Längere Lebensdauer trotz Erosion auf See

Wie Forschende Rotorblätter von Windrädern künftig schneller reparieren wollen

Die Vorderkanten der Rotorblätter sind hohen Belastungen ausgesetzt: Regen, Salz und UV-Strahlung greifen die Schutzschichten an. Im vom BMWE geförderten Verbundprojekt MARiLEP haben Forschende und Industriepartner deshalb drei unterschiedliche Reparaturkonzepte für den Erosionsschutz entwickelt. Bei einer Praxiserprobung in Porto, Portugal, haben sie die Verfahren jetzt unter anwendungsnahen Bedingungen getestet.

Erosion an den Rotorblattvorderkanten zählt zu den größten Instandhaltungsherausforderungen von Offshore-Windenergieanlagen. Bereits geringe Aufrauhungen können die aerodynamische Leistung beeinträchtigen. Mit zunehmender Erosion steigen die Ertragsverluste und bei einem vollständigen Versagen des Schutzsystems können auch die darunterliegenden Laminatstrukturen beschädigt werden.

„Die Nutzungsdauer der heutigen Vorderkantenschutzsysteme für Windenergieanlagen liegt deutlich unterhalb der Betriebszeit der Windenergieanlagen“, sagt Diplom-Ingenieur Sascha Buchbach vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), der das Projekt MARiLEP koordiniert.

MARiLEP-Forschungsteam entwickelt drei innovative Wege für die Reparatur

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Erosion an den Vorderkanten der Rotorblätter entsteht durch die hohe Belastung auf See: Regen, UV-Strahlung und Salz greifen die Schutzschichten an. In der Folge bringen Windenergieanlagen weniger Ertrag und müssen aufwändig repariert werden. © IFAM | Erosion an den Vorderkanten der Rotorblätter entsteht durch die hohe Belastung auf See: Regen, UV-Strahlung und Salz greifen die Schutzschichten an. In der Folge bringen Windenergieanlagen weniger Ertrag und müssen aufwändig repariert werden.

Vor diesem Hintergrund hat das Forschungsprojekt MARiLEP (Material- und Reparaturinnovationen für Offshore Leading-Edge-Protection Systeme) drei Konzepte entwickelt: flüssig applizierte Schutzsysteme, passformangepasste polymere Halbzeuge sowie metallische Schutzkappen. Dabei setzten sie nicht nur auf einen innovativen Materialeinsatz, sondern legten den Fokus auch auf einen praktikablen Reparaturprozess. „Die Instandsetzung von Offshore-Windenergieanlagen ist besonders aufwändig. Reparaturen auf See erfordern unter anderem Personal- und Materialtransporte sowie geeignete Wetterbedingungen. Mehrtägige Arbeiten sind daher mit erheblichem finanziellem Aufwand verbunden“, so Buchbach.

Am Verbundprojekt beteiligt sind neben dem Fraunhofer IFAM das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES) sowie die Unternehmen Coroplast Fritz Müller aus Wuppertal, GalvanoPro aus Paderborn und Muehlhan Holding Services aus Hamburg. Als assoziierte Partner wirken außerdem EnBW, Emil Frei, Renolit und Hoffmann Mineral mit.

Für den ersten Ansatz haben das Fraunhofer IFAM und Emil Frei flüssig applizierte Beschichtungen entwickelt. Sie werden direkt auf die vorbereitete Reparaturfläche aufgetragen und bilden dort die neue Schutzschicht. Der zweite Ansatz setzt auf vorgefertigte polymere Folien- beziehungsweise Softshell-Lösungen, die das Fraunhofer IFAM gemeinsam mit den Unternehmen Renolit und Coroplast untersucht. Der Grundgedanke: Die Folie fungiert wie ein Pflaster, das die Schäden langfristig abdeckt und dadurch die Funktionsfähigkeit wieder herstellt. Einen dritten Weg verfolgt der Projektpartner GalvanoPro mit einer metallischen Schutzkappe. Sie schützt die beanspruchte Vorderkante mechanisch.

