Das Fraunhofer IFAM in Cuxhaven

Innovative Wartung, Inspektion und Instandhaltung maritimer Strukturen durch den Einsatz von Unmanned Aircraft Systems (UAS)

UAS-Einsatz zur Inspektion einer Offshore-Windkraftanlage im Rahmen eines Forschungsprojekts
© Fraunhofer IFAM
UAS-Einsatz zur Inspektion einer Offshore-Windkraftanlage im Rahmen des Forschungsprojekts AIDA

Die maritime Branche, insbesondere die Offshore-Industrie, spielt eine tragende Rolle bei der Erzeugung erneuerbarer Energien. Industrielle Anwendungen und Prozesse im maritimen Umfeld stellen jedoch enorme Herausforderungen an Mensch, Material und Technik. Beispielsweise erfordert die Wartung und Instandhaltung von Offshore-Windenergieanlagen (OWEAs) den Einsatz von hochkomplexem Gerät, wie Spezialschiffen oder Helikoptern, und birgt große Risiken für das eingesetzte Personal. Daneben sind diese Prozesse auch mit hohen Kosten verbunden. Innovative und kostenoptimierte Wartungs- und Instandhaltungskonzepte sind daher aktuell gefragter denn je. Unmanned Aircraft Systems (UAS, zu dt. Drohnen) bieten hier großes Potenzial. Am Offshore Drohnen Campus Cuxhaven (ODCC) entwickelt das Fraunhofer IFAM Komponenten, Systeme und Verfahren für ihren Einsatz im Offshore-Bereich.

Nachhaltige Energieerzeugung mithilfe autonomer Systeme

2022 fiel der Startschuss für den Offshore Drohnen Campus im Steubenhöft Cuxhaven. Als enge Kooperation zwischen der Fraunhofer-Gesellschaft, wissenschaftlichen Partnern und der Industrie ist dort die gemeinschaftliche Entwicklung und Erforschung von Drohnen und deren Einsatzkonzepten für die Verwendung im Offshore-Bereich geplant. Hierbei liegt der Fokus des Fraunhofer IFAM auf Fragestellungen der Wartung und Inspektion sowie Instandhaltung und Überwachung wichtiger maritimer Strukturen inkl. regulatorischer Rahmenbedingungen. Ziele sind das Erreichen einer Kostensenkung durch autonome Langzeit-Inspektionen von z.B. Offshore-Windenergieanlagen sowie die Steigerung der Nachhaltigkeit der Energieerzeugung durch den Einsatz elektrisch angetriebener Fluggeräte im Gegensatz zu bemannten Helikoptern mit Verbrennungsmotor.

Um diese Ziele zu erreichen, arbeitet das Fraunhofer IFAM in Cuxhaven an folgenden Schwerpunkten:

Systemkonfiguration von UAS

  • Missionsabhängige Konfiguration des UAS-Systems zur Abdeckung individueller Bedarfe
  • Untersuchung der Möglichkeiten der Energieversorgung durch Gegenüberstellung von Batteriesystemen, Verbrennungsmotoren (Treibstoffhybrid-Antrieb) und Brennstoffzellen (Wasserstoffhybrid-Antrieb)

Komponentenentwicklung

  • Entwicklung fehlertoleranter Antriebssysteme zum sicheren Manövrieren der Drohnen
  • Entwicklung von Materialschutzkonzepten, um elektrische Komponenten und Konstruktionsbauteile vor stetiger Salzfracht, hoher Luftfeuchtigkeit und UV-Belastung zu schützen
  • Erforschung der Kompatibilität der Endeffektoren und Sensorsysteme mit den Offshore-UAS

Flugbetrieb und Flugsicherung

  • Kontinuierliche Flugüberwachung und Sicherstellung der Flugsteuerung durch Entwicklung von Kollisionsvermeidungssystemen, redundanten Kommunikations- und Steuerungseinheiten und Navigationssystemen für variable Umweltbedingungen

Dabei stellt vor allem die reale Erprobung von Missionen und Einzelkomponenten einen wichtigen Baustein dar. Durch die enge Kooperation mit dem »Testzentrum für Maritime Technologien« sowie die Nutzung des Forschungsschiffes »Joseph von Fraunhofer« können Missionen auch direkt auf der Nordsee durchgeführt und überwacht werden. Hierbei sind auch Missionen im BVLOS-Bereich (Beyond Visual Line Of Sight) möglich.

Unsere Forschungsfelder und Projekte

 

Interreg North Sea Projekt DIOL

Im Fokus des Projekts steht das Ziel, die Nordsee durch den Ausbau der Offshore-Windenergie zum »grünen Kraftwerk« Europas zu machen.

