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Cover
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Baugrunderkundung
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Elektrische Komponenten und Systemvalidierung
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Elektrolyseurvalidierung und -qualifizierung
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Gesamtanlagenvermessung und Simulationen
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Prüfung und Systemvalidierung mechanischer Großkomponenten
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Rotorblätter
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Windmessung und -modellierung
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Zuverlässigkeit, Monitoring und Ertragsanalyse
Fraunhofer IWES: Angewandte Forschung Baugrunderkundung ............................................................................................................................................ 16 Elektrische Komponenten und Systemvalidierung ....................................................................................... 20 Elektrolyseurvalidierung und -qualifizierung ............................................................................................... 24 Gesamtanlagenvermessung und Simulationen ............................................................................................. 28 Prüfung und Systemvalidierung mechanischer Großkomponenten ......................................................... 32 Rotorblätter ............................................................................................................................................................ 38 Windmessung und -modellierung ..................................................................................................................... 42 Zuverlässigkeit, Monitoring und Ertragsanalyse ........................................................................................... 46
Das Leitungsteam (v. l. n. r.): Prof. Dr.-Ing. Jan Wenske, stellvertretender Institutsleiter und Chief Technology Officer, Jenny Kuball, Chief Financial Officer, Dr. Bernhard Lange, stellvertretender Institutsleiter und Chief Technology Officer, Prof. Dr.-Ing. Andreas Reuter, Institutsleiter und Christian Broer, Chief Operating Officer Liebe Leserinnen und Leser, den Wind optimal zu nutzen, ist eine zukunftsweisende, aber auch komplexe Aufgabe. Im Fraunhofer IWES stellen Expertinnen und Experten aus verschiedensten Disziplinen ihr profundes Wissen in den Dienst der Verbesserung von Performance und Wirtschaftlichkeit. Unsere Kompetenz- schwerpunkte Offshore, Wasserstoff, Prüfinfrastruktur und Digitalisierung eröffnen Kunden Möglichkeiten, gemeinsam spezifische Fragestellungen zu beantworten. Dabei ist für uns das konkrete Interesse unserer Kunden das Maß der Dinge: Grenzen verschieben und technisch möglich machen, was sie voranbringt. Unsere einzigartige Prüfinfrastruktur und Messtechnik wurde auf das rasante Größenwachstum in der Wind- branche angepasst und um digitale Prüfmethoden er- weitert. Neue Messmethoden unterstützen die rasante Entwicklung der Offshore Windenergienutzung. Wir sind bereit, mit Ihnen unkonventionelle Lösungen zu entwickeln und die nächsten Schritte zu gehen. Von der Analyse der Windverhältnisse bis zur Netzeinspeisung und der Wasserstofferzeugung profitieren Sie bei uns 10 von weltweit einmaliger Prüfinfrastruktur und jahrelanger Erfahrung, um eine resiliente und zukunftsfähige Energie- versorgung sicherzustellen. Wir sind an Ihrer Seite, wenn Sie die Möglichkeiten für die Zukunft ausloten und neue Wege beschreiten. Angewandte Forschung ist ein wichtiger Impulsgeber und kann syste- mische Herausforderungen identifizieren und überwinden. Gemeinsam wollen wir mit Ihnen an der Vision einer nachhaltigen Energieversorgung für eine lebenswerte Umwelt arbeiten. Eine innovationsstarke europäische Wind- und Wasserstoffindustrie sind unser Antrieb. Prof. Dr.-Ing. Andreas Reuter Institutsleiter
Kurzprofil Das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES betreibt anwendungsorientierte Forschung für eine nach- haltige Zukunft. Windenergie ist dabei das Rückgrat unserer Energieversorgung – als erneuerbarer Strom oder in Form von Wasserstoff – und basiert auf einer technologisch hoch- entwickelten Anlagentechnik, die auch das Ergebnis einer Vielzahl innovativer Forschungsprojekte am Fraunhofer IWES ist – vom Planungsprozess, der Entwicklung, der Errichtung sowie dem Betrieb, der Überwachung der Anlagen, der Reparaturprozesse, der Lebensdauer bis hin zum Abbau und der Wiederverwertung aller Komponenten. Die Fokusthemen des Fraunhofer IWES sind: Offshore, Wasserstoff, Prüfinfrastruktur und Digitalisierung. Die For- schungsarbeit in zukunftsrelevanten Schlüsseltechnologien spielt im Innovationsprozess eine zentrale Rolle und stärkt durch den Transfer der Forschungsergebnisse in die Industrie den Wirtschaftsstandort zum Wohle unserer Gesellschaft. Das Fraunhofer IWES hat eine innovative Prüfinfrastruktur zum Testen und Validieren von Windenergieanlagen und Elektrolyseuren aufgebaut. Das Institut unterstützt die Industrie bei der Entwicklung neuer Produkte und Systeme und optimiert fortlaufend die Validierungsmethodik. Mehr als 400 Mitarbeitende in Wissenschaft und Verwaltung an neun Standorten entwickeln innovative Methoden, um den Ausbau der Windenergie- und Wasserstoffwirtschaft zu beschleunigen, die Risiken zu minimieren und die Kosten- effizienz zu steigern. MEHR INFO WISSENS wert Bremerhaven Leer Oldenburg Bochum Hamburg Bremen Hannover Leuna Görlitz 11
Prüfinfrastruktur 2009 bis 2026 Baugrund- erkundung Bremen 1. Lidar- Messboje Bremerhaven Testzentrum Tragstrukturen Hannover DyNaLab Bremerhaven BladeMaker Bremerhaven 2009 2011 2012 2013 2014 2015 2016 70 m Rotor- blatthalle 90 m Rotor- blatthalle Bremerhaven Engineering- Gebäude Anwendungs- zentrum für Feldmessungen Bremerhaven MESS bar
Großlager- prüfstand Hamburg HiL-GridCoP Bremerhaven Hydrogen Lab Leuna Hydrogen Lab Bremerhaven Mobile Grid Bremerhaven Windpark RADAR Bremerhaven ENGEL Bremerhaven 2019 2020 2021 2023 2024 2025 2026 Anwendungszentrum für Integration lokaler Energiesysteme Hamburg 115 m+ Rotorblatt- prüfstand Bremerhaven PQ4Wind Bremerhaven Forschungsplattform für mittelgroße Windenergieanlagen Bremerhaven Mit unseren Kompetenzen auf den Forschungsgebieten der Windparkentwicklung, Baugrunderkundung, Vermessung der Windbedingungen sowie Erzeugung und Nutzung von grünem Wasserstoff leisten wir einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung. Seit der Gründung des Fraunhofer IWES 2009 ist unsere Prüfinfrastruktur stetig gewachsen. Es können großmaß- stäbliche Tests zur Modellvalidierung neuer Rotorblatt-, Gondel-, Tragstrukturen- und Lagerdesigns sowie zur elektrischen Netzintegration durchgeführt werden. Mit dem Aufbau und Betrieb von Hydrogen Labs entsteht erstmalig eine digital vernetzte Infrastruktur mit Test- und Qualifizierungs kapazitäten der für die Energiewende notwendigen Elektrolyse- und Brennstoffzellensysteme. Dabei handelt es sich um Testfelder zur Überprüfung der Effizienz und Zuverlässigkeit des Betriebs von Elektro- lyseuren in Verbindung mit erneuerbaren Energien.
Fraunhofer IWES-Fokusthemen Vielversprechende Optimierungspotenziale Die größten Potenziale für weitere Steigerungen im Bereich der technologischen Effizienz und verläss- lichen Energieversorgung liegen mittel- und langfris- tig in der konsequenteren Nutzung der Windenergie. Die Politik hat hier die Weichen gestellt – nicht zuletzt durch ebenso notwendige wie gut angelegte For- schungsgelder. Künftig wird der Fokus insbesondere auf dem klimafreundlichen Ausbau von Offshore- Windenergieanlagen sowie der wachsenden Nutzung von grünem Wasserstoff liegen. Das Fraunhofer IWES ist für die Zukunft gut gerüstet. Mit einer zielorien- tierten Gesamtstrategie stellen wir uns den Heraus- forderungen der dynamischen Politik und setzen unter anderem auf zusätzliches Fachpersonal, New Work Konzepte und standortübergreifende Kooperationen. Fokusthema Offshore Mit belastbaren Standortuntersuchungen erfolgreicher Die Realisierung von Offshore-Windparks erfordert um- fassende Kenntnisse der Umweltbedingungen am ausge- wählten Standort. Nur so kann das Projekt ein finanzieller Erfolg werden. Das Fraunhofer IWES führt Windmessungen und -modellierungen, die Ermittlung geologischer Boden- charakteristika sowie seismische Vermessungen des Bau- grunds für Offshore-Windparks durch. Innovative Techno- logien, die in Machbarkeitsstudien, Datenanalysen und realen Offshore-Einsätzen erprobt wurden, werden für belastbare Standortuntersuchungen eingesetzt. Offshore Windparkentwicklung mit innovativen Messmethoden Profunde Erfahrung bietet das Fraunhofer IWES für die Ent- wicklung von Offshore-Windparks von der Modellierung der Windverhältnisse über Windmessungen bis hin zur Bodenerkundung und geologischen Baugrundmodellen. Mittels Computational-Fluid-Dynamics (CFD)-Modellen werden die Offshore-Windbedingungen und relevanten atmosphärischen Eigenschaften entsprechend nachgebildet. Die Auswirkungen vorhandener Windparks werden dabei miterfasst. Für die Offshore-Windmessungen kommen schwimmende Lidar-Systeme zum Einsatz. Sie entsprechen den höchsten internationalen Standards und bieten darüber hinaus innovative Services für die Windparkentwicklung. Zur Bodenerkundung hat das Fraunhofer IWES geologische 2D- und 3D-Untersuchungen mit ultrahochauflösender Mehrkanalseismik entwickelt und zur Marktreife gebracht. Alle in Deutschland zentral voruntersuchten Windpark- flächen wurden vom Fraunhofer IWES mit diesem Verfahren vermessen. Ein weiteres spezielles Einsatzfeld ist die Find- lings-Detektion, die mithilfe von patentierten refraktions- seismischen Methoden durchgeführt wird. Mit Fraunhofer IWES: Kosteneffiziente Planung und Entwicklung Ein leistungsfähiges Projekt- und Risikomanagement bildet die Grundlage für eine erfolgreiche und kosteneffiziente Planung, Errichtung sowie den Betrieb von Offshore-Wind- parks. In der Planungs- und Ausführungsphase bietet das Fraunhofer IWES Projektplan- und Wetterrisikoanalysen an, um potenzielle Risiken frühzeitig zu identifizieren und zu bewerten. Darüber hinaus unterstützt das Fraunhofer IWES Partner bei der Entwicklung neuer Technologien, um effektiv das Potenzial der direkten Offshore-Erzeugung von grünem Wasserstoff und anderen Power-to-X-Produkten zu nutzen.
