Erneuerbare Energien

Die Zukunft unseres Energiesystems liegt in der Erzeugung und Nutzung von erneuerbarer Energie. Ihre Integration, Verteilung und Speicherung spielt dabei eine entscheidende Rolle. Geringe Energiegestehungskosten sind von großem gesellschaftlichem Interesse und werden durch Technologien wie Windenergie, Solarenergie, Bioenergie oder Geothermie ermöglicht.

Erneuerbare Energien erfordern eine interdisziplinäre Betrachtungsweise. Die Forschung im Bereich Werkstoffe und Prozesstechnik muss einen hohen Anwendungsbezug aufweisen, um branchenspezifische Lösungen zu bieten und so einen Beitrag zu Effizienzsteigerungen, Kostensenkungen und Zuverlässigkeitsverbesserungen zu leisten. Mit seinen Kernkompetenzen und fundierten Branchenkenntnissen liefert das Fraunhofer IFAM vielfältige Lösungen im Bereich erneuerbare Energien. Beispielhaft für unsere Arbeit sind Material- und Prozessinnovationen wie Rotorblattverklebungen, Erosionsschutzsysteme, Korrosionsschutz und Werkstoffe für recyclinggerechtes Design. Zudem werden die drohnengestützte bzw. autonome Inspektion von On- und Offshore-Windenergiesystemen oder Photovoltaikanlagen von uns betrachtet.

 

Ausbau der erneuerbaren Energien unerlässlich für Klimaschutzziele

Für das Erreichen der ausgerufenen Klimaschutzziele muss die Erzeugung von erneuerbarer Energie in den kommenden Jahren drastisch ausgebaut werden. Neben den gesetzlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen müssen dafür auch technologische Entwicklungen vorangetrieben werden. Innovative Materialien und die Verbesserung von Fertigungs- und Wartungsprozessen spielen eine immer größere Rolle. Diese Entwicklungen werden die Erhöhung der Produktionskapazitäten unterstützen, die Resilienz der Industrie stärken und dazu beitragen, die Produktionskosten zu senken. Die Weiterentwicklung und Optimierung von Inspektions- und Wartungsmethoden kann den Ertrag von Bestandsanlagen steigern.

 

Drohneninspektion von Windenergieanlagen

Der Betrieb von Windenergieanlagen erfordert regelmäßige Inspektionen und Wartungsarbeiten. Ziel ist es, Verschleiß und Schäden frühzeitig und mit geringem Aufwand zu detektieren und daraus optimierte Wartungs- und Reparaturpläne abzuleiten.

Hochautomatisierte Drohnen bzw. unbemannte Luftfahrzeuge (UAS) können hierbei wichtige Beiträge zur Kostensenkung leisten und das Risiko für menschliche Inspektor*innen minimieren. Ferner kann der Einsatz von Transport-UAS zur kurzfristigen Bereitstellung kleiner bis mittelgroßer Ersatzteile genutzt sowie Betriebsmittelkosten und CO2-Emissionen gesenkt werden (insbesondere für Offshore-Windenergieanlagen).

 

Korrosionsschutz für On- und Offshore-Anlagen

Die Vermeidung von Korrosion und ihren Folgeschäden ist für viele Wirtschaftsbereiche ein bedeutendes Thema, denn Korrosion verursacht Kosten in Milliardenhöhe. Für die Erneuerbaren Energien, wie der Wind- und Solarenergie, ist die Relevanz besonders hoch, da die Erzeugungsanlagen extremen Witterungsverhältnissen ausgesetzt sind.  Das Fraunhofer IFAM entwickelt effektive Korrosionsschutzsysteme für die Windenergiebranche und betreibt akkreditierte Prüflabore. Darüber hinaus berät das Fraunhofer IFAM Unternehmen hinsichtlich Korrosionsschutzmaßnahmen und bietet Schulungen an.

 

Erosionsschutz für Rotorblätter

Rotorblätter von Windenergieanlagen sind enormen Erosionsbeanspruchungen ausgesetzt. Zudem werden die Blattoberflächen durch die Bewitterung, z. B. UV-Strahlung, Feuchte, Temperaturwechsel, salzhaltige Gischt, aber auch Partikelerosion durch Sand, angegriffen. Das Fraunhofer IFAM arbeitet an erosionsfesten, witterungsstabilen und applikationsgerechten Systemen auf Lack- oder Halbzeugbasis, um hohe Erosionsbeständigkeiten im Betrieb zu erreichen. Darüber hinaus werden am Institut Prüfmethoden zur Lebensdauerabsicherung von Erosionsschutzschichten entwickelt.

 

Klebtechnik für die Windenergie (Blattverklebung & Grout Verbindungen)

Die Klebtechnik spielt eine entscheidende Rolle in der Herstellung von Windkraftanlagen. Während sie in vielen Branchen bereits fest etabliert ist, erfordert die spezifische Anwendung im Bereich der Windenergie maßgeschneiderte Lösungen, u.a. für Rotorblattverklebungen und Groutverbindungen.

Das Kleben der Blattschalen ist nicht nur aus strukturmechanischer Sicht von Bedeutung, sondern auch ein sehr relevanter Schritt in der Produktion von Rotorblättern. Neben der schnellen und bedarfsgerechten Applikation des Klebstoffs ist eine zuverlässige Aushärtung für eine effiziente Produktion unerlässlich. Um optimale Lösungen für diese Herausforderungen zu entwickeln, beschäftigt sich das Fraunhofer IFAM neben strukturmechanischen Bewertungsverfahren und der Klebstoffbewertung auch mit der Klebstoffapplikation sowie der prozessintegrierten Qualitätssicherung und Digitalisierung.