 

Innovative Wartung für Windparks

Windparks werden im Mix der erneuerbaren Energien einen erheblichen Anteil übernehmen. Für einen nachhaltigen Betrieb von Windenergieanlagen sind innovative und kostenoptimierte Wartungs- und Instandhaltungskonzepte gefragt. Drohnen spielen hier zukünftig eine wichtige Rolle. Das Fraunhofer IFAM entwickelt und validiert Komponenten, Systeme und Verfahren, um zuverlässige Missionen mit sogenannten Unmanned Aircraft Systems (UAS) im Offshore-Bereich zu realisieren.

 

Projektplattform »Advanced Air Mobility Initiative Nordwestdeutschland und Deutsche Bucht (AAM-NW) & Drohnenleitstelle Bremen«

Ein sehr wichtiges Forschungsfeld ist die gemeinsame Nutzung des Luftraums durch bemannte und unbemannte Luftfahrt

 

Monitoring von Kegelrobben per Drohne

Mithilfe der Nutzung von unbemannten Luftfahrzeugen (UAS) wurde in Zusammenarbeit mit der Gemeinde Helgoland und dem Verein Jordsand das Kegelrobbenmonitoring per Drohne erprobt. 

 

Mobile Robotik in der Qualitätssicherung

Wie kann man Drohnen und mobile Roboter für Inspektion, Wartung und Reparaturen einsetzen?

 

Wissensbasierte Algorithmen in der Qualitätssicherung

Manuelle Prüfprozesse zur Qualitätssicherung stehen oftmals einer ökonomischen Optimierung von Prozessschritten gegenüber. Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen können diese Hürden überwunden und die Qualität des Endprodukts sowie die Fertigungsgeschwindigkeit signifikant erhöht werden. 

 

Oberflächenbewertung per Algorithmus

Derzeit werden Oberflächen häufig von Experten auf Basis von Erfahrungen bewertet. Die jeweiligen Normen helfen dabei zwar durch Auflistung qualitativer Kriterien, insgesamt bleibt die Bewertung aber stark abhängig vom jeweiligen Experten. Im Webinar möchten wir zeigen, wie wir diese subjektive, erfahrungsbasierte Beurteilung durch ein objektiveres Verfahren basierend auf Algorithmen optimieren und wie das funktioniert.

 

Verbundvorhaben: AIDA

Autonome Inspektion und Wartung von Offshore-WEA durch Entwicklung eines ganzheitlichen UAS-Ansatzes

 

Leitprojekt TransHyDE

Ohne eine geeignete Transport-Infrastruktur kann die Wasserstoffwirtschaft nicht funktionieren. Insbesondere für den Import werden andere Lösungen als Gas-Pipelines benötigt. Ideen dazu gibt es viele – unklar ist jedoch, welche Lösung für welche Anwendung geeignet ist und wie diese am besten kombiniert werden. Das Leitprojekt TransHyDE entwickelt daher mehrere Technologien zum Wasserstoff-Transport, bewertet und demonstriert sie.

Meilenstein der unbemannten Luftfahrt: Erster Langstreckendrohnenflug in der Deutschen Bucht

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Im Rahmen einer Projektkooperation haben das Fraunhofer IFAM und die Droniq GmbH einen 180 Kilometer langen Drohnenflug vom Offshore Drone Campus Cuxhaven (ODCC) nach Helgoland und zurück erfolgreich durchgeführt. Damit ist erstmalig die sichere Integration unbemannter BVLOS-Flüge über See unter Berücksichtigung der zivilen Regularien und der Einbindung aller relevanten Instanzen gelungen. Gleichzeitig markierte der Flug den ersten Langstreckendrohneneinsatz im sicheren Zusammenspiel mit dem bemannten Flugverkehr.

Offshore-Windenergie: Unbemanntes Luftfahrzeug UAS erfasst Messdaten Beyond Visual Line Of Sight (BVLOS)

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Eine Säule für die Energiewende ist die Offshore-Windenergie. Werden Windparks errichtet, beeinflussen sie die Windströmungen über dem Meer. Hierzu wurden meteorologische Messdaten gesammelt, um Veränderungen sowie Auswirkungen eines weiteren Windparkausbaus zu untersuchen. Ein Anwendungsbeispiel, bei denen der Einsatz eines unbemannten Luftfahrzeugs wertvolle Erkenntnisse liefert. Was einfach klingt, ist mit viel Know-how verbunden, da jeder Flug einen hohen Genehmigungs- und Sicherheitsaufwand erfordert. Mit dem Testzentrum für Maritime Technologien auf Helgoland und umfassender Flugerfahrung schließt das Fraunhofer IFAM diese Dienstleistungslücke für Forschung und Industrie.