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Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 21.304 B Seite 12 von 96 Trotz erheblicher Anstrengungen zum Ausbau Gewinnung von Elektrizität aus Windenergie ist die tatsächlich installierte Leistung Onshore wie Offshore immer noch weit von der bis 2024 angestrebten installierten Leistung entfernt. Weiterhin ist der Abbildung zu entnehmen, dass ein zunehmender Anteil der bereits installierten Leistung an Land zum Repowering ansteht, d.H. die existierenden Anlagen sollen über kurz oder lang durch moderne und leistungsfähigere Geräte am selben Standort ersetzt werden, was faktisch einen gänzlichen Windmühlenneubau bedeutet. Als Fügetechnologie für die Fertigung von Türmen und Gründungstrukturen der Anlagen zur Wandlung von Windkraft in elektrische Energie kommt in großem Stile das Schweißen zum Einsatz. Die Bauteile in diesen Fertigungsstrecken weisen sehr komplexe Geometrien mit großen Wanddicken (bis 150 mm) auf [4], so dass schon die Vorbereitung der Einzelteile durch Schneiden und Biegen aber auch die Sicherstellung der geforderten Genauigkeiten eine große Herausforderung darstellen. Aus den Wanddicken resultierende große Schweißnahtvolumina, die wegen der erreichbaren Zusammenbautoleranzen teilweise manuell eingebracht werden müssen, limitieren die Produktivität, und stellen deshalb einen limitierenden Faktor dar, der den im Rahmen der Energiewende angestrebten ehrgeizigen Ausbau der Windenergie erschwert [4]. Ein erhebliches Leichtbaupotenzial könnte durch die Substitution der genannten Werkstoffe durch höherund hochfeste Baustähle genutzt werden, wenn entsprechende bruch- und schädigungsmechanische Betrachtungen durchgeführt werden und die Schweißtechnik in der Lage ist, diese zu verarbeiten, sodass die Anforderungen aus der Windenergie erfüllt werden. Dies reduziert zusätzlich die Kosten für die Schweißtechnik, da die Fertigungszeiten weiter verringert und Schweißzusatzwerkstoff eingespart werden kann. Herausforderung bei der schweißtechnischen Verarbeitung der höher- und hochfesten Stähle ist die Komplexität der Wärmeführung, wobei nicht jedes Verfahren bei diesen Werkstoffen zur Anwendung gelangen kann. Der mit der o.g. manuellen Arbeit einhergehende hohe Kostenanteil birgt zusätzlich die Gefahr, dass die Produktion von Gründungstrukturen und Türmen in Billiglohnregionen ausgelagert wird und so Arbeitsplätze und Knowhow abfließen. Eine auf die Bedürfnisse der Windenergie ausgerichtete Weiterentwicklung der Fügeverfahren kann und wird dazu beitragen, diesen Flaschenhals und Kostenblock zu entschärfen [4]. Neben rechtlichen und technischen Gründen ist dieser schleppende Ausbau der Windenergie unter anderem somit auch wesentlich durch die bis heute limitierten Produktionskapazitäten begrenzt. Ein bedeutender Flaschenhals ist hier unter anderem die Fügetechnik in den Produktionswerken, die einen erheblichen Anteil an den Fertigungszeiten und -kosten verursacht. Für die Großrohrherstellung kommen ausschließlich herkömmliche Lichtbogenverfahren wie MSG oder UP-Mehrdraht zum Einsatz. Diese Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Blechdicke mit Schweißzusatzwerkstoff aufgefüllt bzw. ein großer Nahtquerschnitt gefüllt werden muss. Neben den Kosten und dem Energiebedarf für die Drahtherstellung wird dadurch vor allem
Schlussbericht zu IGF-Vorhaben 21.304 B Seite 13 von 96 beim Schweißen selbst sehr viel Energie benötigt. Ein Ziel muss es also sein, das Schweißnahtvolumen zu verkleinern, um Kosten, aber auch Fertigungszeit einsparen zu können. Zur Erreichung der Ausbauziele sind daher Fügeverfahren erforderlich, die höhere Produktivitäten (bspw. durch geringere Nahtvolumina) und darüber hinaus auch Kostenreduzierungen ermöglichen (DVS Studie - Situation der Fügetechnik im Windenergieanlagenbau, 2016). Ein Ansatz ist, eine günstige verfahrensspezifische Nahtvorbereitung vorzusehen, die mit innovativen Verfahren verschweißt wird, sodass anschließend weniger UP-Lagen benötigt werden, um die Verbindung fertig zu schweißen. 2 Stand der Technik Die Herstellung der Türme wie auch der Gründungen erfolgt heute sowohl in der Vorfertigung als auch bei der Montage mit den klassischen und bewährten Verfahren des Stahlbaues. In der Werkstatt werden bevorzugt das Unterpulverschweißen, teilweise auch als Mehrdrahtprozess, und das Metallschutzgasschweißen eingesetzt. Bei letzterem kommen auch moderne digital geregelte Prozesse zum Einsatz, wie der Hochleistungskurzlichtbogen. Diese Prozesse ermöglichen aufgrund niedriger elektrischer Spannungen und erhöhtem Stromkontaktrohrabstand die Anwendung schmalerer Nahtfugenvorbereitungen und helfen somit, Schweißnahtvolumen einzusparen. Trotz dieser verringerten Nahtöffnungswinkel und der Anwendung von Mehrdrahtprozessen werden, wie in Ab-bildung 2 zu sehen ist, eine Vielzahl an Schweißraupen für die Füllung des Querschnittes benötigt (in diesem Fall 13 Schweißraupen am 40 mm Blech). Dies ist auf die max. Füllhöhe von 5 mm zurückzuführen. [5] Die Montage der Bauteile auf der Baustelle erfolgt später überwiegend durch Schrauben [6] [7]. Als Werkstoffe werden im Windenergieanlagenbau derzeit überwiegend Stähle in der Güteklasse S355J2 eingesetzt. Um die zum Teil hohen dynamischen Lasten abzufangen, müssen teils Fügepartner mit sehr großen Blechdicken (100 mm oder mehr) verschweißt werden [8]. Höher- und hoch-feste Werkstoffe finden aufgrund der theoretisch fehlenden Plastizität momentan noch keine Ver-wendung im Windturmbau. Überlegungen aus [9] zeigen allerdings, dass hoch- und höherfeste Baustähle unter Zuhilfenahme neuer Rechenmethoden das Potential zur Verringerung der Wanddicken aufweisen und damit den zu füllenden Querschnitt und folgend die Fertigungszeit reduzieren würden. Allerdings stellt auch gerade bei höherfesten Stahlgüten die bei der schweißtechnischen Verarbeitung unvermeidbare Materialschwächung im Bereich der Wärmeeinflusszone eine Heraus-forderung dar. In [10] wurde für die Anforderungen einer On-Shore-Windenergieanlage das Elektronenstrahlschweißen für einen S460 qualifiziert. Neben der schweißtechnischen Beherrschung konnte der bruchmechanische Nachweis geführt werden, dass geschweißte Grundwerkstoffe sowie Schweißungen den gestellten Anforderungen gerecht werden. Diese Ver-
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