Auch im schweren Stahlbau gewinnt die Klebtechnik zunehmend an Bedeutung, da sie im Gegensatz zum Schweißen die grundlegenden Materialeigenschaften der metallischen Fügeteile nicht verändert. Beim Fügen von Gründungsstrukturen kann das Kleben daher genutzt werden, um Verbindungen und Versteifungen ohne eine Reduktion der Tragfähigkeit der Hauptrohre und der Knoten zu ermöglichen. Entsprechende Klebungen sind auch unter Wasser und im Bereich der Splashzone möglich (siehe Publikationen von Fricke, Vallee, Myslicki).  

Groutverbindungen werden häufig im Bereich der Offshore-Windenergie genutzt, um die Gründungsstruktur mit dem Turm zu verbinden. Hierbei werden typischerweise spezielle Klebstoffe auf Basis von Beton oder Zement genutzt. Um eine gute Lastübertragung und hohe Ermüdungsfestigkeit der Verbindungen zu erreichen, arbeitet das Fraunhofer IFAM u.a. an mehrschichtigen Groutverbindungen. Bei diesen sorgen Dünnschichten aus Strukturklebstoffen für die Haftung auf den Fügeteiloberflächen und den Schutz der Stahloberflächen vor Korrosion. Der Grout wird dabei über ein eingestreutes Granulat erzielt.

 

Faserverbundwerkstoffe für innovative Fertigung und nachhaltiges Recycling von Rotorblättern

Moderne Windenergieanlagen wären ohne Faserverbundwerkstoffe nicht denkbar. Dank ihrer exzellenten gewichtsspezifischen Eigenschaften und ihrer Freiheit in der Formgebung ermöglichen sie die Fertigung von aerodynamisch effizienten, leichten und immer längeren Rotorblättern.

Zu den aktuellen Herausforderungen in der Rotorblattbranche gehören das Recycling, die resiliente Deckung des europäischen bzw. nationalen Bedarfs und die Zuverlässigkeit der Rotorblätter im Feld. Diese Themen sind eng mit den eingesetzten Werkstoffen, den Prozessen und dem Qualitätsmanagement verbunden.

Die Aktivitäten des Instituts im Bereich der Faserverbundwerkstoffe umfassen u.a. die Entwicklung von biobasierten und recyclierbaren Harzsystemen, um die Nachhaltigkeit der Rotorblattherstellung zu verbessern.  Das innovative PeelPlas-System ermöglicht eine trennmittelfreie und damit effizientere Fertigung von Rotorblättern. Zudem betreibt das Fraunhofer IFAM ein Weiterbildungszentrum für Faserverbundwerkstoffe, um Fachkräfte in diesem Bereich zu schulen und das Know-how in der Industrie zu stärken. Darüber hinaus werden außerdem Schadens- und Root Cause-Analysen durchgeführt, um Fertigungsimperfektionen oder Feldschäden zu identifizieren und Lösungen für deren Behebung zu entwickeln.

 

Trennmittelfreie Fertigung von Rotorblättern

Herkömmliche flüssige Formtrennmittel sorgen dafür, dass nach der Aushärtung ein Entformen von Bauteilen aus Kunststoffen bzw. Faserverbundkunststoffen (FVK) möglich ist. Das Verfahren ist bewährt, bringt jedoch viele Nachteile mit sich: Für nachfolgende Prozesse wie Kleben und Lackieren müssen Rückstände der Formtrennmittel mühsam und zeitaufwändig von den Bauteiloberflächen entfernt werden, um eine ausreichende Haftung zu ermöglichen. Zudem verbleiben auch auf der Form Trennmittelrückstände, die regelmäßig beseitigt werden müssen.

Deshalb haben Wissenschaftler des Fraunhofer IFAM die tiefziehfähige Trennfolie PeelPLAS® entwickelt, die flüssige Trennmittel ersetzt und somit erstmals eine trennmittelfreie Kunststofffertigung ermöglicht sowie Schleifstaubbelastungen vor Beschichtungsprozessen vermeidet.

 

Alterungsschutz und thermisches Management für Solaranlagen

In solarthermischen Kraftwerken und Photovoltaikanlagen spielt der Schutz vor Alterung durch Umwelteinflüsse, z.B. hydrothermale Alterung und Soiling, eine große Rolle. Das Fraunhofer IFAM entwickelt transparente Schutzschichten, die mittels plasmagestützter chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) auf die entsprechenden Bauteile abgeschieden werden. So lassen sich die empfindlichen Bauteile effektiv schützen und die Standzeiten der Solaranlagen erhöhen.

Ein intelligentes thermisches Management der Solarzellen ist entscheidend für die Steigerung der Erträge. Die Leistung von PV-Modulen sinkt mit steigender Temperatur. Durch den Einsatz von Latentwärmespeichern kann die Erwärmung der Solarzellen tagsüber reduziert werden. Gleichzeitig wird durch passives Temperieren der Zellen über Nacht die Bildung von ertragsminderndem Kondensat oder Tauwasser vermieden.

 

Sprechen Sie uns gerne an, um mehr über unsere Forschungsaktivitäten und Dienstleistungen im Bereich erneuerbare Energien zu erfahren.