Forschungsprojekt ReliaBlade2

Projekttitel: ReliaBlade2 – Entwicklung neuer Auslegungsmethoden für Rotorblätter

Zusammenfassung:

Die Zuverlässigkeit von Rotorblättern hat eine besondere Bedeutung für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Windenergieanlagen. Jedoch kommt es trotz langjähriger Erfahrung der Windenergieindustrie im Entwurf und Betrieb von Rotorblättern noch immer zu Rissbildungen in der Rotorblattstruktur, die Ursache für kostspielige Reparaturen und Betriebsausfälle sind. Das deutet auf Wissenslücken in der Schadensentstehung durch Ermüdung hin. Wichtige physikalische Zusammenhänge wurden noch nicht vollständig verstanden, was insbesondere die Materialmodellierung und eine umfassende Validierung erweiterter Modelle einschließt. Digitale Zwillinge können darüber hinaus zukünftig helfen, Rotorblätter noch sicherer und kosteneffizienter zu betreiben. Jedoch stehen noch nicht alle Methoden zur Verfügung, um probabilistische Unschärfen in einem Digitalen Zwilling abbilden zu können. Um die genannten Wissenslücken zu schließen, hat sich ein Konsortium aus Forschungsinstitutionen und Industriepartnern zusammengefunden.

Das Teilvorhaben von ForWind Hannover verfolgt das allumfassende Ziel, die Strukturzuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Rotorblättern zu erhöhen. Dazu soll eine neue Auslegungsphilosophie für die Ermüdung von Rotorblättern in der Industrie etabliert werden, die progressive Matrixschäden einbezieht. Dabei wird auf selbst entwickelte und teilwiese in der Industrie verwendete Ermüdungsschädigungsmodelle zurückgegriffen. Charakterisierungs- und Validierungsversuche auf Couponebene sind integraler Bestandteil des Teilvorhabens. Außerdem sollen Methoden für das Erstellen probabilistischer digitaler Zwillinge entwickelt werden, die räumlich und statistisch verteilte Fertigungsimperfektionen mit Hilfe eines KI-basierten Model Updatings einbeziehen. Die entwickelten Modelle und Methoden sollen erstmalig an einem industriell gefertigten Rotorblatt angewendet und durch Ganzblattversuche validiert werden.

Forschungsprojekt ElMaR

Projekttitel: ElMaR – Zerstörungsfreie Ermittlung lokaler Materialparameter in Rotorblattkomponenten

Zusammenfassung:

Faserverbundmaterialien werden in der Auslegung von Rotorblättern als ideal verschmierte, homogene Materialien betrachtet. Die erforderlichen Materialkennwerte werden in Materialtests auf Coupon-Ebene ermittelt. Dabei ist bekannt, dass die Materialeigenschaften von Faserverbunden Schwankungen unterliegen. Die Unsicherheiten der Materialkennwerte finden in der Blattauslegung ihre Berücksichtigung durch Teilsicherheitsbeiwerte. Eine räumliche Variation der Materialparameter und ihre möglichen Folgen werden nicht berücksichtigt. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich allerdings, dass die Annahme eines homogenen Materials bereits auf der Coupon-Ebene fehlerhaft ist. Es ist zu erwarten, dass auf der Strukturebene eines Rotorblatts die räumliche Variation von Materialparametern durch die manuellen Arbeitsschritte noch deutlich höher ausfällt. Damit nehmen Ungenauigkeiten in der Prognose der Ermüdungslebensdauer und Tragfähigkeit ebenfalls zu, was zu einer unnötigen Reduktion der Strukturzuverlässigkeit führt. Um probabilistische Modelle zu entwickeln, Teilsicherheitsbeiwerte zu präzisieren und damit die Strukturzuverlässigkeit von Rotorblättern zu erhöhen, verfolgt das Vorhaben die folgenden spezifischen Ziele: – Es soll eine Methode zur zerstörungsfreien Ermittlung räumlich schwankender Materialparameter in Rotorblattkomponenten entwickelt werden. Dabei wird die Forschungshypothese aufgestellt, dass eine Kombination aus etablierten bildgebenden Verfahren, modernen Algorithmen des maschinellen Lernens und hochaufgelösten Simulationsmethoden dazu geeignet ist, eine sehr hohe Genauigkeit mit geringen Rechenzeiten zu verbinden. – Die Methode soll im Labor auf der Strukturebene validiert werden. – Nach Projektabschluss soll ein Konsortium mit Industriebeteiligung organsiert werden, um ein gefördertes Verbundforschungsvorhaben mit dem Ziel der Weiterentwicklung der Methode hin zur industriellen Anwendbarkeit anzuschließen.

