Forschungsspektrum: Unsere Expertise in der Wissenschaft

Ausfälle von Windenergieanlagen (WEA) verursachen erhebliche Reparaturkosten und Ertragsausfälle. Der Zuverlässigkeit der Anlagen und ihrer Komponenten – insbesondere solcher mit hohen Ausfallraten – kommt daher eine zentrale Bedeutung bei der weiteren Senkung der Stromgestehungskosten zu. Ziel unserer Forschungsarbeiten ist daher zum einen, den Ausfallursachen auf den Grund zu gehen, um wirksame Verbesserungsmaßnahmen im Bereich von Komponentendesigns, Testverfahren oder der Betriebsführung initiieren zu können. Zum anderen entwickeln wir Zuverlässigkeitsmodelle, die das Ausfallverhalten der Anlagenkomponenten beschreiben und den Einfluss von Designaspekten, Betrieb und Umgebungsbedingungen abbilden.

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Zur Planung und Entwicklung von Offshore-Windparks ist die Bewertung geologischer Untergrundbedingungen unerlässlich. Sie ist der Schlüssel zur Bestimmung geotechnischer Entwurfsparameter für die Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen. Für ihre Installation können Findlinge und andere geologische Merkmale Risiken darstellen. Das Fraunhofer IWES hat verschiedene mehrkanal-seismisches Messverfahren speziell für den Flachwassereinsatz in der Offshore-Windindustrie entwickelt. Es führt u. a. umfangreiche Forschungs- und Industrieprojekte im Bereich der ultrahochauflösenden Seismik und der geologischen Modellierung durch. Zudem betreibt es ein flexibles 2D/3D-UHR-Mehrkanalseismiksystem zur effizienten Erstellung von hochauflösenden Bodenmodellen. Eine weitere innovative Technologieentwicklung ist das neuartige Manta-Ray-G1-Messsystem, welches eine gezielte Risikobewertung von Offshore-Baugründen erlaubt.

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Für die Lastrechnung von Windenergieanlagen und die Echtzeitsimulation in einer Hardware-in-the-Loop-Umgebung hat das Fraunhofer IWES ein Simulationsmodell (MoWiT) entwickelt. Dabei lassen sich WEA-Komponenten wie Strukturkomponenten, Aerodynamik, Anlagenregelung u. v. m. berücksichtigen. Für den Triebstrang etwa werden via Kopplung mit der Gesamtanlagensimulation beliebige Betriebszustände mit einem erhöhten Detailgrad simuliert. Die Lastverteilung im Großlager wird zuverlässig durch Finite-Elemente-Berechnungen ermittelt. Mittels maßgeschneiderter mechanischer Modelle hilft das IWES, die Effizienz und die Verlässlichkeit der Trag- und Gründungsstrukturen zu steigern.

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Für die zuverlässige Analyse von Windstandorten ist eine umfassende Modellierung entscheidend. Das Fraunhofer IWES setzt sogenannte Mesoskalen-Simulationen ein, um für große Gebiete präzise Zeitreihendaten zu erzeugen. Mit diesen Daten lassen sich Forschungsfragen zum Einfluss von meteorologischen Bedingungen auf Windparks untersuchen. Topographische Einflüsse wie Bodenbeschaffenheit, Landnutzung, Waldbewuchs u. a. lassen sich in dreidimensionalen Rechengittern mit typischen Auflösungen von 1-100 m darstellen. Für jeden Windrichtungssektor werden mittels numerischer Strömungsrechnung (CFD) die Wind- und Turbulenzfelder gelöst, um daraus das Windpotential zu ermitteln. Weitere Schwerpunkte im IWES-Portfolio: Modellierungen von Nachlaufeffekten in Windparks, WEA-Aerodynamiksimulationen, Fluid-Struktur-Interaktion und Aeroakustik.

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Am IWES ist die virtuelle Prüfung Teil der physischen Prüfung. Sie dient vornehmlich der präzisen und effizienten Realisierung konventioneller Prüfungen sowie der Neuentwicklung innovativer Prüfmethoden. Mittels virtuellen Prüfstands und skalierten Großversuchen etwa gelingt es am IWES, auch extrem große Bauteile wie Tragstrukturen für Windenergieanlagen präzise zu analysieren. Digitale Zwillinge helfen dabei, Veränderungen an der Versuchsgeometrie, der Belastung oder auch den geotechnischen Gegebenheiten schnell und kostengünstig zu bewerten. 

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Zur Vermessung kleinskaliger turbulenter Windfelder bis hin zur mehrjährigen Erfassung der Windressource an einem Standort nutzt das Fraunhofer IWES unterschiedliche Technologien. Dabei kommen Fernerkundungsverfahren wie LiDAR (Engl. Light Detection And Ranging) standardmäßig zum Einsatz. Für die Entwicklung innovativer Messkonzepte berücksichtigt das IWES unter anderem die Reichweite und zu erfassende Skalen sowie den Einsatz kosteneffizienter Messinstrumente. Zur Erhebung finaler Windfeld- und Windressourcendaten setzt das IWES zudem verschiedene Methoden des Datenprozessierens und der Windfeldrekonstruktion ein. Weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Erfassung zusätzlicher atmosphärischer Parameter, basierend auf den Windmessungen sowie ergänzenden Messgrößen zur bestmöglichen Windressourcen- und Standortbewertung.

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