Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prognosemodelle zur Lebensdauer und zum Weiterbetrieb von Windenergieanlagen

Die Energiewende stellt eine gesellschaftliche Herausforderung dar. Gegenwärtig erreicht der Anteil der erneuerbaren Energien einen Anteil von ca. 33 % der Bruttostromerzeugung in Deutschland. Knapp die Hälfte der erneuerbaren Energie wird durch Windenergieanlagen (WEA) erzeugt. Die Zahl der Onshore-WEA ist bereits heute beachtlich und ein weiterer kontinuierlicher und konsolidierter Zuwachs von Anlagen ist zu erwarten, um das Ziel der Bundesregierung von 65 % der Bruttoenergieerzeugung durch erneuerbare Energien bis 2030 zu realisieren.

Eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit und Rendite können Betreiber von WEA durch einen möglichst langen Betrieb der Anlage auch über die Bemessungslebensdauer hinaus erzielen. Dies bedingt zuverlässige Prognosemodelle für die Lebensdauer. WEA sind während ihrer Lebensdauer hochdynamischen variablen Beanspruchungszuständen ausgesetzt. Sie sind dem Very-High-Cycle-Fatigue Bereich zugeordnet, in welchem konventionelle Modelle den Einfluss von Schwingspielen unterhalb der Dauerfestigkeit oftmals unzureichend erfassen. Im Forschungsvorhaben FutureWind werden Modelle zur Prognose der Lebensdauer typischer Konstruktionsdetails von Onshore-WEA entwickelt. Die phänomenologischen Modelle erfassen Rissentstehung und –wachstum zutreffend und gestatten eine beanspruchungsgerechte Auslegung und Optimierung von Bauteilen unter Betriebslasten einschließlich des Einflusses von Herstellungsgenauigkeit und Reihenfolgeneffekten sowie eine optimierte Prognose der Lebensdauer. Die Modelle werden in einfach anwendbare Regeln überführt, welche Tragwerksplanern/innen eine wirtschaftlichere Bemessung respektive Nachrechnung ermöglicht, zu einer vereinfachten und verlässlicheren Anwendbarkeit führt und somit die Konkurrenzfähigkeit von KMUs steigert. In Planung, Herstellung und Betrieb von WEA involvierten KMUs bieten verbesserte Modelle mit höherer Prognosesicherheit zudem eine Vielfalt erweiterter Tätigkeitsbereiche.

Ergebniszusammenfassung:

- Ergebnis: Erstellung einer Datenbasis mit repräsentativen Stumpfnähten

-- Anwendungsmöglichkeit: Auswertung der Datenbasis mithilfe vereinfachter Verfahren zur SN-Kurven-Erstellung

- Ergebnis: Durchführung von Versuchen zum Material

-- Anwendung: Ableitung der Materialparameter

- Ergebnis: Durchführung von Schwingversuchen an Kerbdetailversuchen und Bauteilversuchen

-- Anwendung: Ableitung von SN-Kurven

- Ergebnis: 3D-Vermessung von Kerb- und Bauteilprobekörpern

-- Anwendung: Bewertung der Kerbschärfe mithilfe verschiedener Methoden, Vergleich von analytischen und numerischen Bestimmungen der Kerbschärfe

- Ergebnis: Erstellung einer umfangreichen probabilistischen Datenbasis zu allen relevanten Modelleingangsparametern

-- Anwendung: Einschätzung des Streubereichs einzelner Parameter, Aufarbeitung der Literatur und Vergleich zu eigenen Versuchsergebnissen

- Ergebnis: Erstellung eines Zwei-Phasen Modells zur Ermüdungsbewertung

-- Anwendung: Test auf Auswirkung einzelner Parameter für die Ermüdungslebensdauer, Ableitung von synthetischen SN-Kurven für beliebige Parameterkonstellationen, Detaillierte Versuchsnachrechnung

- Ergebnis: Durchführung von Monte-Carlo Simulationen

-- Anwendung: Ableitung von synthetischen SN-Kurven für beliebige Parameterkonstellationen, Probabilistische Aussagen zur Versagenswahrscheinlichkeit von ermüdungsbeanspruchten Schweißverbindungen

- Ergebnis: Ableitung vereinfachter SN-Kurven

-- Anwendung: Richtwert für Bemessung in der Praxis, Anwendung direkt möglich, Einschätzung zur Lebensdauer und zum Weiterbetrieb von Windenergieanlagen