Forschungsprojekt optDIC

Projekttitel: optDIC – Optimierung des DIC-Messsystems zur Erfassung von Deformationen an Windenergieanlagen

Zusammenfassung:

Die Auslegung moderner Windenergieanlagen (WEA) wird stark durch aeroelastischer und strukturdynamischer Aspekte beeinflusst und limitiert. Zur Validierung dieser Auslegungsmethoden werden umfangreiche Langzeit-Deformationsmessungen an WEA benötigt, die aktuell nicht verfügbar sind. Im Projekt „optDIC“ wird die optische Messtechnik Digital Image Correlation (DIC) weiterentwickelt, um flächige Langzeit-Deformationsmessungen an WEA zu ermöglichen und somit den Mangel an experimentellen Validierungsdaten zu verringern. Durch die Nutzung geeigneter Methoden der künstlichen Intelligenz oder konventioneller Bildverarbeitungsalgorithmen sollen dazu die Rotorblätter in Echtzeit detektiert und die aufgenommenen Datenmengen dadurch signifikant reduziert werden. Zusätzlich soll die aktuell verwendete Messmethode erweitert werden, sodass Windrichtungsänderungen kompensiert werden können. Eine automatisierte Auswertung der aufgenommenen Messdaten soll außerdem die industrielle und wissenschaftliche Attraktivität von DIC erhöhen. Das aktuelle DIC-Messsystem soll im Rahmen dieses Projektes hinsichtlich Langzeitmessungen witterungsbeständig aufgebaut werden. Durch Langzeit-Feldmessungen von instationären Verformungen an einer WEA sollen abschließend die entwickelten Datenverarbeitungs- und -analyseverfahren erprobt und bewertet werden.

Sonderforschungsbereich 1463 Offshore-Megastrukturen

Projekttitel: Sonderforschungsbereich (SFB) 1463 – „Integrierte Entwurfs- und Betriebsmethodik für Offshore-Megastrukturen“

Motivation:

Wissenschaftliche Fragestellungen:

Forschungsprojekt DFWind 2

Projekttitel: DFWind Phase 2 – Deutsche Forschungsplattform für Windenergie

Zusammenfassung:

Das übergeordnete Projektziel umfasst die forschungstechnischen Ertüchtigung des in Realisierung befindlichen Forschungstestfeld DFWind zu einer weltweit einmaligen Infrastruktur für die Windenergieforschung. Dies beinhaltet die umfangreiche Instrumentierung von zwei Forschungswindenergieanlagen der aktuellen Multi-MW-Klasse sowie mehrerer speziell ausgelegter Windmessmasten zur vollumfänglichen Erfassung der Umgebungs- und Betriebsbedingungen. Mit dieser Forschungsplattform können einerseits neuartige Komponenten und Konzepte am Gesamtsystem erprobt und andererseits industrietaugliche Modelle zur Beschreibung großer Windenergieanlagen abgeleitet,
validiert und verbessert werden.

Inhalte und Methodik:

Die spezifischen Beiträge in diesem Teilprojekt konzentrieren sich einerseits auf die detaillierte Charakterisierung der Strömungs- und Betriebsbedingungen und andererseits auf die Vorbereitung von Forschung an innovativen Konzepten zur Überwachung und Regelung der Anlagen sowie des Anlagenverbunds. Spezifische Ziele sind die Charakterisierung des Windfeldes vor, in und hinter der Rotorebene mittels short-range Lidarysteme am Boden und im Spinner der Windenergieanlage sowie die Vorbereitung der sicheren Erprobung experimenteller Regelungssysteme der Einzelanlage sowie des Anlagenverbundes auf den Windenergieanlagen im Testfeld.

Forschungsprojekt Add2ReliaBlade

Projekttitel: Add2ReliaBlade – Erweiterte Materialdaten und Computertomographie, virtuelle Prüfstände, Big Data und datenbasierte Modellierung als Ergänzung für ReliaBlade

Zusammenfassung:

Inhalte und Methodik:

Die folgenden drei Ergänzungen sollen im Rahmen dieses Vorhabens zu einer Erhöhung der Rotorblatt-Zuverlässigkeit beitragen: – Eine hochgenaue Beobachtung der Ermüdungsschadensentwicklung bei Belastungsversuchen auf Material- und Strukturebene, um neue oder erweiterte Modelle umfassend zu validieren und als Fernziel die Prognose des wahrscheinlichen Schadensfortschritts und eine Aussage zur verbleibenden Lebensdauer zu ermöglichen. – Die (numerische) Beschreibung der Ermüdungsschadensentwicklung in Form virtueller Prüfstände für Subkomponenten und Rotorblätter, u. a. zum Einsatz in modellbasierten SHM-Systemen. – Die strukturierte Auswertung, Aufbereitung und Visualisierung von Versuchsergebnissen auf Material- und Strukturebene sowie die Entwicklung von Methoden zur datenbasierten Material- und Strukturmodellierung, um zukünftig zuverlässige Schadensprognosen im Feld mit gemessenen Daten erstellen zu können.