Anforderungen an den Reparaturprozess dank Praxistest konkretisiert

Im Applikationszentrum des Projektpartners Muehlhan in Porto erprobte das Forschungsteam die drei Ansätze unter anwendungsnahen Bedingungen. Fachkräfte arbeiteten an Seilen gesichert in der Höhe und brachten die jeweiligen Reparatursysteme an den Vorderkanten der Rotorblätter auf. Auf diese Weise konnte der gesamte Reparaturprozess bewertet werden – von der Vorbereitung des Untergrunds über die eigentliche Applikation bis hin zu der Ausführung von Kanten, Übergängen und Anschlüssen.

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Im Porto-Workshop arbeiteten Fachkräfte an Seilen gesichert, um die verschiedenen Verfahren anwendungsnah zu testen. Dabei konnte auch der Reparaturprozess bewertet werden. © IFAM | Im Porto-Workshop arbeiteten Fachkräfte an Seilen gesichert, um die verschiedenen Verfahren anwendungsnah zu testen. Dabei konnte auch der Reparaturprozess bewertet werden.

Im Porto-Test wurden die zuvor entwickelten Applikationskonzepte überprüft und Optimierungspunkte für die weitere Entwicklung identifiziert. Bei dem Beschichtungssystem von Emil Frei konnte beispielsweise validiert werden, dass ein gleichmäßiger Auftrag des Lacks umsetzbar ist. Weiterer Handlungsbedarf besteht unter anderem in der Festlegung der Sollschichtdicke pro Arbeitsgang, damit die Materialverteilung zuverlässig reproduzierbar ist. Die Anwendung des IFAM-Beschichtungssystems wurde im Rahmen des Workshops in Porto erstmals demonstriert und eine Praxiseignung bestätigt. Auch hier werden Sollwerte in eine Arbeitsanweisung überführt.

Im Fall der Folien-Lösung des Projektpartners Renolit lässt sich das Material ebenfalls leicht anbringen. Wichtig sind hier eine genaue Positionierung der Folie sowie besondere Sorgfalt bei der Anbindung im Kantenbereich. Zum Einsatz kam auch die neue IFAM-Softshell-Lösung, die über eine Verstärkungseinlage aus Glasfasergewebe verfügt, das mit Epoxidharz imprägniert wurde. Die Verstärkung sorgt für eine größere Formstabilität und erleichterte dadurch die Positionierung. Angedacht wird, das System mit einem Haftklebstoff auszurüsten: Durch den Verzicht auf separate Flüssigklebstoffe könnte die Handhabung während der Montage weiter vereinfacht werden.

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Bei der metallischen Schutzkappe stand vor allem die praktische Umsetzung des Montagekonzepts im Mittelpunkt. Die Anforderung: eine hohe Passgenauigkeit. © IFAM | Bei der metallischen Schutzkappe stand vor allem die praktische Umsetzung des Montagekonzepts im Mittelpunkt. Die Anforderung: eine hohe Passgenauigkeit.

Im Rahmen des Workshops wurde auch das metallische Schutzkappensystem getestet. Im Mittelpunkt stand die praktische Umsetzung des Montagekonzepts, da für ein metallisches Halbzeug eine höhere Passgenauigkeit erforderlich ist und geometrische Abweichungen berücksichtigt werden müssen. Für die weitere Entwicklung soll der Montageablauf, die Ausführung der Rand- und Übergangsbereiche und ein Abdichtungskonzept konkretisiert werden.

Porto-Test liefert Grundlage für Transfer in die Praxis

„Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass die unterschiedlichen Ansätze jeweils spezifische Stärken und Entwicklungspotenziale aufweisen“, betont Buchbach. „Mit dem Porto-Workshop haben wir eine Grundlage geschaffen, um die jeweiligen Konzepte gezielt weiterzuentwickeln und in Richtung eines Einsatzes im Feld zu bringen.“ Das Projekt läuft Ende Oktober aus. (an)