Fokusthema Prüfinfrastruktur Markenzeichen des Fraunhofer IWES Großprüfstände für die realitätsnahe und beschleunigte Lebensdauerprüfung sind Markenzeichen des Fraunhofer IWES. Neben Prüfständen für Rotorblätter, Blattsegmente, Blattlager, Gondeln, Netzintegration elektrischer Systeme und Tragstrukturen gehören Prüfeinrichtungen für Elektrolyseursysteme und Komponenten zum Portfolio. Kontinuierliche Investitionen in neue Prüfstände Große Komposit-Bauteile und mechanische Komponenten werden ebenso betrachtet wie komplexe Umwelteinflüsse, zuverlässigere Netzintegration, Leistungselektronik im Megawattbereich sowie die elektrischen Systemeigen- schaften. Verschiedene Betriebsszenarien, Schadensmecha- nismen und angepasste Schutzkonzepte werden untersucht sowie Modelle durch den Abgleich mit experimentellen Tests validiert. Das Fraunhofer IWES investiert nicht nur kontinuierlich in neue Prüfstände für steigende Bauteil- größen, sondern bietet auch Segmenttests, skalierte Tests und virtualisierte Prüfungen an. Kostenreduktion durch frühestmögliche Validierung Das Größenwachstum und der weitere Ausbau von Wind- energieanlagen lassen generell die Anforderungen an die technische Zuverlässigkeit weiter steigen. Beschleunigte Markteinführung, die Nutzung einer Plattform für mehrere Anlagentypen, die Professionalisierung der Windparkbetrei- benden und höhere Kosten bei Ausfällen an Offshore- Turbinen sprechen für eine umfassende Validierung bereits vor Betriebsbeginn. Hinzu kommt die steigende Komplexi- tät durch die Kopplung mit Systemen der Wasserstoff- wertschöpfungskette. Modulare Prüfungen und die präzise Charakterisierung von Multi-Domänen-Eigenschaften sowie die experimentelle Validierung – sektorübergreifend – sind aufgrund des langjährigen Know-hows und der einmaligen Ausstattung am Fraunhofer IWES möglich. Dabei nutzen unser Experten unterstützend bereits alle technologischen Möglichkeiten der fortschreitenden Digitalisierung. Neben den klassischen 1:1-Tests von Subsystemen und Kom- ponenten werden skalierte 1:X-Prüfungen realisiert. Außer- dem arbeiten wir an neuen hybriden Testmethoden mit Messungen und Modellvalidierungen lediglich im Teillastbe- reich, welche anschließend der experimentell abgesicherten Extrapolation über den gesamten Betriebsbereich dienen.
Fokusthema Wasserstoff Klimaziele erreichen durch zuverlässigen Betrieb Die Produktion von grünem Wasserstoff zur Dekarbonisie- rung und Defossilisierung industrieller Prozesse leistet einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele. Außerdem kann durch eine intelligente Integration ein wertvoller Bei- trag für die Energiespeicherung und Stromnetzstabilisierung geleistet werden. Um die Risiken einer Hochskalierung der Wasserstoffproduktion zu minimieren, ist der zuverlässi- ge Betrieb von Elektrolyseuren und Systemen entlang der H2-Wertschöpfungskette ein zentraler Punkt. Der anstehende Hochlauf und damit verbunden der steigen- de Bedarf an Elektrolysekapazität stellt nicht nur Hersteller, sondern auch zukünftige Betreiber vor Herausforderungen. Produktionsverfahren, Mess- und Überwachungsverfahren sowie Integrationskonzepte lassen sich nicht ohne Weiteres von der Manufaktur in industrielle Dimensionen hoch- skalieren. Drei Hydrogen Labs mit unterschiedlichen Schwerpunkten Die Einbettung ins Energiesystem sowie in industrielle Prozesse stellen Herausforderungen an das Einsatzverhalten und an die Betriebsmodelle. Das Fraunhofer IWES unter- hält daher drei Hydrogen Labs für Test und Validierung wasserstoffrelevanter Komponenten entlang der Wert- schöpfungskette: von der Erzeugung mittels Elektrolyse, über Speicherung und Anwendung in PtX-Prozessen oder Brennstoffzellen. Somit unterstützt das Fraunhofer IWES die Industrie bei der Etablierung einer nachhaltigen Wasser- stoffwirtschaft. Die Hydrogen Labs weisen unterschiedliche Schwerpunkte auf: Im Hydrogen Lab Leuna kann durch die Integration in einen Chemiestandort die Defossilisierung von Prozessen der chemischen Industrie praxisnah erprobt werden. In Bremerhaven wird die Kopplung von Wasserstoff- erzeugung und Windenergiegewinnung sowie die Netzkompatibilität von Elektrolyseuren untersucht. Die Versorgungssicherheit kann somit auch bei einem hohen Anteil erneuerbarer Energien im Netz sicherge- stellt werden. Darüber hinaus spielt auch die Wasser- versorgung eine Rolle. Das Hydrogen Lab Görlitz konzentriert sich auf die De- karbonisierung der Industrie. Hier können Prototypen für jede Phase der Power-to-H2-to-Power-Wertschöpfungs- kette getestet werden. Durch die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWU lassen sich wertvolle Erkenntnisse über die entsprechenden Produktionsprozesse gewinnen. Prüfangebote unterschiedlicher Größenordnungen und Belastungen Das Angebot reicht von der Stack-Prüfung im Bereich von 45 kW bis zur mehreren MW-Prüfkapazität für den Betrieb unter Realbedingungen. Dynamische Belastungen werden ebenso nachgestellt wie Umweltbedingungen und mechanische Lasten. Digitale Simulationen begleiten den Prozess, beschreiben Vorgänge und dienen der Optimierung techno-ökonomischer Kennzahlen. Übergreifend finden Analysen statt, um Methoden und Testabläufe für Elektro- lyseur-Materialien sowie Komponenten zu entwickeln und im Labormaßstab anzuwenden. Auch Echtzeitüberwachung der H2- und O2-Reinheit, Qualitäts- und Sicherheitskontrolle, Spurenanalytik, parallele Prozesssimulation zur Bewertung und Optimierung von Parametern sind Teile des Angebots. Das Fraunhofer IWES kann auf die langjährige Expertise in Standardisierungsfragen im Windbereich zurückgreifen. Die Partnerschaften mit und das Know-how von weg- weisenden Institutionen und Unternehmen ermöglichen dem Fraunhofer IWES, standardisierte Prüfabläufe für Wasserstofftechnologien zu entwickeln. +
Optimierungsszenarien mit Open Source Software von Fraunhofer IWES Neben unterschiedlicher intern genutzter Software stellt das Fraunhofer IWES externen Nutzern Open Source Software zur Strömungsdynamik bereit. Die Software FOXES, eine modulare Windpark-Simulations- und Nachlaufmodellie- rungstoolbox, sowie iwopy, ein Framework zur Kopplung verschiedener Optimierungsmodule, bilden zusammen die Basis zur Berechnung verschiedener Optimierungsszenarien der Windenergienutzung. Die Anwendungsfälle reichen von der Windparkoptimierung (z. B. Layoutoptimierung oder Nachlaufsteuerung) über Post- Construction-Analysen bis hin zu Studien, Vergleichen und der Validierung von Wake-Modellen. Auch in Zukunft sind weitere Open-Source-Veröffentlichungen geplant. Fokusthema Digitalisierung Lösungen für jeden Forschungsbereich Die Digitalisierung ist ein rasanter, deutlich spürbarer Prozess in der Industrie – auch in der Windenergie- und Wasserstoff- branche. Durch seine komplexen Forschungsthemen bietet das Fraunhofer IWES in jedem Bereich digitale Lösungen. Neben Standards wie Data Monitoring haben auch Themen wie Big Data und der digitale Zwilling Einzug in die For- schung gehalten. Sie werden in vielen unterschiedlichen wissenschaftlichen Themenbereichen genutzt und weiter- entwickelt. Digitale Prüfstände für nicht-physische Prüfmethoden Ein großer Fokus des Fraunhofer IWES liegt unter anderem auf den digitalen Prüfständen. Die physischen Prüfstände werden genutzt, um numerische Modelle zu entwickeln und mit experimentellen Tests vollständig zu validieren. Das ermöglicht die Entwicklung neuer, nicht-physisch möglicher Prüfmethoden. Im Dynamic Nacelle Testing Laboratory (DyNaLab) beispiels- weise kann ein mechanischer Test beschrieben werden. Der parallel entwickelte virtuelle Gondelprüfstand stellt dabei die Gondel, die umgebende Prüfinfrastruktur und die Hilfssysteme dar. Der virtuelle Gondelprüfstand kann auch die Auswirkungen elektrischer Tests auf die mechanische Struktur abbilden. Digitale Lösungen für Planung und Betrieb von Windparks Mit dem IWES Digital Hub bündeln wir unsere digitalen Kompetenzen auf einer zentralen Plattform in Form von digitalen Services. Der IWES Digital Hub erleichtert den Zugang zu ausgewählten Software-Tools, die am Fraunhofer IWES entwickelt, validiert und getestet werden, und macht so die Planung, Auslegung und den Betrieb von Windparks effizienter. FORSCHER geist
Fraunhofer IWES: Angewandte Forschung Das Fraunhofer IWES betreibt Prüfstände für Rotorblätter, Großlager, Tragstrukturen, Gondeln sowie Materialtestlabore, um neue Designs experimentell zu analysieren und mit Computermodellen abzugleichen. Zudem führen die Wissen- schaftlerinnen und Wissenschaftler Messungen an Anlagen im Betrieb durch und erfassen Wind, Wellen, Strömung, Stromer- träge und die resultierenden Lasten mit innovativen Verfahren. Das Institut unterstützt den benötigten Markthochlauf von Wasserstoff-Technologien und verfügt über Test- und Qualifi- zierungskapazitäten der dazu notwendigen Elektrolyse- und Brennstoffzellensysteme. Das Fraunhofer IWES gestaltet die Zukunft durch technologischen Fortschritt und steht für eine nachhaltige Entwicklung zum Wohle der Gesellschaft.
