Leistungsangebot: Angewandte Forschung für unsere Kunden

Die Planung und Installation von Fundamenten für Offshore-Windenergieanlagen verursachen einen signifikanten Anteil der Gesamtkosten von Windparks. Das detaillierte Verständnis des Baugrundes auf See ist Basis für die Wahl von Fundamenttyp, Design und Installationsplanung der Fundamente. Die optimale Abbildung der geologischen Strukturen in den obersten 100-200 m unter dem Meeresboden durch geophysikalische Methoden steht dabei an erster Stelle. Mittels geotechnischer Beprobung der Schichten wird anschließend ein integriertes Baugrundmodell durch die Verknüpfung seismischer und geotechnischer Daten erstellt. Für die Installation ist zudem die Ausweisung der Installationsrisiken entscheidend, etwa durch Findlinge in glazialen Ablagerungen.

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Kontinuierlich wachsende Offshore-Windenergieanlagen bringen bisherige Testeinrichtungen zur Prüfung ihrer Netzeigenschaften an ihre Grenzen. Daher hat das IWES zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften im Multi-Megawatt-Bereich einen Mobile-Grid-Netzemulator mit einer installierten Umrichterleistung von 88 MVA entwickelt. Zudem betreibt das IWES – in Kooperation mit der Universität Bremen – das HiPE-LAB. Die einzigartige Einrichtung dient dem Testen von Umrichtern bis zu zehn MVA unter Überlagerung von klimatischen und elektrischen Lasten.

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Das IWES betreibt technologieoffene Testplattformen (Hydrogen Labs) für die Qualifizierung und Optimierung von Elektrolyseuren - von der Zelle über den Industrie-Stack bis zur Gesamtsystemebene - mit einer Gesamtanschlussleistung bis zu 26 MW. Neben Elektrolyseuren werden hier auch wasserstoffverbrauchende Einheiten und Teile der peripheren Infrastruktur getestet. Unter anderem wird die Langzeitstabilität von Materialien und Komponenten bei dynamischer Betriebsweise von Elektrolyseuren in Kopplung mit Windenergieanlagen erprobt.

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Zuverlässige Aussagen zu Effizienz, Funktionstüchtigkeit und Lebensdauer von Windenergieanlagen sind für ihre Realisierung unverzichtbar. Zu diesem Zweck vermisst das IWES im Anwendungszentrum für Windenergie-Feldmessungen (AWF) laufende Anlagen, prüft mechanische Beanspruchungen und bestimmt ihr Leistungsverhalten. Zur Erforschung der aero-servo-hydro-elastischen Simulation von WEA programmiert das IWES das MoWiT-Simulationsmodell zur Lastrechnung und Echtzeitsimulation. Das MoWiT dient der Optimierung von Windenergiesystemen und Entwicklung von KI-Modellen. Zudem forciert das IWES die Entwicklung einer nachhaltigen Schifffahrt. In Kooperation mit der Hochschule Emden/Leer liegt der Fokus auf Windantriebssystemen, Designkonzepten und Emissionsreduzierung.

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Stochastische Lasten, variierenden Drehzahlen, Schnittstellen mit komplexen Steifigkeitsprofilen: Die Lebensdauer von Wälzlagern in Windenergieanlagen (WEA) hängt von zahlreichen Einflüssen ab. Mit dem Large Bearing Laboratory (LBL) verfügt das Fraunhofer IWES über eine einzigartige Methodenkompetenz sowie Prüf- und Forschungsinfrastruktur zur Zuverlässigkeitssteigerung der Lager. Zur Absicherung von Produkteigenschaften mechanischer WEA-Antriebsstränge entwickelt und realisiert das IWES Validierungsstrategien, Prüfkonzepte, Prüfstände, Messmethoden, Prüfkampagnen, CAE-Modelle uvm. Für die Statiksicherung der Turbine müssen bei den WEA-Tragstrukturen – z. B. Turm, Fundamente und notwendige Anbauteile – Design und Fertigung entsprechend der wachsenden Betriebslasten optimiert werden. Das IWES entwickelt Angebote zur Reduzierung der wirtschaftlichen und technischen Risiken künftiger Tragstrukturen.

