Wartungs- und Inspektionskonzepte auf hoher See Fliegende Wächter wachen über die Meereswindkraft

Rund 20 Jahre lang sollten Windenergieanlagen (WEA) auf dem Meer ihre Arbeit verrichten. Damit sie diese Betriebsdauer erreichen, müssen unter anderem die Rotorblätter regelmäßig auf ihre strukturelle Integrität untersucht werden. Bis zu 350 km/h erreichen die Rotorblattspitzen im Betrieb – Geschwindigkeiten wie bei einem Formel-1-Wagen. Die aerodynamische Leistungsfähigkeit eines Rotorblatts ist dann am besten, wenn die Windschicht das Flügelprofil überstreicht, ohne dass es zu Luftverwirbelungen kommt.

Bereits kleine Schäden an der Oberfläche können Turbulenzen auslösen. Damit sinken Effizienz und Leistung und auch die Wirtschaftlichkeit des Anlagenbetriebs und die Lebensdauer der gesamten Anlage werden vermindert. Aufgrund der extremen Bedingungen, wie die erhöhte UV-Einstrahlung, hohe Windgeschwindigkeiten und die salzhaltige Luft auf hoher See, altert das Material offshore deutlich schneller als an Land.

Etwa alle vier Jahre gehen deshalb Industriekletterer auf beschwerliche Tuchfühlung mit den Windgiganten. Visuell und durch Klopfen prüfen sie, ob Delaminationen oder andere Schadstellen vorhanden sind. Damit die Inspektion sicher verläuft, müssen Wind- und Wetterbedingungen stimmen. Das erschwert zum einen die Einsatzplanung und wirkt sich zum anderen auf die Wartungskosten aus. Denn oft kommt es vor, dass die Fachkräfte mehrfach anfahren müssen, bis das Wetterfenster die Arbeiten in luftiger Höhe tatsächlich zulässt.

Drohnen anstelle von Kletterern

Im Forschungsprojekt Thermoflight widmen sich deshalb Partner aus Industrie und Forschung der Suche nach alternativen Inspektionsverfahren. Das Unternehmen WindMW Service koordiniert das Projekt. Gemeinsam mit Forschern am Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (Fraunhofer IWES) in Bremerhaven, dem Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ) und Deutsche WindGuard Engineering erstellen sie in dem Projekt eine Konzeptstudie.

Ihr Ziel: Anstelle von Industriekletterern könnten künftig Drohnen auf dem Luftweg die Wartung von Offshore-Windenergieanlagen übernehmen. Ausgestattet mit Thermografietechnik und kombiniert mit schallbasierten Prüfmethoden könnten sie die Wartung künftig effizienter gestalten und Stillstandszeiten reduzieren helfen. Die Partner testen zum einen die Kombination von Drohnen und mobiler Thermografietechnik und wenden zum anderen ein Schallemissionsverfahren an. Bei letzterem erkennt ein im Rotorblatt eingebautes Schallemissionsmesssystem auch tiefliegende Schäden, etwa am Steg des Rotorblattes, und dient als Frühwarnsystem.

Tief ins Rotorblatt hineinhorchen

Das zerstörungsfrei arbeitende Akustik-Emissions-System, das die Fraunhofer-IWES-Forscher für die Untersuchung von Rotorblättern an Offshore-WEA weiterentwickeln, umfasst Schallemissions- beziehungsweise Piezosensoren. Diese werden im Inneren der Rotorblätter an strukturrelevanten Bereichen angebracht. Den Messrechner, der die Sensordaten sammelt und verarbeitet, verbauen die Forscher in der Nabe. Mit dem System lassen sich sehr große Strukturen effizient und zuverlässig permanent überwachen.

Die Funktionsweise der Sensoren ähnelt dem eines Mikrofons: „Treten im Rotorblatt plötzliche Spannungsänderungen auf, wird lokal Energie freigesetzt, die in Form von Wärme und Oberflächenwellen mit den Sensoren messbar wird“, erläutert Stefan Krause, Projektleiter am Fraunhofer IWES. „Die Wellen kommen zu unterschiedlichen Zeitpunkten an den einzelnen Sensoren an. Durch die zeitliche Differenz lässt sich der Ursprungsort des Schadens lokalisieren.“

Im Labormaßstab konnten die Forscher während statischer Rotorblatttests und Ermüdungsprüfungen beispielsweise Kleb- und Zwischenfaserbrüche, Schäden in der Gurt-Steg- Verklebung, Risse in der Hinterkante von Rotorblättern, aber auch fehlerhafte Verklebungen im Wurzelbereich orten. Der Praxistest soll im Frühjahr dieses Jahres im Offshore-Windpark Meerwind Süd Ost vor Helgoland stattfinden.

Das Detektieren von potenziellen Schadstellen mit Hilfe des Akustik-Emissions-System bildet die Grundlage für weitere Maßnahmen. Je nach Art und Position des Schadens kann zur näheren Untersuchung beispielsweise eine Außeninspektion des Rotorblattes mit Thermografieaufnahmen erfolgen. Thermografiekameras ermitteln unter anderem oberflächliche Schäden, die zum Beispiel durch Regenerosion zurückzuführen sind. An Fehlstellen entsteht Reibung und infolgedessen Wärme. Den Wärmefluss im Material machen die Thermografieaufnahmen sichtbar.

Wärme hilft, Schäden aufzudecken

Im Projekt Thermoflight kommt die passive Thermografie zum Einsatz: Sie macht sich die Eigenerwärmung des zu untersuchenden Objekts oder Temperaturunterschiede durch den natürlichen Tag-Nacht-Zyklus zunutze. Deutsche WindGuard und BIMAQ haben bereits Erfahrungen mit Thermografiemessungen zur Strömungsvisualisierung an drehenden Onshore-WEA gemacht. Nun muss das Verfahren für den Einsatz auf hoher See angepasst werden.

Auf Drohnen befestigt lassen sich mit Thermografiekameras Fehlstellen unterhalb der Oberfläche von Verbundmaterialien aufspüren. Dazu gehören Schichtablösungen, Einschlüsse oder Hohlräume. Diese Schäden in der Tiefe des Rotorblatts sind häufig der Grund für wachsende Strukturschäden im Betrieb. Werden sie nicht erkannt, können sie im schlimmsten Fall zum Totalverlust führen.

Um die geeignete Kameratechnik für die Drohnen zu finden, haben Deutsche WindGuard und BIMAQ verschiedene flugfähige Thermografiesysteme getestet. Zusammen mit den Anforderungen an die Drohnen und die Wetterbedingungen für den Einsatz im Offshore-Windpark ergibt sich daraus ein Lastenheft, das als Grundlage für eine im Sommer 2018 geplante Offshore-Testmessung dient.