T IEFgründig Baugrunderkundung Effiziente Baugrunderkundung für Offshore-Windparkprojekte Das Fraunhofer IWES ist das weltweit führende Institut in der Entwicklung und Durchführung von höchstauflösenden seismischen Vermessungen für Windparkprojekte sowie der Datenbearbeitung und -interpretation bis hin zur Erstellung von Baugrundmodellen. Die Planung und Installation von Fundamenten für Offshore-Windenergieanlagen verursachen einen signifikanten Anteil der Gesamtkosten von Windparks. Das detaillierte Verständnis des Baugrundes auf See ist Basis für die Wahl von Fundamenttyp, Design und Installationsplanung der Fundamente. Die optimale Abbildung der geologischen Strukturen in den obersten 100-200 m unter dem Meeresboden durch geo- physikalische Methoden steht dabei an erster Stelle. Mittels geotechnischer Beprobung der Schichten wird anschließend ein integriertes Baugrundmodell durch die Verknüpfung seismischer und geotechnischer Daten erstellt. Für die Installation ist zudem die Ausweisung und Reduzierung der Installationsrisiken entscheidend, etwa durch Findlinge in glazialen Ablagerungen. 20
Unsere Leistungen: Offshore 2D/ 3D seismische Baugrunderkundung Offshore seismische Vermessungen zur Findlingsdetektion im Baugrund Erstellung von integrierten Baugrund- modellen auf Basis geophysikalischer und geotechnischer Daten Bearbeitung und Auswertung von mehrkanalseismischen Datensätzen Unterstützung und Beratung bei Fragen zur Baugrunderkundung
Baugrundmodelle reduzieren die Risiken bei der Installation von Offshore-Windenergieanlagen. Mehrkanalseismische Vermessungen als Basis der Baugrunderkundung Die Erstellung eines Baugrundmodells beginnt mit der detaillierten Abbildung des Baugrundes mittels geophysi- kalischer Methoden. Basis dafür ist eine erstklassige Ver- messungskampagne mit mehrkanalseismischen Methoden. Das Fraunhofer IWES verfügt über ein spezialisiertes Vermessungssystem für die ultra-hochauflösende (UHR) seismische Datenakquisition. Es beinhaltet angepasste und modulare seismische Streamersysteme, hochfrequente seismische Signalquellen (Sparker) und hochgenaue Positionierungslösungen. Am Fraunhofer IWES werden seismische Technologie und Vermessungstechnik konti- nuierlich optimiert. 22 Daten verarbeiten wir mit von uns speziell für die UHR-Seis- mik entwickelten Algorithmen. Wachsende Rechenkapazi- täten erlauben bessere Datenbearbeitungsroutinen und höhere Abbildungsqualität. Ein Fokus liegt auf hochauf- lösenden seismischen Datensätzen aus Flachmeergebieten: hochgenaue Rekonstruktion der Aufnahmegeometrie, Kompensation der Wellenbewegungen, optimierte Signal- charakteristika, Unterdrückung von multiplen Reflexionen. Am Ende entsteht ein initiales Untergrundmodell der Wind- parkflächen. Die Praxistauglichkeit des Systems wurde in vielen kommerziellen Vermessungen von Windparkflächen nachgewiesen. Insbesondere wurden alle in Deutschland zentral vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) voruntersuchten Windparkflächen vom Fraunhofer IWES mit diesem Verfahren vermessen.
Mit Daten und Modellen die Baugrund- komplexität darstellen Aus dem initialen Untergrundmodell wird mittels Integra- tion lokaler geotechnischer in-situ Daten ein geologisches Baugrundmodell entworfen. Zur lateralen Kartierung geo- logischer Strukturen werden profilhafte seismische Daten mit geotechnischen Daten z. B. Cone-Penetration-Testing (CPT) kombiniert. Ergebnis: die anschauliche Darstellung der Untergrundverhältnisse sowie detaillierte Charakterisierung der Baugrundeigenschaften. Diese Modelle sind wichtige Planungsgrundlagen für die Entwicklung von Offshore-Windparks. In einem integrierten Baugrundmodell können lokale geotechnische Parameter flächendeckend modelliert werden. Demgegenüber erlau- ben Methoden der Inversion die Ableitung geotechnischer Parameter direkt aus den geophysikalischen Datensätzen. Zur Planung und technischen Designanwendung werden synthetische CPT-Profile erzeugt. Geotechnische Labor- ergebnisse können überdies mittels sogenannter standort- spezifischer Korrelationsfunktionen in das Modell integriert werden. So lassen sich weitere designrelevante geotechni- sche Parameter erzeugen. Die Offshore-Windindustrie erhält dadurch zuverlässige geotechnische Baugrund- eigenschaften für das technische Design der Windenergie- anlagen-Fundamente. Die Erstellung synthetischer CPT- Profile zur Unterstützung der Verschiebung von Fundament- Standorten wurde kommerziell durchgeführt und von der Zertifizierungsstelle akzeptiert. Findlingsdetektion: Minimierung von Installationsrisiken im Baugrund MEHR INFO Geologische Risiken zur Installation von Fundamenten treten in vielfältigen Formen auf. Unter anderem sind große Steine aus glazialen Ablagerungen ein signifikantes Installations- hindernis. Zur zuverlässigen Kartierung solcher Findlinge im Baugrund hat das Fraunhofer IWES ein patentiertes System basierend auf Diffraktionsseismik entwickelt. Das neuartige Vermessungssystem nutzt mehrkanalseismische Methoden zur Lokalisierung von Objekten durch die Abbildung von Diffraktionsenergie. Die identifizierten und lokalisierten Objekte werden in ein lokales Baugrundmodell eingebunden und für eine Risiko- kartierung im Nahbereich von geplanten Anlagenstand- orten und Kabelkorridoren (~100 m) mittels Micrositing dokumentiert. Das Fraunhofer IWES hat Vermessungen dieser Art erfolgreich in kommerziellen Projekten in der Ostsee durchgeführt. Die Kartierung von Findlingen im Meeresboden erfolgt passgenau entsprechend der jeweiligen Projektanforderungen. Das Fraunhofer IWES eröffnet mit einer unkonventionellen patentierten Technologie neue Möglichkeiten auf dem Gebiet der Standortbewertung und integrierten Objektdetektion. 23
ANT RIEBSstark Elektrische Komponenten und Systemvalidierung: Mit IWES-Forschung die Netzverträglichkeit sichern Kontinuierlich wachsende Offshore-Windenergieanlagen bringen bisherige Test- einrichtungen zur Prüfung ihrer Netzeigenschaften an ihre Grenzen. Daher hat das Fraunhofer IWES zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften im Multi-Megawatt- Bereich einen Mobile-Grid-Emulator mit einer installierten Umrichterleistung von 80 MVA entwickelt. Zudem kooperiert das Fraunhofer IWES eng mit dem IALB der Universität Bremen, das das HiPE-LAB betreibt. Die einzigartige Einrichtung dient dem multimodalen Testen von Umrichtern bis zu 10 MVA unter Überlagerung von klimatischen und elektrischen Lasten, um die notwendige technische Zuver- lässigkeit nachzuweisen bzw. zu optimieren.
Systemtechnik Ermittlung elektrischer Eigenschaften im Multi-Megawatt-Bereich MEHR INFO Das Fraunhofer IWES bietet Prüfungen der Netzverträglichkeit zur Zertifizierung der elektrischen Eigenschaften neuer Windenergieanlagen z. B. Fault-Ride-Through (FRT) und ihrer Komponenten an. Zu diesem Zweck bedient es sich eines weltweit einmaligen virtuellen Netzes sowie Nieder- und Mittelspannungsnetz-Emulatoren im Leistungsbereich bis zu 44 MVA. Durch den Einsatz eines virtuellen Netzes können alle typischen Netzfehler nachgebildet werden. Dieser Ansatz ermöglicht aber ebenso die Durchführung statischer Tests, um zum Beispiel die Wirk- und Blindleistungsabgabe bei unterschiedlichen Netz- zuständen zu erfassen und transiente Netzereignisse zu emulieren. 2015 wurde Deutschlands größter Prüfstand für komplette Gondeln von Windenergie- anlagen, einschließlich Testmöglichkeiten für Generatoren, in Betrieb genommen. Das Dynamic Nacelle Testing Laboratory (DyNaLab) bietet ein realitätsnahes Testumfeld für Gondeln. Der 2021 in Betrieb genommene Prüfstand Hil-GridCop ermöglicht Umrichter- Generator-Tests im Multi-Megawatt-Bereich, durchgeführt als aussagefähige, zertifizier- bare Labortests sowie Netzintegrationstests. Mit einer Antriebsleistung von 10 MW werden einmalige Prüfleistungen zur Prototypen-Validierung hier speziell für Onshore- Windenergieanlagen angeboten. Das Fraunhofer IWES verfügt außerdem über die Möglichkeit, elektrische Eigenschaften von Frequenzumrichtern zu analysieren. Der sogenannte PQ4Wind-Prüfstand wird für Vermessungen im höherfrequenten Frequenzbereich zur Bestimmung der Power Quality eingesetzt. Die immer größer werdenden Offshore-Windenergieanlagen bringen bisherige Testeinrichtungen zur Prüfung der Netzeigenschaften an ihre Grenzen. Daher hat das Fraunhofer IWES einen mobil einsetzbaren Netzemulator entwickelt, den Mobile-Grid- Emulator mit einer installierten Umrichterleistung von 80 MVA. Mit dessen Hilfe können die elektrischen Eigenschaften für Windenergieanlagen und ihre Fähigkeiten, das Stromnetz bei Fehlern zu stützen, im Feld überprüft werden (z. B. an Standorten für Prototypen). 2026 entsteht am Fraunhofer IWES eine weltweit einmalige Testkapazität für die Netzintegra- tion zukünftiger Offshore-Windenergieanlagen mit einer Nennleistung von bis zu 30 MW. Der Prüfstand HiL-GridCoP testet Minimalsysteme von Windenergieanlagen und reduziert dank automatisierter Testdurchführung Zeit- und Kostenaufwand bei der Markteinführung. Unsere Leistungen: Vermessung der elektrischen Eigen- schaften von Windenergieanlagen on- und offshore, Batterien, BHKW und Elektrolyseure Hochdynamische Qualifizierung von Umrichtern (bzw. deren Regelung) Vermessung der elektrischen Eigen- schaften von Prototypen im Feld mithilfe eines mobilen Netzemulators
Ein besseres Verständnis der Ausfallursachen ist unabdingbar, um wirkungsvolle Schutzmaßnahmen zu entwickeln, und damit die Wirtschaftlichkeit des Anlagenbetriebs zu optimieren. Unsere Leistungen: Ableitung von Prüfverfahren aus umfangreichen Feldmessungen Identifizierung relevanter Prüfzyklen und Parameter Analyse von Felddaten aus Umrichtern von mehr als 10.000 Windenergieanlagen und vielen Klimazonen Unabhängige Begutachtung und labortechnische Analyse Technische Zuverlässigkeit Anwendungsspezifische Zuverlässigkeitsprüfung von leistungselektronischen Systemen Frequenzumrichter sollten so konstruiert sein, dass sie ihren typischen Betriebsbedingungen standhalten. In der Praxis sind sie jedoch einer Vielzahl von Einflüssen ausgesetzt, die zu frühen Ausfällen führen können. In der Windenergie zum Beispiel liegt die Ausfallrate von Frequenzumrichtern bei bis zu 0,5 schadensbedingten Ausfällen pro Windenergieanlage und Jahr. Da Feuchtigkeit zu den Hauptursachen für Ausfälle von Frequenzumrichtern zählt, haben wir ein Labor eingerichtet, um die Produkte unserer Kunden – von Leistungsmodulen bis zu ganzen Umrichtersystemen – unter möglichst realen, standortspezifischen Bedingungen zu validieren. Bei der Nutzung des HiPE-LAB kooperiert das Fraunhofer IWES eng mit dem Laborbetreiber, dem IALB der Universität Bremen. In der einzigartigen Einrichtung lassen sich Umrichter bis zu 10 MVA unter einer Überlagerung von anwendungsspezifischen klimatischen und elektrischen Lasten testen. MEHR INFO 27
ZUKUNFTSweisend Elektrolyseurvalidierung und -qualifizierung: Wind und Wasserstoff zusammendenken Das Fraunhofer IWES betreibt technologieoffene Testplattformen (Hydrogen Labs) für die Qualifizierung und Optimierung von Elektrolyseuren – von der Zelle über den Industrie- Stack bis zur Gesamtsystemebene. Neben Elektrolyseuren werden hier auch wasserstoff- verbrauchende Einheiten und Teile der peripheren Infrastruktur getestet. Unter anderem wird die Langzeitstabilität von Materialien und Komponenten bei dynamischer Betriebsweise von Elektrolyseuren in Kopplung mit Windenergieanlagen erprobt. Darüber hinaus steht zur Untersuchung der Netzeigenschaften die weltweit führende Einrichtung für Netzintegrationstests am Dynamic Nacelle Testing Laboratory (DyNaLab) zur Verfügung. Da zukünftige Elektrolyseure als Großverbraucher an das elektrische Netz angeschlossen werden, sind deren netzdienlichen Eigenschaften wichtig. Deren Vermessung und Optimierung stehen daher im Fokus von Forschung und Entwicklung. Entsprechend unterstützen wir die Hersteller bei der Weiterentwicklung ihrer Produkte. Ebenso steht eine Testplattform für gekoppelte Power-to-X-Prozesse zur Verfügung, um auch die gesamte Wertschöpfungskette von der regenerativen, lastflexiblen Energiegewinnung über die Wasserstofferzeugung bis zur stofflichen Nutzung abzubilden und im großtechnischen Maßstab zu testen und zu beforschen.
