Herausforderungen der Offshore-Windenergie
Die Konstruktion, Herstellung und der Betrieb von Offshore-Windenergieanlagen haben ihre eigenen Herausforderungen wie Korrosion, Ermüdung, Erosion, Blitzschlag und Biofouling. Die Bewältigung dieser Herausforderungen und die Aufrechterhaltung der Betriebsverfügbarkeit von Offshore-Windenergieanlagen wird mit zunehmender Abhängigkeit von der Offshore-Windenergie immer wichtiger werden. Im Folgenden werden einige der Herausforderungen in Bezug auf die Materialien diskutiert, die sich auf Fundamente, Übergangsstücke und Turbinenblätter auswirken.
Herausforderungen bei Fundamenten und Übergangsstücken
Da Offshore-Windparks in immer größere Wassertiefen verlegt werden und mit größeren Turbinen betrieben werden sollen, mussten die Fundamentkonstruktionen entsprechend angepasst werden. Dies hat sowohl zu größeren Monopiles als auch zu einem zunehmenden Interesse an der Verwendung von Mantelstrukturen geführt, die beide neue Herausforderungen für die Fertigung darstellen. Eine Kostenreduzierung wird durch die Fertigung mit hohem Durchsatz angestrebt, für die fortschrittliche Fertigungsmethoden erforderlich sind.
Die aggressive Meeresumgebung bedeutet, dass die Monopile-Fundamente sowohl innerer als auch äußerer Korrosion ausgesetzt sind. Die Innere Korrosion kann durch einen begrenzten Austausch von eingeschlossenem Meerwasser verstärkt werden, während ein intermittierender elektrolytischer Kontakt eine umfassende Korrosion in der Spritz- und Gezeitenzone verursachen kann. Hinzu kommen Bedenken hinsichtlich der mikrobiell induzierten Korrosion und des Biofoulings. Es besteht auch die Forderung nach gut sichtbaren Beschichtungen am Übergangsstück. Herkömmliche Farbsysteme können jedoch sowohl unter Beschädigungen als auch unter UV-Abbau leiden, was eine teure Wartung erfordert.
Es gibt Herausforderungen im Zusammenhang mit der Ermüdung, einschließlich der Auswirkungen der Belastung während der ersten Rammvorgänge und der zyklischen Belastung der Struktur durch Wind und Wellen. Diese Materialermüdung kann durch die Zusammensetzung des Meeresbodens und sich entwickelnden Biofoulings verstärkt werden, was die hydrodynamische Belastung erhöht und Herausforderungen bei der routinemäßigen Inspektion und Wartung schafft.
Herausforderungen bei Turbinenschaufeln
Durch den Einsatz größerer Turbinenschaufeln wurden erhebliche Effizienzsteigerungen und Kostensenkungen erzielt, wobei die nächste Generation von Verbundwerkstoff-Schaufelstrukturen voraussichtlich über 100 m lang sein wird.4 Der Umstieg auf immer größere Schaufeln kann jedoch auch logistische Hindernisse schaffen. Die Hersteller sehen sich mit Herausforderungen beim Transport der Schaufeln zu den Installationsorten konfrontiert und erwägen segmentierte Schaufelkonstruktionen, die vor der endgültigen Installation vor Ort verklebt werden können. Die vorgeschlagene Vergrößerung der Turbinenschaufeln ist durch das Gewicht begrenzt, was bedeutet, dass leichtere Materialien wie thermoplastische Schaumstoffe und alternative Verbundwerkstoffe in Betracht gezogen werden. Leichtere Schaufeln ermöglichen eine leichtere Installation und Reparatur sowie eine verbesserte Leistung. Es gibt jedoch inhärente Schwierigkeiten bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen, wie z.B. die Fehlausrichtung der Fasern und die ungleichmäßige Harzverteilung, die zu einer verringerten Dauerfestigkeit führen können.
Die Auswirkungen von Ermüdung auf Turbinenschaufeln sind eine ständige Herausforderung, wobei jede Schaufel im Laufe ihrer Lebensdauer mehr als 100 Millionen Belastungszyklen durchlaufen muss.5 Die zyklische Belastung der Schaufeln wird auch durch Vorderkantenerosion und Eisbildung verschlechtert.
Die Vorderkantenerosion wird durch den wiederholten Aufprall von Regen, Eis und Partikeln verursacht, was zu einem Verlust der aerodynamischen Effizienz führt und die strukturelle Integrität der Schaufeln beeinträchtigen kann, was zu Wassereintritt und UV-Schäden führen kann. Selbst ein geringer Anteil der Vorderkantenerosion kann zu einem Rückgang der jährlichen Energieproduktion um etwa 5 % führen.6
Die größere Höhe der Turbinen und die größere Spannweite der Schaufeln erhöhen sowohl das Risiko von Blitzeinschlägen als auch die Reparaturkosten. Blitzeinschläge können zum Verlust von Turbinenschaufeln und zu Schäden an elektrischen Systemen führen. Obwohl es bereits handelsübliche Blitzschutzsysteme gibt, kann es zu Ausfällen kommen, die unter anderem auf das Eindringen von Feuchtigkeit, das Ablösen von Umlenkstreifen und die Erosion der Schaufeloberflächen zurückzuführen sind.