Forschungsprojekt WindGISKI

Forschungsprojekt TransWind

Projekttitel: TransWind – Transdisziplinäre End-of-Life Analyse von WEA zur Entwicklung technisch-wirtschaftlich optimaler Nachnutzungsstrategien

Zusammenfassung:

Die Windenergie stellt einen wichtigen Grundpfeiler für das Erreichen der Energiewende in Deutschland dar. Noch sind die Stromgestehungskosten im Verhältnis zur Marktvergütung hoch, sodass hier Entwicklungsbedarf besteht. Vor diesem Hintergrund ist die End-of-Life-Thematik von Windenergieanlagen (WEA) ‚ d.h. die Analyse und Ausgestaltung der Zeit nach Ende der Förderung des Erneuerbare Energien Gesetzes (EEG) bzw. nach Überschreiten der Entwurfslebensdauer ‚ aktuell von besonderem Interesse.

Inhalte und Methodik:

Zur Entwicklung technisch-wirtschaftlich nachhaltiger Strategien für Post-EEG-WEA ist eine gemeinsame und zumindest einseitig gekoppelte Betrachtung unterschiedlichster Aspekte der Strukturdynamik, Prozesstechnik, Logistik, Raumplanung und Betriebswirtschaft unabdingbar. Beispielsweise ist es nur dann sinnvoll, die betriebswirtschaftliche Machbarkeit eines Weiterbetriebs durch Retrofit zu analysieren, wenn dieser auch technisch möglich ist. Daher soll im Rahmen von TransWind ein probabilistisches, strukturdynamisches Modell einer WEA mit standortspezifischen Windsimulationen, raumplanerischen Werkzeugen und Wirtschaftlichkeitsanalysen in einem verzahnten Modellierungsansatz verbunden werden. Um die automatisierte Anwendung dieses transdisziplinären Vorgehens zu ermöglichen, soll der Modellierungsansatz zudem in einer Softwarelösung umgesetzt werden und dadurch die Vorteile der zunehmenden Digitalisierung in der Energiewirtschaft nutzen. Der Fokus an der Universität Hannover liegt auf der strukturdynamischen, probabilistischen Lebensdauerberechnung und der betriebswirtschaftlichen Modellierung.

Forschungsprojekt WinConFat

Projekttitel: WinConFat – Materialermüdung von On- und Offshore Windenergieanlagen aus Stahlbeton und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung

Zusammenfassung:

Das Gesamtforschungsvorhaben WinConFat will die Einflüsse auf die Beton-, Betonstahl- und Verbundermüdung versuchstechnisch ermitteln und wissenschaftlich beschreiben. Diese Untersuchungen werden im Verbund von sechs Universitäten sowie der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung durchgeführt und durch das Institut für Massivbau der Leibniz Universität Hannover zentral koordiniert.

Die Ergebnisse der vom Institut für Massivbau bearbeiteten Teilvorhabens ermöglichen, zusammen mit den Ergebnissen des Gesamtforschungsvorhabens WinConFat, die Weiterentwicklung der aktuell gültigen Normung und damit eine deutlich wirtschaftlichere Bemessung von WEA aus Stahlbeton und Spannbeton im Grenzzustand der Ermüdung. Dies erfolgt zunächst durch die Erstellung einer „Richtlinie zur Bemessung von WEA aus Stahlbeton und Spannbeton gegen Ermüdung“ durch den DAfStb. Durch die Autorisierung des DAfStb als regelgebendes Gremium ist die Umsetzung der Ergebnisse in eine technische Regel und deren bauaufsichtliche Einführung unmittelbar nach Projektende zu erwarten. Im Weiteren ist davon auszugehen, dass die Erkenntnisse mittelfristig auch in europäische Normen und Regelwerke einfließen werden. Zudem wird eine realere Bewertung der Restlebensdauer bestehender Tragstrukturen möglich.

Forschungsprojekt Ho-Pile

Projekttitel: Ho-Pile – Untersuchungen zum horizontalen Tragverhalten von XL-Monopiles unter zyklischer Beanspruchung

Zusammenfassung:

Bei einer OWEA Monopilegründung hängt seine Stahlmasse stark von der geotechnischen Bemessung ab. Diese basiert im Wesentlichen auf p-y-Ansätzen. Aufgrund fehlender abgesicherter Kenntnisse sind hierzu in den Regelwerken keine klaren bzw. nur unzureichende Vorgaben vorhanden. Weiterhin stehen bisher keine allgemein anerkannten und experimentell abgesicherten p-y-Ansätze für die geotechnische MP-Bemessung zur Verfügung. Dadurch entstehen Projektunsicherheiten sowie häufig ein unnötiger Stahlmassenmehrverbrauch. Das Forschungsprojekt Ho-Pile validiert und erweitert einen bestehenden p-y-Ansatz. Dafür sind aufwendige numerische FE-Berechnungen sowie experimentelle Untersuchungen im Maßstab 1:5 erforderlich. Grundlage des Projektes ist ein in den letzten Jahren entwickelter p-y Ansatz für Sand. Dieser Ansatz wird durch Versuche in der Grundbauversuchsgrube des TTH experimentell abgesichert.