27.01.2014

Oberflächenlösungen für die Windkraftenergie

© Sulzer Metaplas GmbH

Die Windkraft gilt als besonders umweltfreundliche und günstige Energiequelle für die Stromerzeugung. Ob Windkraftanlagen effizient und wirtschaftlich arbeiten, hängt stark von einem kontinuierlichen und zuverlässigen Betrieb ab. Um diesen sicherzustellen, bieten Unternehmen wie die Sulzer Metaplas, Oberflächenlösungen zur Optimierung der Komponenten an.

Verbesserte Oberflächen können durch das Aufbringen dünner Beschichtungen oder durch Wärmebehandlungen der eingesetzten Stahlbauteile erreicht werden. Anwendungsgebiete reichen dabei von der Fertigung, der in der Windkraft verbauten Bauteile, bis zum Optimieren der fertigen Komponenten. Infrage kommende Beschichtungen und Behandlungen werden erläutert und bewährte Anwendungsgebiete beschrieben.



Windkraft

Für die einen sind Windräder eine Verschandelung der Landschaft oder der Küste; in zahlreichen Industriestaaten jedoch ist die Gewinnung von Energie aus Windrädern eine umweltschonende Technologie, um den Energiebedarf zu decken. Zudem zeigt sich, dass Strom aus Windkraft kostengünstiger ist als Atomstrom, wenn die anfallenden Faktoren wie die Entsorgung, die Endlagerung und die Risiken eines radioaktiven Unfalls mit einberechnet werden. Heute ist die Windenergie, der am stärksten wachsende Bereich der erneuerbaren Energien.

Daten und Fakten

Seit den 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts werden Windkraftanlagen aufgestellt. Der Ausbau der Windenergie schreitet nicht nur in Deutschland seither schnell voran. Pro Jahr werden in Deutschland 1 Million Tonnen Stahl für die Produktion von Windrädern verbaut – drei Mal mehr als im Schiffbau benötigt werden. Aus neueren Daten des Bundesverbands der Windenergie BWE und der VDMA geht hervor, dass in diesem Jahr so viel Windenergie ans Netz geht wie seit dem Rekordjahr 2002 nicht mehr. Seit der Abkehr von der Kernenergie gewinnt diese wieder eine große Bedeutung bei der Stromerzeugung.

Wie stark dieser Markt wächst, zeigen auch die aktuellen Leistungszahlen. Im Jahr 2012 lag die installierte Leistung weltweit bei 282.587 MW, im Vorjahr waren es noch etwa 238.000 MW und im Jahr 2010 ca. 197.000 MW, was eine jährliche Steigerung von mehr als 15% ausmacht. Ehrgeizige Pläne sehen einen Anstieg auf 460.000 MW bis zum Jahr 2015. China, als größter Produzent von Windkraftenergie, sowie die USA und Deutschland teilen sich dabei 60% der gesamten Leistung weltweit.

Dennoch ist das Potenzial der nächsten Jahre in diesen Ländern noch sehr hoch. Zu den Nationen mit dem höchsten Anteil an Windenergie am nationalen Stromverbrauchen gehören derzeit noch andere. Dänemark führt diese Liste mit fast 28% an, die Plätze zwei und drei belegen Spanien und Portugal mit knapp über 15%. Deutschland, als größter europäischer Windenergie-Produzent, liegt derzeit bei 10%.

Ausgebaut werden in den nächsten Jahren sowohl Windkraftanlagen an Land, wie auch im Wasser. Ende 2012 wurden mit 2052 Offshore-Anlagen (73 sogenannten Wind-parks) weltweit eine Leistung von 5863 MW erzielt. Besonders die küstenfernen Anlagen finden in der Bevölkerung eine wesentlich größere Akzeptanz als Onshore-Anlagen.

Die deutsche Bundesregierung beispielsweise setzt in Zukunft verstärkt auf Offshore-Anlagen und will im Rahmen der EEG-Novelle des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes hier deutlich investieren, in Windkraftanlagen und den Ausbau des dafür notwendigen Stromnetzes.

Höchste Anforderungen

Die Anforderungen, die dabei an die Windanlagen gestellt werden, sind aufgrund ihrer Lage und den unterschiedlichen Witterungsverhältnissen sehr verschieden. Besonders bei Offshore-Anlagen spielt der Schutz vor Korrosion durch Salz und Feuchtigkeit eine große Rolle.