Upscaling in neue Leistungsklassen – aber sicher! Der Markthochlauf des grünen Wasserstoffs benötigt verlässliche, sichere und kostenoptimierte Systeme und Komponenten entlang der gesamten Wertschöpfungs- kette zur breiten Anwendung in Industrie und Wirtschaft. Die Kosten spielen dabei neben der Betriebssicherheit eine zentrale Rolle. Die Entwicklung leistungsfähiger, kosten- günstiger und zuverlässiger Komponenten sowie die Etablierung einer Serienfertigung für Elektrolyseure und Brennstoffzellen erschließen Einsparpotenziale. Praxisorientiertes Testen und darauf aufbauende Model- lierungen reduzieren das Risiko, das durch das Upscaling von Elektrolyseuren in neue Leistungsklassen und Einsatz- bereiche entsteht, die unter anderem für Offshore-Anwen- dungen unumgänglich sind. Hierbei weist das Fraunhofer IWES Kernkompetenzen im Bereich der elektrochemischen Analytik auf und testet Zellen und Stacks auf der mikro- skopischen Ebene. In den Hydrogen Labs sind Stack- und Systemtests bis in den industriellen Maßstab darstellbar. Dies erlaubt, in mikroskopischem Maßstab erworbenes Wissen in großskalige Systeme zu übertragen. Ebenso ist die umgekehrte Richtung denkbar, die Rückführung von im Gesamtsystem beobachteten Effekten auf die mikroskopi- sche Ebene. Dieses Wechselspiel von System- und Einzelkom- ponententests ermöglicht eine ganzheitliche Optimierung. Abbildung der gesamten Wertschöpfungskette Das Fraunhofer IWES betrachtet die gesamte Wasserstoff- wertschöpfungskette, von der Erzeugung bis zur Nutzung. Für spezifische Fragestellungen werden die Kompetenzen und Infrastrukturen verwandter Institute hinzugezogen. Unsere Kunden sind sowohl global agierende Konzerne als auch der regionale Mittelstand. Außerdem können Modellprozesse der Sektorenkopplung demonstriert und erprobt werden. Dies ist bei fluktuieren- der Energiezufuhr aus regenerativen Quellen besonders wichtig, um Versorgungssicherheit zu gewährleisten und die Speicherung von Leistungsüberschüssen zu ermöglichen. Betriebsstrategien für Insellösungen werden systemüber- greifend entwickelt und unter techno-ökonomischen Aspekten optimiert. Im Hydrogen Lab Leuna können Elektrolyseure im Industriemaßstab jeglichen Typs – ob PEM, AEL, AEM oder SOEC – im Dauerbetrieb 24/7 erprobt werden. 30
Im Hydrogen Lab Bremerhaven liegt der Schwerpunkt auf dem Zusammenspiel von Windenergieanlagen mit der elektrolytischen Wasserstofferzeugung. MEHR INFO Unsere Leistungen: Vollumfängliche Validierung von Stackkomponenten bis hin zu gesamten Elektrolysesystemen, peripherer Infrastruktur und nachgelagerten PtX-Prozessen Beschleunigte Lebensdauertests und Untersuchung des dynamischen Betriebsverhaltens Unabhängige Effizienzmessung (maßgebliche Mitarbeit an Normungsaktivitäten) Performance-Bewertung im Rahmen dynamischer Fahrweisen Praktische Validierung von Wasseraufbereitungs- konzepten Modellierung von Systemen, Unterstützung in der Auslegung und Betriebsführung von Elektrolyseuren im Zusammenspiel mit erneuerbaren Energiequellen Integration ins elektrische Netz und Bewertung der Netzverträglichkeit Analyse der eingesetzten Elektrolyten sowie der entstehenden Produktgase Wir arbeiten daran, eine Referenzarchitektur für digitale Zwillinge so zu erweitern, dass sie die Modularität erneuer- barer Energiesysteme abbilden kann und eingetragene Ver- änderungen am System berücksichtigt. Damit wird die Basis für einen umfassenden generischen digitalen Zwilling von Wind- und Wasserstoffenergiesystemen geschaffen. Modellierung und Regelung von wasserstoff- basierten Energiesystemen Das Anwendungszentrum für Integration lokaler Energie- systeme ILES des Fraunhofer IWES untersucht wasserstoff- basierte Multi-Energiesysteme. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Modellierung und Regelung, wobei auch die Alterung der Elektrolyseure berücksichtigt wird. Wir verwenden hierbei die Systemklasse der multilinearen Modelle und nutzen diese in modellbasierten überlagerten Reglern (supervisory control) von Multi-Stack-Systemen, beispielsweise zur Leistungssteuerung der einzelnen Stacks. Kernkompetenz Netzintegrationstests Für die Versorgungssicherheit ist ein stabiles Netz grund- legend. Nicht immer sind die Netze für hochgradig dezen- trale Einspeisepunkte mit netzseitiger Umrichteranbindung und fluktuierender Energiezufuhr ausgelegt. Bei einem Überangebot erneuerbarer Energien im Netz werden Windenergieanlagen oft abgeschaltet, um das Netz nicht zu überlasten – oder der Strom wird zu sehr günstigen Preisen ins Ausland verkauft. Eine Option ist, mithilfe des sogenannten »Überschuss-Stroms« Wasserstoff herzustellen, der als chemischer Energiespeicher dient. Mit steigender netzgekoppelter Elektrolyseurkapazität werden diese Ver- braucher zukünftig auch relevant aus dem Blickwinkel der Netzstabilität. Auf der einen Seite werden Elektrolyseure sich aufgrund ihrer dynamischen Fahrweise auch an bestimmte Regeln der Netzbetreiber halten müssen, genauso wie dies z. B. Windenergieanlagen tun müssen. Auf der anderen Seite stellt die Möglichkeit, Netzsystem- leistungen erbringen zu können, potenziell einen sehr wertvollen Beitrag für die Systemstabilität dar. Die Durch- führung von sogenannten Netzintegrationstests in den Hydrogen Labs helfen, diese Systemeigenschaften vor der großflächigen Marktintegration zu validieren. Co-Simulation von Nutzungsszenarien Schlüsselkomponenten der Wasserstoffwertschöpfungskette werden modellbasiert abgebildet. Es wird ein kohärenter Daten- und Modellraum zur Co-Simulation von Nutzungssze- narien für eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft aufgebaut. 31
V IELfältig Gesamtanlagenvermessung und Simulationen: Wie das Fraunhofer IWES Windenergiesysteme optimiert und die Schifffahrt nachhaltiger gestaltet Zuverlässige Aussagen zu Effizienz, Funktionstüchtigkeit und Lebens- dauer von Windenergieanlagen sind für ihre Realisierung unverzichtbar. Zu diesem Zweck vermisst das Fraunhofer IWES im Anwendungszentrum für Windenergie-Feldmessungen (AWF) laufende Anlagen, prüft mechanische Beanspruchungen und bestimmt ihr Leistungsverhalten. Zur Erforschung der aero-servo-hydro-elastischen Simulation von Wind- energieanlagen programmiert das Fraunhofer IWES das sogenannte MoWiT-Gesamtanlagensimulationsmodell zur Lastrechnung und Echt- zeitsimulation. Das MoWiT dient der Optimierung von Windenergie- systemen und Entwicklung von KI-Modellen. Zudem unterstützt das Fraunhofer IWES die Entwicklung einer nachhaltigen Schifffahrt. In Kooperation mit der Hochschule Emden/Leer liegt der Fokus auf Windantriebssystemen, Designkonzepten und Emissionsreduzierung. 32
