Neue Werkstoffsimulation und -prüfung für bessere Offshore-Windkraftanlagen

Für Windturbinen steht ein großes Produktportfolio zur Verfügung (Bild: Freudenberg Sealing Technologies)

16.10.2020 Neue Werkstoffsimulation und -prüfung für bessere Offshore-Windkraftanlagen

Das neue Prüfverfahren und die neue Simulationsmethodik von Freudenberg Sealing Technologies verbessern in Kombination mit dem Ventoguard-Portfolio des Unternehmens an Elastomerwerkstoffen die Leistung und Langlebigkeit von Komponenten in Offshore-Windkraftanlagen.

Die Werkstoffsimulation trägt dazu bei, optimale Werkstoffe und Designs für Windenergieanwendungen zu ermitteln, indem sie genau analysiert, wie sich die Materialien über die Lebensdauer einer Turbine hinweg verhalten. Das Verfahren wurde unlängst eingesetzt, um die besten verfügbaren Materialien und Designs zum Schutz der Turbinenfundamente vor Feuchtigkeit und Verschleiß zu ermitteln. Zwei vorherrschende Trends der Branche sind die zunehmende Größe der Offshore-Windturbinen und ihre immer weiter von der Küste entfernten Standorte. Ingenieure sind daher gezwungen, Offshore-Systeme zu konstruieren, die rauen Umweltbedingungen standhalten, strukturell stabil bleiben und bei minimalem Wartungsaufwand über die gesamte Lebensdauer hinweg zuverlässig funktionieren.

Die Lebensdauer einer durchschnittlichen Windturbine beträgt mehr als 26 Jahre – was dazu führen kann, dass Standardmaterialien und -komponenten über ihre Leistungsgrenze hinaus belastet werden. Bei der Monopile-Konstruktion z.B. müssen die MP/TP-Flanschdichtung (Monopile Transition Piece) und der Einlass für Hochspannungskabel somit fast drei Jahrzehnte lang unempfindlich gegen Feuchtigkeit und Korrosion sein. Um die Leistungsfähigkeit von Turbinendichtungen und -komponenten einschätzen zu können, ist kontinuierliche Forschung, Entwicklung und Prüfung erforderlich. Vor diesem Hintergrund wurde ein neues Prüfverfahren entwickelt. Damit lässt sich genau beurteilen, wie lange ein Material in aggressiven Offshore-Windumgebungen überlebt und wie es sich verhält. Durch die Bestimmung der Relaxationsraten eines Werkstoffs bei verschiedenen Temperaturen ist man in der Lage, die gewonnenen Informationen in eine mathematische Kurve umzuwandeln, die für die Arrhenius-Extrapolation verwendet werden kann. Anhand dieser Methode lässt sich die Alterung von Elastomerwerkstoffen simulieren, um die Lebensdauer von Dichtungskomponenten zu bestimmen. Durch den Vergleich neuer Profile mit solchen, die unter den rauen Bedingungen von Offshore-Windkraftanlagen um 26 Jahre gealtert sind, konnte Freudenberg u.a. robustere Lösungen für die MP/TP-Flanschdichtung und die Dichtungen am Einlass der Hochspannungskabel entwickeln.

Unter dem Label Ventoguard stellt man außerdem eine Material-Familie bereit, die die Langlebigkeit und Leistung von Windturbinenkomponenten verbessert. Das Ventoguard-Portfolio umfasst Materiallösungen für ein breites Spektrum von Offshore-Windanwendungen. Die Dichtungen werden aus Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR) hergestellt. Der synthetische Hochleistungskautschuk weist nicht nur eine hohe Beständigkeit gegenüber Fetten, Ölen und Kohlenwasserstoffen auf, sondern ist auch unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, Wasser, Salz, Mörtel und Ozon. Hinzu kommen ein günstiges Alterungsverhalten und ein geringer Abrieb. In Kombination mit einer  Einzel- oder Doppeldichtungskonstruktion schneiden die Ventoguard-Werkstoffe besser ab als andere kommerzielle Alternativen. Die daraus resultierenden Dichtungen sind  robust, verhindern das Eindringen von Salzwasser und beugen damit Fundamentschäden vor.

Andere Windturbinenkomponenten von Freudenberg, darunter weltweit zertifizierte Dichtungen und Druckspeicher, können Vorspannverluste reduzieren und Drücke von bis zu 350 Bar oder 5.000 psi aufnehmen. Damit tragen sie ebenfalls dazu bei, dass diese gigantischen Energiesysteme effizient arbeiten und weniger ungeplante Wartungsarbeiten anfallen.