Experten des amerikanischen Energieforschungsinstituts NREL haben sich zusammengeschlossen, um ein schwieriges Problem bei Windturbinen zu lösen.

Wirtschaft

Wind ist zumindest ein Teil der Antwort auf die Energieprobleme der Welt. So viel steht fest. Viele Energieexperten halten es für möglich, dass in einigen Regionen der Erde bis zu 50 Prozent des Strom­bedarfs durch Windenergie gedeckt werden können. Europa will diese 50-Prozent-Marke bis 2050 erreichen, und die USA hat Pläne, bis 2030 auf einen Anteil von 20 Prozent zu kommen.

Trotz des enormen Potenzials, das der Wind bietet, ist es keine leichte Aufgabe, Wind in mechanische Energie und diese wiederum in elektrische Energie umzuwandeln.

Die Windturbine, das wichtigste Instrument zur Erzeugung von Strom aus Windenergie, ist eine außergewöhnlich komplexe Anlage, deren Leistung von Faktoren wie Präzision, Temperatur, Feuchtigkeit, Gewicht, mechanische Beanspruchung und Schwingungen maßgeblich beeinflusst wird.

Ein ständiges Problem ist die Zuverlässigkeit der Turbinengetriebe. Einige fallen schon nach drei Jahren aus.

„Zurzeit erreichen Windturbinengetriebe nicht die erwartete Lebensdauer von 20 Jahren“, erklärt Jeroen van Dam, der im NREL (National Renewable Energy Laboratory) als Testingenieur tätig ist. Als nationales Energieforschungsinstitut befasst sich NREL mit der Entwicklung, Kommerzialisierung und Nutzung von erneuerbaren Energien und Energietechnologien.

Getriebeausfälle sind inzwischen ein ernsthaftes finanzielles Problem. Das Getriebe ist ohnehin schon eines der teuersten Bauteile einer Windenergieanlage. Fällt es vorzeitig aus, kommt es zu weiteren Kosten durch Turbinenstillstände, ungeplante und kostspielige Wartungs- und Reparaturarbeiten, Austausch und Wiedereinbau des Getriebes und höhere Rücklagen für Gewährleistungsansprüche.

Um die Zuverlässigkeit von Windturbinengetrieben zu verbessern, bildete NREL 2007 die Gearbox Reliability Collaborative, eine Gemeinschafts­initiative von Forschern, Universitäten, Eigentümern und Betreibern von Windkraftanlagen, Beratern und Lagerherstellern, darunter auch SKF. Das amerikanische Energieministerium hat dafür Ressourcen bereitgestellt, unter anderem eine 700 Quadratmeter große Anlage mit einem 2,5-Megawatt-Kraftmesser zum Testen von Turbinen.

McNiff Light Industries, ein auf Windenergiesysteme spezialisiertes Ingenieurbüro, gehört zu den Teilnehmern der Gruppe. Als es darum ging, den amerikanischen Windenergieverband davon zu überzeugen, einen Plan zur Erreichung eines 20-prozentigen Anteils der Windenergie an der Energieproduktion zu konzipieren, war Brian McNiff, Geschäftsführer des Unternehmens, dabei.

Wie van Dam sagt, wurden in der Testanlage zwei identische und zur Umgehung urheberrechtlicher und privater Interessen patentfreie Getriebe gebaut, die umfangreichen Prüfungen unterzogen werden, um die Gründe für die Ausfälle herauszufinden.

Bei den Tests im Kraftmesser stehen Drehmoment, Biegung und Beanspruchung im Mittelpunkt, während sich die Feldtests auf Turbulenzfragen konzentrieren. „Wir haben eine Windturbine sowohl im Kraftmesser unter kontrollierten Bedingungen als auch in Feldver­suchen getestet“, erklärt van Dam. „Die dabei erfassten Daten benutzen wir jetzt, um Modelle zu bewerten und weiterzuentwickeln. Wir haben auch eine Fehlerdatenbank aufgebaut, die Eigentümer und Betreiber von Windenergieanlagen oder Werkstätten für die Dokumentation von Störfällen nutzen können.“

Laut van Dam haben die Forscher zwar noch keine Einzelursache für die vorzeitigen Ausfälle von Getrieben ermittelt, aber das Projekt hat „eine Menge Erkenntnisse und Daten gebracht“, die genauer Aufschluss darüber geben, was im Inneren eines Getriebes passiert. Dank dieser Informationen lassen sich Getriebeverhalten jetzt besser simulieren.

Insgesamt wurden mehr als 130 Datenarten zusammengestellt, darunter Daten über Verformungen in den Planetenradlagerungen, Spannungen an der Getriebeverzahnung und Wellendurchbiegungen.

In nächster Zeit wird sich die Forschergruppe auf die Auswertung aller bisher gesammelten Daten konzentrieren und die kommende Etappe der Feld- und Kraftmessertests definieren.

„Vielleicht werden daraufhin kleinere Änderungen an den Getrieben vorgenommen und deren Auswirkungen untersucht“, fügt van Dam hinzu. „Eine andere Möglichkeit ist, dass weitere Instrumente angeschafft oder die Belastungs-bedingungen geändert werden. Wir gehen davon aus, dass jede neue Erkenntnis in die internationalen Standards für Getriebekonstruktionen und -prüfungen einfließen wird.“

BEAST und Orpheus als Hilfe

SKF unterstützt maßgeblich die Forschung zur Verbesserung von Getrieben für Windenergieanlagen. Als Partner der Gearbox Reliability Collaborative des amerikanischen Energie­forschungszentrums NREL (National Renewable Energy Laboratory) stellt SKF die beiden proprietären virtuellen Simulationsprogramme BEAST und Orpheus zur Verfügung.

Laut Greg Zimmerman, der bei SKF Aeroengine North America in der Produktentwicklung und -prüfung tätig ist, ermöglichen diese Tools die Auswertung einer Getriebeanwendung auf Makro- und Mikroebene, einschließlich des dynamischen Verhaltens von Wälzlagern und ihres Zusammenspiels mit Zahnrädern und Zahnradsystemen.

„Obwohl viele Software­pakete bereits Lagersimulationen umfassen, wird bei der Lagerdarstellung meist der Käfig außer Acht gelassen oder das Lager mit vereinfachten Modellen beschrieben“, sagt Zimmerman. „BEAST erfasst die Komplexität moderner Wälzlager, die rotierende und statische Teile miteinander verbinden und oft einen ausschlaggebenden Einfluss auf das Verhalten der gesamten Applikation haben.“

Zimmerman zufolge verwendet SKF die DfSS-Methodik (Design for Six Sigma) im Simulationsprozess und bietet so einen Rahmen für die optimierte Auswertung von bestimmten Lageranordnungen. „Durch die Integration von DfSS erhält man einen strukturierten Ansatz sowie Tools zur Identifizierung von leistungskritischen Betriebs­parametern“, schließt er.

Die SKF Tools werden mit Testdaten und anderen in der Branche verwendeten Instrumenten verglichen. Anhand der Ergebnisse wird man eher in der Lage sein, die Vorteile und Grenzen von Getriebekonstruktionen zu erkennen.