Für großmaßstäbliche WEA-Gondelprüfungen verfügt das IWES mit dem Dynamic Nacelle Laboratory (DyNaLab) über einen weltweit einzigartigen Prüfstand. Er enthält ein leistungsstarkes Lasteinleitungssystem (LAS), das als Hexapod mit einem großen Momentenlager ausgestattet ist, und bietet für aussagefähige Labortests ein realitätsnahes Testumfeld im Multimegawattbereich.

Ausfälle von WEA-Triebsträngen zählen zu den Hauptursachen von Stillstandszeiten. Virtuelle Tests mittels Simulationsmodell und validierter Messdaten lassen bereits im Entwicklungsprozess Belastungen erkennen. In der Erhebung und Verarbeitung entsprechender Messdaten bietet das IWES außergewöhnliche Erfahrung.

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Rotorblätter großer Offshore-Windenergieanlagen haben mittlerweile die 100-Meter-Marke überschritten. Weiteres Wachstum bringt die strukturellen Lastreserven an ihre Grenzen. Das gründliche Verständnis des komplexen mechanischen Verhaltens von Verbundwerkstoffen unter Ermüdungsbeanspruchung ist daher unerlässlich. Für die zuverlässige, effiziente Fertigung von Rotorblättern dieser Größenordnung sind Fortschritte in den Produktionstechniken und in der Automatisierung erforderlich. Das Fraunhofer IWES vermag es dank seiner einzigartigen Forschungsinfrastruktur die Windenergiebranche skalenübergreifend und in allen technischen Domänen zu unterstützen. 

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Onshore wie offshore sind Windenergieanlagen (WEA) komplexen Bedingungen ausgesetzt. Entsprechend unterschiedlich sind die Herausforderungen an die numerische Simulation und Bewertung potenzieller Standorte, entsprechend unverzichtbar sind exakte Modellierungen von Windfeldern. Das IWES ist bei der Optimierung numerischer Methoden und Datensätze auf allen relevanten Skalen aktiv, um den Anforderungen der Industrie gerecht zu werden. So beeinflussen die Windparameter etwa bei der Errichtung von Offshore-Windparks Design und Auslegung der WEA sowie ihrer Komponenten inklusive der Fundamente und Türme. Um die numerischen Modelle passgenau für die Standorte zu machen, führt das IWES Offshore-Lidar Messungen durch. Dafür hat es Lidar-Messbojen entwickelt, die auf hoher See meteorologische und ozeanografische Messdaten aufnehmen. Mit innovativen Messkonzepten – unter Verwendung verschiedener Remote-Sensing-Technologien – erfasst das IWES die Windverhältnisse. 

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Gemeinsam mit anderen Akteuren hat das Fraunhofer IWES die Installation und den Betrieb zahlreicher Windenergieanlagen realisiert. Dabei ist, neben der einmaligen Expertise, eine einzigartige Felddatensammlung entstanden. Sie trägt wesentlich dazu bei, die Zuverlässigkeit von WEA-Komponenten signifikant zu steigern, Kosten und Risiken effektiv zu verringern, OPEX-Modellierungen und Kosten-Nutzen-Analysen zu realisieren und Lösungen und Analysen zur Ausfallfrüherkennung durchzuführen. Das IWES realisiert zudem numerische Strömungssimulationen (CFD) zum Schutz der elastischen Rotorblätter. So lassen sich Anfälligkeiten der Blätter für Schwingungen – etwa bei Stillstand oder Trudeln der Anlage – erkennen und reduzieren. Für ein leistungsfähiges Projekt- und Risikomanagement bietet das IWES Projektplan- und Wetterrisikoanalysen an, um frühzeitig potenzielle Risiken zu bewerten. Mittels Post-Construction- und Performance-Analysen beurteilt das IWES Leistung und Effizienz bestehender Offshore-Windparks. Ebenfalls im Portfolio: optimierte Instandhaltungskonzepte, Beurteilung bestehender Konzepte und Optimierung der O&M-Logistik, um maßgeschneiderte, kosteneffiziente Lösungen zu kreieren.

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