MEHR INFO Unsere Leistungen: Vermessung von Windenergieanlagen Akkreditierte Last- und Leistungs- messungen (IEC61400-12 und 61400-13) nach ISO 17025 Kundenspezifische Messungen an einzelnen Komponenten von Windenergieanlagen Umfangreiche Mess- und Modelldaten helfen bei der Verbesserung von Anlagendesigns. Windenergie-Feldmessungen Kundenspezifische und akkreditierte Vermessung von Windenergieanlagen Der rasant wachsende Wettbewerb in der Windenergie verlangt hochqualitative, effiziente Prozesse, mit denen Prototypen und Altanlagen im Feld vermessen, analysiert und optimiert werden können. Entwickler, Hersteller, Betreiber und technische Dienstleister benötigen ebenso wie Banken und Versicherungen zuverlässige Aussagen über die Effizienz, Funktionstüchtigkeit und Lebensdauer- perspektive ihrer Anlagen. Das AWF – eine Kooperation des Fraunhofer IWES und dem Institut für Windenergie an der Hochschule Bremerhaven fk-wind – führt Vermessungen laufender Anlagen im Feld durch, insbesondere als Partner in Forschungs- und Entwicklungsprojekten. Das AWF verfügt über hochqualifiziertes wissenschaftliches und technisches Personal und ist als Prüflaboratorium nach ISO 17025 für die Prüfung mechanischer Beanspruchungen (IEC 61400-13) und die Bestimmung des Leistungsverhaltens von Windenergieanlagen (IEC 61400-12) akkreditiert. Zudem kann auf die einzigartige Test- und Prüfinfrastruktur des gesamten Fraunhofer IWES zurückgegriffen werden. Das AWF am Fraunhofer IWES plant Vermessungen von Windenergieanlagen onshore und offshore sowie von Flettner-Rotorschiffen und führt diese durch. Dabei werden nach Absprache mit dem Kunden die relevanten nationalen und internationalen Normen und Richtlinien angewendet. Neben den normspezifischen Messungen der Gesamtanlage werden insbesondere auch Messungen von spezifischen Komponenten der Windenergieanlage (z. B. Lager, Rotor- blätter etc.) durchgeführt. Auch Messungen des akustischen Verhaltens und der Aerodynamik gehören zum Forschungs- spektrum des AWF. 33
Gesamtanlagendynamik Simulative Analyse der Systemdynamik, Lasten und Frequenzen von Windenergieanlagen Im Bereich der Gesamtanlagendynamik forscht das Fraunhofer IWES auf dem Gebiet der aero-servo-hydro-elastischen Simu- lation von Windenergieanlagen. Im Fokus steht die Verbesse- rung von Simulations- und Validierungsmethoden für On- und Offshore sowie für schwimmende Windenergieanlagen. Dafür wurde das MoWiT-Simulationsmodell (Modelica library for Wind Turbines) für die Lastrechnung und die Echtzeit- simulation programmiert. MoWiT bildet die Grundlage zur Optimierung von Windenergiesystemen mittels eines eigens entwickelten Python-basierten Optimierungs- und Automati- sierungsframeworks sowie zur Entwicklung von KI-Modellen. Durch kundenspezifische Simulationsstudien werden Fragen, wie nach der Fähigkeit schwimmender Windenergieanlagen zur Selbstausrichtung und Rückwirkung auf den Energie- ertrag, beantwortet und der Gültigkeitsbereich aktueller Simulationsmodelle durch Anwendung neuer Validierungs- methoden abgesichert. Das Fraunhofer IWES forscht auf dem Gebiet der schwimmenden Windenergieanlagen und bietet Dienstleistungen von der Modellierung bis zur Validierung numerischer Simulationsmodelle an. Simulation einer schwim- menden Halbtaucher Offshore-Windenergie- anlage in MoWiT Unsere Leistungen: Kundenspezifische Simulationsstudien von On- und Offshore-Windenergieanlagen Analyse der gekoppelten Systemdynamik, Lasten und Frequenzen auch für künftige Anlagengrößen Bewertung des Gültigkeitsbereichs von Simulationsmodellen Erstellung von echtzeitfähigen Systemmodellen Halbtaucher Holmboje Spannbein-Plattform MEHR INFO 34
Angesichts der Klimaschutzziele muss auch die Schifffahrt Emissionen reduzieren. Möglich wird dies durch Hybridschiffe mit Segelsystemen und wasserstoffbasierten Antrieben. Nachhaltige Maritime Mobilität Entwicklung, Bau und Betrieb zukunftsweisender Windantriebssysteme für die Schifffahrt MEHR INFO Die Fraunhofer Arbeitsgruppe »Nachhaltige Maritime Mobi- lität« (NMM) des Fraunhofer IWES stärkt die Forschung und Entwicklung für eine nachhaltige Schifffahrt. Unter gemein- samer Leitung konzentrieren sich die Teams der Hochschule Emden/Leer in Leer und des Fraunhofer IWES in Bremerha- ven auf Windantriebssysteme, Designkonzepte und wissen- schaftliche Studien für eine emissionsfreie Schifffahrt. Systemunabhängige Forschungs- und Beratungsleistungen für die Berufsschifffahrt Die Arbeitsgruppe NMM liefert systemunabhängige For- schungs- und Beratungsleistungen zu allen diskutierten Windantriebssystemen für die Berufsschifffahrt. Das Spektrum reicht von Flettnerrotoren, Wing- oder Dyna- Riggs bis zu Membran- und klassischen Tuchsegeln. Im experimentellen Bereich bildet das Maritime Technikum in Leer das Herzstück. Die einzigartige Prüfinfrastruktur der weiteren Standorte des Fraunhofer IWES ergänzen die Validierungsmöglich- keiten bis zum Originalmaßstab. Durch die langjährige Erfahrung aus dem Bereich der Offshore-Windenergie werden in der Arbeitsgruppe Synergien geschaffen. Expertise durch Crossover- und Upscaling-Effekte Die gemeinsamen methodischen Schwerpunkte liegen im Bereich der maritimen Hydro- und Aerodynamik, der Automatisierungs- und Systemtechnik und der Werkstoff- technologie. Hybride Modellkonzepte ergeben sich aus der Verschneidung leistungsfähiger Modellierung und Simulation mit Messtechnologie im Labor und auf See. Eine besondere gemeinsame Expertise liegt in der Nutzung sogenannter Crossover- und Upscaling-Effekte zwischen Segeltechnologie und klassischen Windenergiesystemen. Unsere Leistungen: Umfassende Modellierungsexpertise (CFD, FEM, FSI, MBS) Verfügbarkeit von Großlaboratorien für vielfältige ingenieurwissenschaftliche Fragestellungen im Bereich der Schifffahrt und maritimen Technologie Hybride Modellkonzepte zur Leistungsprognose von Segelsystemen Schiffsführungssimulation für Schiffe mit Windantrieben Technische Risikoanalyse für Investoren, Banken und Versicherungsunternehmen MEHR INFO 35
Prüfung und Systemvalidierung mechanischer Großkomponenten: Fraunhofer IWES steigert die Zuverlässigkeit von Windenergie- anlagenkomponenten Stochastische Lasten, Schmierstoffeigenschaften variierende Drehzahlen, Schnittstellen mit komplexen Steifigkeitsprofilen: Die Lebens- dauer von Wälzlagern in Windenergieanlagen hängt von zahlreichen Einflüssen ab. Mit dem Large Bearing Laboratory (LBL) verfügt das Fraunhofer IWES über eine einzigartige Methoden- kompetenz sowie Prüf- und Forschungsinfrastruk- tur zur Validierung, Zuverlässigkeitssteigerung und Ausfallursachenanalyse von Lagern in Wind- energieanlagen. Zur Absicherung von Produkteigenschaften kompletter mechanischer Windenergieanlagen- Antriebsstränge entwickelt und realisiert das Fraunhofer IWES Validierungsstrategien, Prüfkon- zepte, Prüfstände, Messmethoden, Prüfkampa- gnen, CAE-Modelle u. v. m. Für die Absicherung der Standsicherheit der Turbine müssen bei den Windenergieanlagen-Tragstrukturen – z. B. Turm, Fundamente und notwendige Anbauteile – Design und Fertigung entsprechend der wachsenden Betriebslasten optimiert werden. Das Fraunhofer IWES entwickelt Angebote zur Reduzierung der wirtschaftlichen und technischen Risiken künftiger Tragstrukturen. Für großmaßstäbliche Gondelprüfungen verfügt das Fraunhofer IWES mit dem Dynamic Nacelle Testing Laboratory (DyNaLab) über einen funk- tional weltweit einzigartigen Prüfstand. Er besitzt u. a. ein leistungsstarkes Lasteinleitungssystem (LAS), das als Hexapod mit einem großen Momentenlager ausgestattet ist, und ermöglicht für aussagefähige Labortests ein realitätsnahes Testumfeld im Multi-Megawatt-Bereich. Ausfälle von Triebstrangkomponenten zählen zu den Hauptursachen von Stillstandszeiten. Virtualisierte Tests mittels Simulationsmodell und validierter Messdaten lassen bereits im Entwicklungsprozess kritische Belastungen erkennen. In der Erhebung und Verarbeitung entsprechender Messdaten bietet das Fraunhofer IWES außergewöhnliche Erfahrung.