Da sich Windkraftanlagen in den letzten Jahren zudem sowohl in ihrer Leistungsfähigkeit, als auch in ihrer Größe stark weiterentwickelt haben, wird neben dem Bau neuer Anlagen auch das Repowering eine große Rolle spielen. Hierbei werden ältere Anlagen durch neuere, leistungsstärkere ersetzt. Neben geringen Ausfallzeiten, steigenden Leistungs- und Effizienzanforderungen müssen Windräder enormen Belastungen durch äußere Einflüsse, sowie häufig wechselnden Kräften, standhalten.

Vor allem der Antriebsstrang der Windkraft-anlagen ist höchsten Belastungen ausgesetzt. Somit sind sie zugleich besonders wartungs- und reparaturanfällig. Die Ausfallzeiten sind bei Schäden im Antriebsstrang und Getriebe besonders hoch, wie Daten des Fraunhofer Institutes zeigen. Um die Wirtschaftlichkeit der Anlagen zu maximieren gilt es Stillstandzeiten sowie Wartungsaufwand zu verringern.

Die häufigste Ursache für Störungen der Windkraftanlagen liegt im Verschleiß und der Ermüdung von Bauteilen wie z.B. Getriebezahnräder, solche Ausfälle haben in der Regel einen längeren Anlagenstillstand zur Folge.

Die verwendeten Werkstoffe müssen enormen Belastungen, variierenden Kräften, höchsten Stoßimpulsen und Verdrehungen standhalten. Häufig kommen Getriebe zum Einsatz, die die Drehzahl und das Drehmoment zwischen dem Rotor und dem Generator verändern.

Hier wird beispielsweise eine vergleichsweise langsame Rotordrehzahl (im Bereich von 6-20min-1) in eine hohe Generatordrehzahl zwischen 900 – 2000 min-1 umgesetzt, um einen guten Wirkungsgrad bei der Energie-gewinnung zu erzielen. Auf die gesamte Laufzeit einer modernen Windenergieanlage entspricht dies einer Getriebeleistung von etwa 144 Mio. Umdrehungen der Rotorwelle oder 15 Milliarden Umdrehungen der Generatorwelle.

Um diese hohe Leistung zuverlässig gewährleisten zu können, ist eine enorm hohe Verschleiß- und Dauerfestigkeit des Stahls nötig. Zudem ist eine hohe Zähigkeit und Schwingungsfestigkeit des Materials Voraussetzung um den starken Beanspruchungen standzuhalten.

Bei Zahnrädern müssen beispielsweise die Flanken vor Verscheiß und Grübchenbildung geschützt werden. Beim Eingreifen der Zähne werden große Flächenpressungen auf die Zähne ausgeübt. Ein plastisches Verformen muss durch eine duktile Randzone verhindert werden. Ebenso müssen die Flanken aufgrund der Reibung dem Verschleiß und der Ermüdung standhalten.

Mit Oberflächenlösungen zu weniger Ausfallzeiten

Sulzer Metaplas, eine Tochter der Sulzer Metco, setzt seine Oberflächentechnologien bereits mit Erfolg im Bereich der Bremsvorrichtungen (Belaghalter, Kolben, Scheiben und Sattel), Ventilteilen, Hydraulikkomponenten, sowie für Zahnrädern ein. Zum Einsatz kommen, je nach Beanspruchung die Dünnschichten der PVD (Physical Vapor Deposition) oder PACVD (Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition) Technologien oder Wärmebehandlungen, wie das Einsatzhärten oder Nitrieren.

Neben Dienstleistungen zur Oberflächenverbesserung für unterschiedliche Industrie- und Anwendungsbereiche liefert der eigene Anlagenbau innovative Neu- und Weiterentwicklungen durch seine Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Eine Besonderheit stellt die Lohnbehandlung von Lang- und Großteilen dar. Die maximalen Abmessungen für großvolumige Teile sind: 1800 mm Länge und 1500 mm Durchmesser auch lange Bauteile mit einer Länge bis zu 4500 mm und 600 mm Durch-messer können behandelt werden.

Source: Sulzer Metaplas GmbH