MoGeSa: Modulare Großstrukturen aus gefügten Sandwich-Pultrudaten - Design und Fertigung

Auf einen Blick

• Schwimmende Offshore-Windenergieanlagen bieten großes Potenzial für die Energiewende, doch die derzeit genutzten Floating-Gründungsstrukturen aus Stahl und Beton weisen Schwachstellen auf.
• Das PREPARE-Projekt MoGeSa entwickelt daher eine großserientaugliche und wirtschaftlich attraktive Fertigungstechnologie für den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen, deren grundsätzliche Einsatzfähigkeit an einem Demonstrator nachgewiesen wird.
• Das Fraunhofer IWES ist in diesem Projekt unter anderem für Anforderungsdefinitionen und Spezifikationen der Floating-Strukturen sowie Entwurf, Lastsimulation und Optimierung des Floaters und Prüfung des Demonstrators verantwortlich.

Herausforderung

Schwimmende Offshore-Windenergieanlagen (Floating-WEA) werden gebraucht, um eine klimafreundliche Energieversorgung sicherzustellen: 60 bis 80 Prozent der Meere sind aufgrund der Wassertiefe nicht für bodenfixierte Windenergieanlagen geeignet. Expertenschätzungen zufolge werden bis 2050 weltweit mehr als 250 Gigawatt Leistung aus schwimmenden Windparks benötigt, um eine klimafreundliche Energieversorgung zu gewährleisten.

Derzeitige Konzepte für Floating-Strukturen setzen auf Stahl oder Beton. Jedoch zeigen beide Werkstoffe für diesen Anwendungsfall Nachteile: Stahl muss aufgrund seiner Korrosionsanfälligkeit für den Einsatz auf See beschichtet werden. Beton limitiert die Designfreiheit und kann anfällig sein für Ermüdung, insbesondere bei dynamischen Lasten. Zudem stellt die Salzwasserbeständigkeit von Stahlbetonstrukturen ein Problem dar. Ohne spezielle Vorkehrungen dringt Salz in die Betonstruktur ein und greift die zuglasttragende Stahlbewehrung an.

Lösung

Faserverbundkunststoffe (FVK) bieten erhebliche Vorteile wie Korrosionsbeständigkeit, geringes Gewicht, Langlebigkeit und geringe Wartungskosten. Im PREPARE-Projekt MoGeSa entwickeln die drei beteiligten Fraunhofer-Institute eine neuartige Fertigungstechnologie – die MoGeSa-Technologie, um FVK-Bauteile zu produzieren, die optimal an die Bedingungen auf See und die technischen Anforderungen von Windenergieanlagen angepasst sind.

Das Fraunhofer IGCV erarbeitet einen neuen Inline‑Schaum‑Pultrusionsprozess, mit dem großflächige FVK‑Sandwich‑Paneele mit integriertem Schaumkern kontinuierlich gefertigt werden. Das Fraunhofer IFAM entwickelt dazu passende klebtechnische Fügeverfahren, mit denen viele solcher Paneele sicher, dauerhaft und bei Bedarf wieder lösbar (»Debonding on Demand«) zu modularen Großstrukturen zusammengefügt werden können. Begleitende Ökobilanz- und Kostenanalysen sollen zeigen, wie die neue Technologie gegenüber Stahl- und Beton‑Konzepten abschneidet und wo weiteres Einsparpotenzial liegt.

Das Fraunhofer IWES erstellt zunächst ein Lastenheft, um typische Wind‑, Wellen- und Umgebungsbedingungen für Floating-WEA festzuhalten. Mit den eigenen Simulationswerkzeugen MoWiT und PyWiT wird die Floater-Geometrie optimiert: Form, Abmessungen und Materialaufbau werden so gewählt, dass die Anlage schwimmstabil ist und Lasten minimiert werden. Auf dieser Basis berechnet das Fraunhofer IWES dann Lasten und Lebensdauer der FVK-Struktur. Anschließend wird ein skalierter Floating-Demonstrator entworfen, der aus den neuen FVK-Sandwich-Paneelen aufgebaut und am Testzentrum Tragstrukturen in Hannover unter realistischen Belastungen geprüft wird. Die gewonnenen Messdaten dienen dazu, die Berechnungsmodelle zu überprüfen und zu verfeinern.

Mehrwert  

Die im PREPARE-Projekt MoGeSa entwickelte Fertigung ermöglicht den Einsatz von FVK an Floating-WEA. Dadurch werden Herstellungskosten gesenkt, der ökologische Fußabdruck verkleinert und Wartungsaufwände reduziert. Am Ende steht eine signifikante Steigerung der Effizienz, Langlebigkeit und Nachhaltigkeit von Floating-WEA und damit der Offshore-Windenergie.

Die Technologie ist jedoch nicht auf den Einsatz in Windenergieanlagen limitiert, sondern kann überall eingesetzt werden, wo leichte, stabile, kosteneffiziente und umweltfreundliche Großstrukturen gefragt sind: unter anderem im Infrastruktur-, Bau-, Bootsbau- und Caravan-Sektor.