Tragstrukturen Prüfung und Validierung von Tragstrukturen und Methoden Unsere Leistungen: Prüfung von Tragstrukturen und Komponenten – experimentell und virtuell Validierung von Bemessungsansätzen und Designmethoden Unterstützung bei der Entwicklung und Marktein- führung (inkl. Zertifizierung) neuer Technologien Die Tragstrukturen einer Windenergieanlage umfassen alle Komponenten, die die Statik der Turbine sicherstellen: Turm, Fundamente und notwendige Anbauteile, den sogenannten Secondary Steel. Sowohl onshore als auch offshore steigen dabei die mechanischen Abmessungen und die Nennleistungen der Anlagen kontinuierlich weiter und damit auch die Betriebslasten, die über die Tragstrukturen aufgenommen werden müssen. Die Komponenten, aus denen diese zusammengesetzt sind, gehören mittlerweile zu den größten Stahlbauteilen überhaupt. Hersteller und Designer sehen sich dabei mit einer Reihe von Herausforderungen konfrontiert: Beispielsweise müssen schwingfeste Schweißverbindungen mit sehr hoher Wandstärke (> 100 mm) sicher hergestellt und das Verhalten des Baugrunds über die Lebensdauer einer Anlage von mindestens 25 Jahren vorausgesagt werden. Das Fraunhofer IWES entwickelt hierfür viele Angebote, die das wirtschaftliche und technische Risiko von Tragstrukturen der nächsten und übernächsten Generation entscheidend senken können. Hersteller sind gefordert, für die wachsenden Betriebslasten Design und Fertigung der notwendigen Bauteile anzupassen. Das Fraunhofer IWES entwickelt zu diesem Zweck zahlreiche methodische Ansätze, die wirtschaftliche und technische Risiken von künftigen Tragstrukturen signifikant verringern können. Im Fokus dabei stehen ein fertigungs- und anwendungsgerechtes Design von Gründung, Turm und Transition Piece sowie die Entwicklung und Validierung von Materialmodellen, mit denen sich der Baugrund z. B. in der Nordsee modellieren lässt. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung der Installationsmethode auf Tragfähigkeit und Lebensdauer von Fundamenten, vor allem der aktuellen lärmarmen Verfahren wie Vibration und Jetting. Design und Fertigung einer Tragstruktur für eine Windenergieanlage sind aufgrund der enormen Dimensionen dieser Bauteile immer eine Herausforderung. Wir unterstützen Kunden bei den Installationen on- und offshore. Strukturanalysen an Komponenten und Großmodellen MEHR INFO
Großwälzlager Mit innovativen Testmethoden und Systemverständnis zu höherer Zuverlässigkeit Wälzlager erreichen in den meisten industriellen An- wendungen eine sehr hohe Lebensdauer. Die Einsatz- bedingungen für und die Anforderungen an die Wälz- lager von Windenergieanlagen unterscheiden sich jedoch maßgeblich von Standardanwendungen: Hohe stochastische Lasten, oszillierende Schwenkbewegungen, ständig variierende Drehzahlen und Schnittstellen mit komplexen Steifigkeitsprofilen erschweren die Auslegung und können dazu führen, dass Ausfälle weit vor Ende der berechneten Lebensdauer nicht ungewöhnlich sind. Insbesondere im Bereich der Rotorblattlager betreibt das Team des Fraunhofer IWES mit dem Large Bearing Laboratory (LBL) eine einzigartige Forschungsinfrastruktur und hat entsprechende Methodenkompetenz aufgebaut. Von validierten Berechnungsmethoden, der Ausfallursa- chenanalyse bis zu skalierten, realmaßstäblichen und dabei stets anwendungsnahen Prüfungen bietet das LBL alles an, um die Windenergiebranche bei Auslegung, Betrieb und Eigenschaftsvalidierung im Bereich dieser anspruchsvollen Komponenten zu unterstützen. Mit dem BEAT 6.1 prüft das Fraunhofer IWES Wälzlager mit 6 m Lagerdurchmesser. Unsere Leistungen: Anwendungsnahe Forschung und Entwicklung im Bereich der Wälz- lager von Windenergieanlagen Planung und Durchführung von individuellen Testkampagnen auf erprobter Prüfinfrastruktur mit Erfah- rung aus mehr als 500 getesteten Lagern von 0,2 m bis 6 m Durchmesser Unterstützung im Betrieb durch Aus- fallursachenanlysen, Datenanalysen und Betriebsoptimierungen Entwicklung und Validierung von Berechnungsmethoden, Modellen sowie Zustandsüberwachung MEHR INFO
Unsere Leistungen: Planung und Durchführung von Testkampagnen für direktgetriebene Generatoren, komplette Antriebstränge und Gondeln Leistungsdaten DyNaLab: nominelles Drehmoment 8,6 MNm, Antriebsleistung 10 MW, Lasteinleitung zur Emulation parasitärer Belastungen, bis zu 20 MNm Biegemomente und 2 MN Schubkraft, Eigengewichtsemulation, 44 MVA elektronische Netznachbildung Mehr als 600 synchron aufzeichnende hochauflösende Messkanäle Supraleitender Generator auf dem Prüfstand MEHR INFO Mechanische und elektrische Gondeleigenschaften Untersuchung und Prüfung Wettbewerbsdruck und zunehmende Professionalisierung der Branche erhöhen die Anforderungen an Windenergie- anlagengondeln. Neue Designs der Anlagen müssen bereits mit dem Serienstart zuverlässig laufen. Vor der Finanzierungszusage verlangen Investoren zu- meist den Nachweis umfangreicher Betriebserfahrung. Für Hersteller bedeuten Modifikationen sowie Neuentwick- lungen erhebliche wirtschaftliche Risiken. Eine experimen- telle Validierung von Prototypen und Nullserienanlagen auf Großprüfständen verringert diese Risiken, beschleunigt die Zertifizierung und sorgt für bessere Planbarkeit. Der höhere Anteil regenerativer Quellen in den Verteil- und Übertragungsnetzstrukturen lässt die Anforderungen an die Netzintegration von Windenergieanlagen weiter steigen. Normen und Richtlinien müssen diese Entwicklung berück- sichtigen. Zwingend erforderliche Anlagenzertifikate für Neu- und Weiterentwicklungen gewährleisten einen netz- konformen Betrieb und garantieren den dauerhaften Netz- anschluss und Erhalt von Einspeisevergütungen. Mit effizienten Testmethoden unterstützt das Fraunhofer IWES Anlagenhersteller dabei, steigenden Anforderungen gerecht zu werden. Das DyNaLab bietet realitätsnahe Prüf- bedingungen im Multimegawattbereich. Die Kombination aus mechanischen Tests mit einem Netzemulator zur Prüfung von Windenergieanlagen mit einer Nennleistung von bis zu 10 MW ist in dieser Konfiguration weltweit einzigartig. 40
Antriebstrang Modellentwicklung, -validierung und virtuelle Prüfung von Triebsträngen von Windenergieanlagen MEHR INFO Antriebstränge von Windenergieanlagen sind im Betrieb komplexen dynamischen Belastungen ausgesetzt. Ausfälle in diesem komplexen Teilsystem zählen zu den Hauptursa- chen von Stillstandszeiten. Moderne Simulationswerkzeuge wie Mehrkörpersimulation (MKS), finite Elemente Methode (FEM) sowie die Integration von Multi-Domain-Modellen erhöhen das Systemverständnis. Auslegungsprozesse können so verbessert, die Zuverlässigkeit des Triebstrangs erhöht werden. Virtuelle Tests mittels Simulation lassen bereits im Entwick- lungsprozess Belastungen erkennen. Kostenintensive physi- kalische Prüfungen lassen sich so ergänzen, gegebenenfalls erweitern und Optimierungsansätze mit Hilfe von Parameter- variationen überprüfen. Zur Sicherstellung der Gültigkeit der verwendeten Modelle ist eine Validierung mit Messdaten wichtig. Das Fraunhofer IWES greift dazu auf jahrelange Erfahrung in der Erhebung und Verarbeitung entsprechen- der Messdaten zurück. Nur validierte Simulationsmodelle erlauben verlässliche Aussagen über bestehende und neue Triebstrangkonzepte. Aufgrund des ständigen Leistungs- und Größenwachstums von Anlagen und ihren Antriebsträngen sind viele der heute noch aktuellen Systemprüfstände in immer kürzeren Zeit- räumen in einigen ihrer technischen Parameter nicht mehr ausreichend, um die zukünftigen Turbinen in ihrem gesam- ten Betriebsbereich vollständig zu testen. Um dieser Heraus- forderung zu begegnen, entwickeln wir am Fraunhofer IWES den methodischen Ansatz des hybriden Testens. Dieser kom- biniert physikalische Prüfungen mit modernen Simulations- methoden, um so z. B. die komplette Prüfung von Antrieb- strängen auch oberhalb der Maximallast des Prüfstands zu ermöglichen. Unsere Leistungen: Entwicklung und Validierung detaillierter Simulationsmodelle von Triebsträngen Untersuchung von Triebstrangdynamik und -belastung auf Basis virtueller Prüfungen Virtualisierung von Prüfungen und neuartige Prüfansätze wie z. B. das hybride Testen Entwicklung neuer Prüfstände und Messmethoden Planung und Durchführung von Prüfkampagnen und messtechnischen Auswertungen Versuchsbegleitende CAE-Modellentwicklung und -validierung Unterstützung bei der Bauteiloptimierung (konstruktiver Leichtbau usw.) Zur Steigerung der Zuverlässigkeit von Antriebsträngen ist ein genaues Verständnis der wirkenden dynamischen Belastungen und Betriebszustände erforderlich. 41
Der moderne Prüfstand bietet umfassende Testmöglichkeiten für Rotorblätter mit einer Länge von mehr als 115 Metern. 42
GROSSartig Rotorblätter Von innovativen Testmethoden bis zum effizienten Prozess Rotorblätter großer Offshore-Windenergieanlagen haben mittlerweile die 100-Meter-Marke überschritten. Dieses Wachstum bringt die Materialreserven an ihre Grenzen. Ein tiefgehendes Verständnis des komplexen mechanischen Verhaltens von Verbundwerkstoffen unter Ermüdungsbeanspruchung ist daher unerlässlich. Für die zuverlässige und effiziente Fertigung von Rotorblättern dieser Größenordnung sind Fortschritte in den Produktionstechnologien und der Automatisierung erforderlich. Das Fraunhofer IWES unterstützt die Windenergiebranche dank seiner einzigartigen Forschungsinfrastruktur skalen- übergreifend und in allen technischen Domänen. Das Institut bietet alles, was für die Forschung und Entwick- lung von Rotorblättern notwendig ist – von der Ganz- blattprüfung über Micro-CT-Scans der Faserorientierung bis hin zu innovativen Fertigungstechnologien sowie der Zerlegung und Verwertung von End-of-Life (EoL)-Rotor- blättern und vielem mehr. Zuverlässigkeit dank intensiver Validierung Die Rotorblätter von Windenergieanlagen müssen während ihres Betriebs über 20 Jahre hinweg extremen Belastungen standhalten und gleichzeitig ein geringes Gewicht aufweisen. Daher kommen für die Herstellung dieser Rotorblätter ausschließlich Hochleistungs- Leichtbaumaterialien in Betracht, die sowohl in Bezug auf mechanische Eigenschaften als auch Kosten höchst anspruchsvollen Anforderungen genügen. Am Fraunhofer IWES arbeiten wir eng mit Materialher- stellern und Rotorblattfertigern zusammen, um diese unterschiedlichen und teilweise widersprüchlichen Anfor- derungen harmonisch zu vereinen. Dank unserer einzig- artigen Prüf- und Versuchsinfrastruktur, die speziell auf die Windenergiebranche zugeschnitten ist, können wir die Eignung der Materialien sowohl strukturell als auch hinsichtlich der Fertigungstechnik umfassend analysieren. In unserem BladeMaker-Democenter fertigen wir Rotorblätter und Rotorblattkomponenten im Maß- stab 1:1, um Fertigungsprozesse zu erproben. Durch eine Vielzahl von Strukturprüfungen – von der Coupon- Ebene über patentierte Subkomponentenprüfungen bis hin zu sequentiellen und biaxialen Ganzblattprüfungen – validieren wir die Performance der Materialien. Unser tiefgreifendes Verständnis der Rotorblattstruktur erlaubt es uns zudem, die Auswirkungen der Material- eigenschaften auf das Strukturdesign sowie die Rest- lebensdauer bestehender Anlagen zu bewerten. Das Fraunhofer IWES fungiert somit als Bindeglied zwischen verschiedenen Industriezweigen und unterstützt die Entwicklung innovativer Materialien für die Fertigung von Rotorblättern. Auf diese Weise leisten wir einen wertvollen Beitrag für die Industrie und fördern den zügigen Ausbau der Windenergie. 43
