Verlängerung der Lebensdauer von Rotorblättern

Die Windenergie stellt eine wichtige Säule für die Energiewende dar. Dabei spielt der Ausbau der Offshore-Windenergie auf Nord- und Ostsee eine zentrale Rolle. Die Offshore-Windenergieanlagen sind jedoch extremen Witterungsverhältnissen ausgesetzt. Diese führen zu Beschädigungen, z.B. Erosion an den Beschichtungen der Blattvorderkanten der Rotorblätter. Aufgrund der hohen Relevanz der Blattvorderkanten für die aerodynamische Leistungsfähigkeit der Anlagen stellt die Erosion an den Blattvorderkanten einen der häufigsten Gründe für Ertragsverluste und Reparaturen an Windenergieanlagen dar. Das Verbundprojekt MARiLEP hat das Ziel, eine deutliche Verbesserung der Zuverlässigkeit bzw. der Nutzungsdauer im Bereich der Vorderkantenbeschichtungen von Windenergieanlagen zu erreichen.

Entwicklung von langzeitbeständigen Beschichtungen notwendig

Die Nutzungsdauer der heutigen Vorderkantenschutzsysteme für Windenergieanlagen liegt typischerweise deutlich unterhalb von der Betriebszeit der Windenergieanlagen.  Zunächst kommt es während des Betriebs zu leichten Aufrauhungen im Blattspitzenbereich. Laut aktuellem Stand der Forschung führen diese bereits zu ersten Ertragsverlusten. Mit fortschreitender Schädigung der Blattvorderkanten erreichen die Ertragsverluste niedrige einstellige Prozentwerte. Die Schädigungen des Beschichtungssystems können nach einem vollständigen Versagen der Vorderkantenbeschichtung schnell zu signifikanten strukturellen Schäden in den Vorderkantenlaminaten führen. In seltenen Fällen erfordern die folgenden Reparaturen einen längeren Stillstand der Anlagen. Und auch wenn Ertragsverluste von ein bis zwei Prozent durch geringe Erosionsschäden nicht signifikant erscheinen, so haben die beginnenden Schädigungen einen größeren Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen und können sich auf ca. 10.000 Euro pro Jahr belaufen. Darüber hinaus betragen die Kosten für mehrtägige Reparaturen pro Anlage zwischen 2.000 Euro pro Tag bei Onshore- und 20.000 Euro pro Tag bei Offshore-Anlagen. Entsprechend ist die Entwicklung von zuverlässigen langzeitbeständigen Beschichtungslösungen einer der zentralen technischen Aspekte für die moderne Windenergie.

Offshore-Windenergieanlagen sind besonderen Belastungen ausgesetzt

Ein wesentlicher Parameter für die Beschädigungen der Blattspitzen sind die Blattspitzengeschwindigkeiten. Bei Onshore-Windanlagen liegt diese oft bei ca. 80 m/s, bei den Offshore-Anlagen sogar bei ca. 95 m/s – jeweils mit der Tendenz zu noch höheren Geschwindigkeiten. Die zu erwartende Schädigung ist dabei eine Potenzfunktion der Blattspitzengeschwindigkeit. Entsprechend sind die Rotorblattbeschichtungen von Offshore- Anlagen erheblich stärkeren erosiven Belastungen ausgesetzt als die der Onshore-Anlagen. Neben der Blattspitzengeschwindigkeit spielen bei der Alterung der Beschichtungen zudem die klimatischen Bedingungen wie eine mögliche Partikelerosion, die Salzbeanspruchung und UV-Strahlung eine große Rolle. Auch die Reparatur von Offshore-Windkraftanlagen stellt eine besondere Herausforderung dar. Hochseewetterbedingt stehen dafür nur enge Zeitfenster zur Verfügung. Zudem fallen durch die Chartergebühren und Sicherheitsmaßnahmen hohe Kosten für die Wartungseinsätze an.

Lösungen zur Lebensdauererhöhung von Vorderkantenbeschichtungen

Um die Lebensdauer der Anlagen zu erhöhen ist es deshalb erforderlich, die Schädigungsmechanismen unter Offshore-Betriebsbeanspruchungen besser zu verstehen, wirtschaftliche sowie anwendungsorientiere Reparaturkonzepte für Bestandsanlagen zu entwickeln und neue Beschichtungslösungen mit innovativen Ansätzen zu erarbeiten. An diesen Stellen setzt das Forschungsvorhaben MARiLEP an.

Ziel des Vorhabens ist es, eine deutliche Verbesserung der Zuverlässigkeit bzw. der Nutzungsdauer im Bereich der Vorderkantenbeschichtungen von Windenergieanlagen zu erreichen. Innerhalb von MARILEP werden auf unterschiedlichen Technologiepfaden Lösungen entwickelt, die die Betriebs- bzw. Energieentstehungskosten durch eine signifikante Lebensdauererhöhung der Vorderkantenbeschichtungen senken. Die wissenschaftliche Basis bildet dabei der Erkenntnisgewinn zu werkstofflichen Alterungsprozessen der Beschichtung von Offshore-Rotorblättern.

Folgende technologische Teilziele werden im Verbundprojekt MARiLEP verfolgt:

• Untersuchung des Regenerosions- und Alterungsverhaltens von Vorderkantenschutzsystemen unter Offshore-Bedingungen (insbesondere »Multi-Effekt-Lastkollektive«)
• Entwicklung von Offshore-Antierosionslacken
• Entwicklung von selbstheilenden Lacken
• Entwicklung von polymeren Halbzeugen für Feldreparaturen mit großen Applikationsfenstern
• Entwicklung von galvanisch geformten Metallschutzsystemen
• Erarbeitung von Reparatur- und Wartungskonzepten für den Offshore-Parkbetrieb
• Validierung und Bewertung von Anti-Erosions-Konzepten an Offshore-Anlagen

Das Projekt unterstützt damit in hohem Maß das politische Ziel der wirtschaftlichen Nutzung regenerativer Energiequellen.

Projektpartner:

• Fraunhofer IFAM (Projektkoordination)
• Coroplast
• EnBW
• Fraunhofer IWES
• Freilacke
• GalvanoPro
• Muehlhan Holding GmbH

Projektlaufzeit

01.05.2023 bis 30.04.2026