösungen können noch mehr: Funktionen zur Anlagenüberwachung ermöglichen es beispielsweise, schneller die Ursachen für Fehler zu finden und Prozesse in Echtzeit anzupassen. Die Lösung „Nachhaltige Windkraftanlagen“ analysiert bereits Prozesse auf Basis weniger Daten, während herkömmliche Methoden wie SPC (statistische Prozesskontrolle) große Datenmengen benötigen, die beim Anlauf der Produktion noch nicht verfügbar sind.

Durchgängige Lösung macht Hersteller fit für die Zukunft

Durchgängige Branchen-Softwarelösungen, die Produktentwicklung und Produktionsplanung vereinen, machen Windturbinen-Herstellern fit für die Zukunft. Denn sie unterstützen sie dabei, Produkte und Prozesse ganzheitlich zu beurteilen und zu planen, verschiedene Alternativen bis ins Detail virtuell durchzuspielen und damit die Folgen einer Entscheidung früh abzuschätzen. Zudem verbessern sie die Zusammenarbeit über Abteilungsgrenzen hinweg. Damit tragen sie dazu bei, Windkraftanlagen schneller auf den Markt zu bringen und deren Leistung und Zuverlässigkeit zu steigern. Das kommt auch der Umwelt zugute – zum einen, weil der Ressourcenverbrauch gesenkt wird und zum anderen, weil Windenergie damit günstiger und somit zu einer wirtschaftlich noch attraktiveren Alternative zu fossilen Energiequellen wird. (xx)

* Carola von Wendland ist PR-Manager EuroCentral bei Dassault Systemes Deutschland GmbH

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