Kundenspezifische Lösungen Automatisierte Fertigungsprozesse bei Rotorblättern von Windenergieanlagen basieren stets auf einer fallbasierten Entscheidung. Dabei gilt es, eine optimale Balance zwischen Investitionskosten, Fertigungsgeschwindigkeit, Flexibilität, Betriebskosten und der Verlässlichkeit des Rotorblattes im Einsatz zu finden. Das Fraunhofer IWES unterstützt Unternehmen bei der Suche nach maßgeschneiderten Lösungen für Fertigungs- herausforderungen. Wir kombinieren und integrieren bestehende kommerzielle Produkte unter Berücksichtigung spezifischer technologischer Entwicklungen unserer Kunden. Das BladeMaker-Demonstrationszentrum bietet eine ideale Entwicklungsumgebung für uns und unsere Partner. Darüber hinaus arbeitet das Fraunhofer IWES eigenständig an Prozessentwicklungen, wie beispielsweise der einstell- baren Klebstoffführung. Diese patentierte Technologie steht unseren Partnern über Lizenzvereinbarungen zur Verfügung. Wissenschaftliche Schadensursachenanalyse Das Fraunhofer IWES führt die Ursachenanalyse von Rotor- blattschäden aus neutraler wissenschaftlicher Perspektive durch. Dies bietet eine unabhängige fundierte Einschätzung der zu Grunde liegenden Sachverhalte, um über den Einzel- fall hinaus eine Aussage zu möglichen Ausfallrisiken treffen zu können. Hierbei fließen das Gesamtsystemverständnis über die Anlage, die jahrelange Erfahrung aus der Rotor- blattvalidierung sowie insbesondere das übergreifende Verständnis sämtlicher Aspekte der Entwicklung ein. Dies umfasst: Werkstoffe, Fertigungsprozesse, Struktur und deren Zertifizierung, Transport, Installation, Betrieb, mögliche Reparaturen als auch den Rückbau. Werkstoffe und Fertigungsprozesse Die präzise Vorhersage des Ermüdungsverhaltens von Ver- bundwerkstoffen erfordert ein tiefes Verständnis der Werk- stoffe und Fertigungsprozesse. Während wir selbstverständ- lich auch Standard-Werkstoffprüfungen anbieten, liegt unsere besondere Stärke in der Entwicklung neuer Prüfauf- bauten für spezifische Anforderungen. Im Leading Edge Lab testen wir Systeme hinsichtlich ihrer Regenerosion und der Bildung von Eisansatz. Das Fraunhofer IWES bietet Möglichkeiten, Prüfkörper von der Größe eines Coupons bis hin zu einem Ganzblatt her- zustellen. Dies unterstützt die Prüfung der Verarbeitung neuartiger Werkstoffe und gewährleistet eine reibungslose Markteinführung. Darüber hinaus ermöglicht die Fertigung großer Komponenten die Validierung fertigungszentrierter Werkstoffmodelle, einschließlich fortgeschrittener Modelle der Aushärtungskinetik. 44
Forschung zum Recycling von Rotorblättern Geht es um den Rückbau und das Recycling von Wind- energieanlagen, dreht sich die Diskussion vor allem um ein Bauteil: das Rotorblatt. Ziel der Forschung am Fraunhofer IWES ist es, ein hochwertiges Recycling sicherzustellen, das viele der positiven Materialeigen- schaften der Fasern und der Sandwichmaterielien erhält. Dafür hat das Institut ein Konzept für eine wirtschaftlich rentable Entsorgungsstrategie von Rotorblättern ent- wickelt und untersucht einzelne methodische Schritte. MEHR INFO Unsere Leistungen: Weltweit einzigartige Prüfinfrastruktur IECRE-anerkanntes Labor Kundenspezifische Fertigungsversuche im 1:1 Maßstab Spezialprüfungen für Komponenten und Werkstoffe Unabhängige Schadensursachenanalyse Forschung, Entwicklung und Beratung Rotorblattfertigung am Fraunhofer IWES 45
WINDschnit tig Windmessung und -modellierung: Standorte bewerten – von der punktuellen Windmessung bis hin zur Modellierung großskaliger Windfelder Onshore wie offshore sind Windenergieanlagen komplexen Bedingungen ausgesetzt. Entsprechend unterschiedlich sind die Herausforderungen an die numerische Simulation und Bewertung potenzieller Standorte, entsprechend unverzichtbar sind exakte Modellierungen von Windfeldern. Das Fraunhofer IWES ist bei der Optimierung numerischer Methoden und Datensätze auf allen relevanten Skalen aktiv, um den Anforderungen der Industrie gerecht zu werden. So beeinflussen die Windparameter etwa bei der Errichtung von Offshore-Wind- parks Design und Auslegung der Windenergieanlagen sowie ihrer Komponenten inklusive der Fundamente und Türme. Um die numerischen Modelle passgenau für die Standorte zu machen, führt das Fraunhofer IWES Offshore-Lidar-Messungen durch. Dafür haben wir Lidar-Messbojen entwickelt, die auf hoher See meteorologische und ozeanografische Messdaten aufnehmen. Mit innovativen Messkonzepten – unter Verwendung verschiedener Remote-Sensing-Technologien – erfasst das Fraunhofer IWES die Windverhältnisse.
Schnell, zuverlässig und kostengünstig liefert die Lidar-Boje die erforderlichen Messdaten für die Planung eines Offshore-Windparks.
Offshore-Windmessungen Punktuelle Windmessung Offshore-Windparks erfordern Milliardeninvestitionen, die eine exakte Vermessung des Windpotenzials voraussetzen. Die verschiedenen Windparameter sind aber nicht nur zur Bestimmung des Windpotenzials notwendig und somit für die Wirtschaftlichkeitsberechnung eines Windparks, sondern auch für die Auswahl des Anlagentyps und des Designs der Fundamente und Türme. Genaue Messdaten, geringe Messunsicherheiten und zudem eine hohe Verfügbarkeit sind dabei unverzichtbar. Für jeden Standort erstellt das Fraunhofer IWES ein optimales Messkonzept unter Berücksichtigung einer Vielzahl ver- schiedener Messtechnologien. Lidar-Boje Seit 2009 hat das Fraunhofer IWES hierfür eine eigene Messboje entwickelt, welche auf hoher See für die Windindustrie relevante meteorologische und ozeanografische Messdaten aufnimmt. Gleichzeitig wurde ein Korrektur- algorithmus entwickelt, um den Einfluss der Eigenbewegung der Lidar-Boje auf die Messungen auszugleichen. Der Prototyp der Fraunhofer IWES Wind-Lidar-Boje wurde 2013 erstmals offshore getestet. Seit 2017 wird sie auch für eine Vielzahl an kommerziellen Messungen zur Bestimmung des Offshore-Windpotenzials eingesetzt. Das Fraunhofer IWES übernimmt neben der Datenanalyse auch die Planung der Messkampagne sowie die Installation, den Betrieb und die Wartung der Lidar-Boje. Messkampagne mit einer Lidar-Boje zur Windpotenzialermittlung Scanning-Lidar Bei Standorten nahe der Küste oder wenn offshore bereits Strukturen vor- handen sind, werden alternativ zu Bojen vom Fraunhofer IWES auch Scan- ning-Lidar eingesetzt. Diese vermessen das Windfeld einer größeren Fläche, das insbesondere bei Windbedingungen mit starkem Landeinfluss wichtig ist. 48
Das Dual-Doppler Wind-Radar ermöglicht ultraschnelle Windfeldmessungen und kann an verschiedenen Standorten eingesetzt werden. MEHR INFO Wind-Radar Seit 2025 betreibt das Fraunhofer IWES ein innovatives Wind-Radarsystem, das dreidimensionale Windfeldmessungen in bislang unerreichter Entfer- nung und Auflösung ermöglicht. Das sogenannte Dual Doppler Wind-Radar, bestehend aus zwei synchron arbeitenden Radareinheiten, hat das Potenzial, das Verständnis der Windströmungen in und um Windparks auf eine neue Stufe zu bringen. Aktuell finden Forschungsarbeiten zur eingehenden wissenschaftlichen Validierung der Messmethode statt. Ziel ist es, diese grundlegend neue Technologie für die Windindustrie nutzbar zu machen. Das System misst Windverhältnisse über eine Fläche von mehreren 100 Quadratkilometern bis in mehrere Kilometer Höhe und erfasst dabei mehrere Millionen Windmessungen alle 2 Minuten. Mit solchen Daten kann die Dual Doppler Wind-Radar-Technologie durch eine verbesserte Standortbewertung die Investitionsrisiken senken und zur Optimierung von Windparks beitragen, indem z. B. die Leistungs- kurven aller Windenergieanlagen in einem Windpark gleichzeitig bestimmt werden. Mittelfristig wird das Fraunhofer IWES entspre- chende Messdienstleistungen für Projektplaner und Betreiber anbieten. Unsere Leistungen: Innovative Messkonzepte und Messstrategien Durchführung von komplexen Messkampagnen Charakterisierung von Windfeldern Lidar-Bojen-Technologie 49
W EIT reichend Zuverlässigkeit, Monitoring und Ertragsanalyse: Wie das Fraunhofer IWES die Effizienz von Offshore-Windparks signifikant steigert Gemeinsam mit anderen Akteuren hat das Fraunhofer IWES die Installation und den Betrieb zahlreicher Windenergieanlagen unterstützt. Dabei ist, neben der einmaligen Expertise, eine einzigartige Felddatensammlung entstanden. Sie trägt wesentlich dazu bei, die Zuverlässig- keit von Windenergieanlagen-Komponenten signifikant zu steigern, Kosten und Risiken effektiv zu verringern, OPEX-Modellierungen und Kosten-Nutzen-Analysen zu realisieren. Wir entwickeln für die Ausfallfrüherkennung und eine Restlebendauerabschätzung ge- koppelte physikalische und felddatenbasierte Modelle und Methoden. Das Fraunhofer IWES realisiert zudem numerische Strömungssimulationen (CFD) zum Schutz der elastischen Rotorblätter. So lassen sich Anfälligkeiten der Blätter für Schwingungen – etwa bei Stillstand oder Trudeln der Anlage – erkennen und reduzieren. Für ein leistungsfähiges Projekt- und Risikomanagement bietet das Fraunhofer IWES Projektplan- und Wetterrisikoanalysen an, um frühzeitig potenzielle Risiken zu bewerten. Mittels Post-Construction- und Performance- Analysen beurteilt das Fraunhofer IWES Leistung und Effizienz bestehender Offshore-Wind- parks. Ebenfalls im Portfolio: optimierte Instandhaltungskonzepte, Beurteilung bestehender Konzepte und Optimierung der O&M-Logistik, um maßgeschneiderte, kosteneffiziente Lösungen zu kreieren. Die intelligente und optimierte Steuerung führt zu höheren Energieerträgen im Windpark.
Technische Zuverlässigkeit Besseres Verständnis und Verbesserung von O&M-Aktivitäten MEHR INFO Das Fraunhofer IWES weist eine lange Erfolgsgeschichte bei öffentlich geförderten Projekten zu den Themen Zuverlässigkeit von Windenergieanlagen, insbesondere Leistungsumrichtern, Ursachenanalyse, Zustandsüberwachung und Digitalisierung von O&M-Daten vor. Zusätzlich verfügt das Fraunhofer IWES über Erfahrungen in der O&M-Modellierung, Kosten-Nutzen- analyse und Optimierung von O&M-Strategien auf der Basis von Felddaten. Verlässlichere Komponenten dank einzigartiger Felddatensammlung Durch viele Jahre Forschung hat das Fraunhofer IWES eine umfangreiche Fachkompetenz im Bereich der Untersuchung von Ausfallursachen von Komponenten erworben. Diese erfolgt in enger Zusammenarbeit mit Akteuren aus allen Teilen der Wertschöpfungskette. Ziel dabei ist, die Zuverlässigkeit zu verbessern und sowohl Kosten als auch verknüpfte Risiken zu verringern. In Projekten hat das Fraunhofer IWES eine umfangreiche, stetig wachsende Sammlung an Felddaten von mehr als 10.000 Windenergieanlagen generiert. Aufgrund seiner Größe, Vielfalt und Aktualität ist dieser Datensatz einzigartig und deckt eine Vielzahl von Wind- energieanlagen-Altersklassen, -Herstellern und -Aufstellungsorten ab. Auf Basis dieses Datensatzes liefert das Fraunhofer IWES Zuverlässigkeitsdaten für die OPEX-Modellierung und Kosten-Nutzen-Analyse. Zusätzlich bietet das Fraunhofer IWES Lösungen für die Aus- fallfrüherkennung und führt Ausfallursachenanalysen auf der Basis von Felddaten durch. Die Post-Construction-Analyse liefert zusätzlich Ertrags- und Performance-Informationen. Durch die Kombination von Windpark-Ertragsdatenanalysen mit numerischen Methoden und Modellen können die Ursachen für die Performance eines Windparks isoliert betrachtet werden. Unsere Leistungen: Beständig wachsender Datenpool von aktuell mehr als als 10.000 Windenergieanlagen, um die Erfahrungen beim Betrieb von Windparks zu vergleichen und auszuwerten Untersuchung der Ausfallursachen von Windenergieanlagen-Komponenten O&M-Modellierung, Kosten-Nutzenanalyse und Optimierung von O&M-Strategien auf der Basis von Felddaten Unabhängige und vertrauenswürdige Datenanalytik und Beratung
Ertrags- und Standortanalyse Windfeldmodellierung: Multiskalensimulation von Wind- und Nachlaufeffekten Der globale Ausbau der Windenergie findet unter unter- schiedlichen Umweltbedingungen statt. Während an Land, onshore, Windparks vermehrt in sehr komplexem Gelände geplant und gebaut werden, werden auf See, offshore, große »Kraftwerke« mit mehreren hunderten von Wind- energieanlagen errichtet, die mit der marinen atmosphä- rischen Grenzschicht interagieren. Die Herausforderungen in der numerischen Simulation und Bewertung der Stand- orte sind entsprechend unterschiedlich. Die Modellierung von Windfeldern wird vor allem zur Ergänzung von Windmess- und Ertragsdaten in Raum und Zeit, oder aber zur Simulation zukünftiger Planungszustände benötigt. Das Fraunhofer IWES ist seit mehr als zehn Jahren in der Weiterentwicklung, Verbesserung und Anwendung von numerischen Methoden und Datensätzen auf allen relevanten Skalen aktiv. Dabei werden vor allem Open- Source-Modelle und entsprechende Methoden verwendet. Die numerische Simulation von Windenergiestandorten erfordert die Anwendung unterschiedlicher Methoden, um den Anforderungen der Industrie an Genauigkeit und Geschwindigkeit, aber auch den unterschiedlichen assozi- ierten Skalen gerecht zu werden. Zu diesem Zweck wurden am Fraunhofer IWES in den vergangenen Jahren verschie- dene Werkzeuge zur numerischen Standortbewertung zur Berechnung von Windfeldern und Windparkerträgen bei komplexen Geländegeometrien sowie zur Berechnung von Windenergieanlagen und Windparknachläufen entwickelt. Unsere Leistungen: Validierte Multiskalensimulation von Nach- laufeffekten sehr großer Windparkcluster Automatisierte CFD-Simulation von Windpark- standorten im komplexen Gelände Methoden des maschinellen Lernens zur Unsicherheitsbestimmung und -reduktion im Langzeitbezug auch unter Berücksichtigung von Klimaprojektionen Berechnung von Windpark-Atmosphäre-Inter- aktionen und der Einflüsse auf Windparkerträge Hands-On-Schulungen zur Modellierung von Windfeldern und Nachlaufeffekten mit den vom Fraunhofer IWES verwendeten und entwickelten Simulationswerkzeugen MEHR INFO Unsere gemeinsamen Leistungen: Ganzheitliche Analyse von Standort, Ertrag, Logistik und Betriebskonzepten für Offshore- Windparks Entwicklung und Einsatz von Simulations- und Optimierungsmodellen für Planung, Bau, Betrieb und Rückbau von Offshore-Windparks Mittels Mesoskalen-Simulationen erzeugt das Fraunhofer IWES präzise Zeitreihendaten zur Erforschung des Einflusses meteorologischer Bedingungen auf Windparks. 52
MEHR INFO Unsere Leistungen: Projektplananalysen und qualitative Beurteilung von Ablaufplanungen in der Projektlogistik Identifizierung, Analyse und Bewertung von Wetterrisiken Post-Construction- und Performance-Analysen sowie KPI-Evaluierung von Offshore-Windparks und deren Assets Beurteilung und Optimierung der O&M-Prozesse eines Offshore-Windparks Consulting im Bieter- und Claim-Management von Offshore-Projekten Offshore-Logistik Projekt- und Risikomanagement für Offshore-Windparks: Kosten minimieren und Effizienz steigern Ein leistungsfähiges Projekt- und Risikomanagement bildet die Grundlage für eine erfolgreiche und kosteneffiziente Planung, Errichtung und Betrieb von Offshore-Windparks. In der Planungs- und Ausführungsphase bietet das Fraunhofer IWES Projektplan- und Wetterrisikoanalysen an, um potenzielle Risiken frühzeitig zu identifizieren und zu bewerten. Dank seiner Expertise kann das Fraunhofer IWES dabei helfen, Risiken zu minimieren und die Effizienz der Projektlogistik zu optimieren. Für bereits errichtete Offshore-Windparks lassen sich mit den Post-Construction- und Performance-Analysen Leistung und Effizienz des Parks bewerten. Basierend auf den Ergeb- nissen kann das Fraunhofer IWES Empfehlungen zur Opti- mierung geben. Durch die konzeptionelle Auslegung von Instandhaltungskonzepten für Offshore-Windparks sowie die Beurteilung bestehender Konzepte hilft das Fraunhofer IWES, die optimale Betriebsstrategie für Windparks zu finden und Kosten zu minimieren. Bewertung von Risiken, Verfügbarkeit und Lebenszykluskosten entlang der gesamten Wertschöpfungskette Erstellung strategischer Entscheidungs- grundlagen und Szenarien für Betreiber, Behörden und Dienstleister Darüber hinaus bietet das Fraunhofer IWES die Opti- mierung der O&M-Logistik an, um Betrieb und Instand- haltung der Offshore-Windparks effizienter zu gestalten. Das Fraunhofer IWES analysiert die logistischen Prozesse und entwickelt maßgeschneiderte Lösungen, um die Ver- fügbarkeit der Turbinen zu maximieren und die Betriebs- und Instandhaltungskosten zu optimieren. 53
» Das Fraunhofer IWES: einmalige Infrastruktur, Erfahrung und Innovationsgeist unter einem Dach. Fit für alle Herausforderungen der Wind- und Wasserstoffbranche!« Prof. Dr.-Ing. Andreas Reuter Institutsleiter
Angewandte Forschung für Kunden Das Fraunhofer IWES steht für starke Kooperationen und inhaltliche Zusammenarbeit. Wir haben stehts die Lösung des Problems und die Einführung der Innovation in den Betrieb oder in den Markt zum Ziel. Passende Lösungsansätze für Unternehmen mit technologischen Herausforderungen zu entwickeln, ist unsere Stärke. Gern unterstützen wir Sie bei allen Fragen rund um die Planung, Realisierung und Optimierung von Wind- energieanlagen oder der Wasserstofferzeugung. Sprechen Sie uns an! Machen Sie sich auf die Suche nach den passenden Kartenpaaren. Einfach ausschneiden und losspielen. Beim Fraunhofer IWES ist jeder Match ein Treffer. WISSENs bar stark FORSCHER MESS gründig voll ANT RIEBs WIND geist
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Impressum Herausgeber Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES Am Seedeich 45 | 27572 Bremerhaven info@iwes.fraunhofer.de www.iwes.fraunhofer.de Das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES ist eine rechtlich nicht selbstständige Einrichtung der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Hansastraße 27 c | 80686 München www.fraunhofer.de Stand: März 2026 Bildnachweis Seite 1: Paul Langrock Seite 2-5: Fraunhofer IWES Seite 6: Timo Lutz Seite 7: Jens Meier Seite 8/9: Fraunhofer IWES/gobasil Seite 10: Fraunhofer IWES/Gerrit Wolken-Möhlmann Seite 11: Frank S. Bauer, Frank S. Bauer Seite 12: Fraunhofer IWES Seite 13: Brazhyk - stock.adobe.com Seite 14/15: Paul Langrock Seite 17-19: Frank S. Bauer Seite 20/21: Fraunhofer IWES Seite 22: Frank S. Bauer Seite 23: Windenergieanlage - istockphoto instamatics, Seite 25: iStock_inkoly klein von links oben nach rechts unten: Jan Meier, Hermann Kolbeck, Marcus Heine, Fraunhofer IWES/Thomas Viergutz, Diagramm - Pixabay Buffik Redaktion Inna Eck, Leiterin Kommunikation Layout Fraunhofer IWES Druck UmweltDruckhaus Hannover GmbH | 30851 Langenhagen www.umweltdruckhaus.de Gedruckt im Offsetdruck mit Bio-Farben auf Circle Offset Premium Whitematt 100 % Altpapier www.blauer-engel.de/uz195 · ressourcenschonend und umweltfreundlich hergestellt · emissionsarm gedruckt · hauptsächlich aus Altpapier (cid:31)(cid:31)(cid:31)(cid:31) HO3 Hydrogen Lab Fraunhofer IWES Seite 26: Till Schuster/Linde GmbH - Anlage in Leuna, Seite 27: Fraunhofer IWES Seite 29: Fraunhofer IWES Seite 30: Fraunhofer IWES Seite 31: HSEL/Tobias Trapp Seite 32/33: Fraunhofer IWES/Gerrit Wolken-Möhlmann Seite 34: Fraunhofer IWES Seite 35: Marcus Heine Seite 36/37: Jan Meier Seite 38: Fraunhofer IWES Seite 40: PORT OF ESBJERG-CHRISTER HOLTE Pages 40/41: Fraunhofer IWES Seite 41: Jan Meier Seite 43-44: Fraunhofer IWES Seite 45: Frank S. Bauer Seite 47: Paul Langrock Seite 48: Fraunhofer IWES, erstellt mit ParaView Seite 49: Paul Langrock Seite 51+54: taviphoto/photocase 59
Zertifizierung Unser Integriertes Managementsystem ist zertifiziert gemäß ISO 9001, ISO 45001, ISO 14001 und ISO 50001.* Akkreditierung Unser akkreditiertes Labor Feldmessungen ist von der Deutschen Akkreditierungsstelle (DAkkS) nach ISO/IEC 17025 als Prüflabor mit flexiblem Geltungsbereich der Akkreditierung Kategorie A** akkreditiert. Wir bieten Prüfungen der mechanischen Beanspruchung von Windenergieanlagen und Messungen des Leistungsverhaltens von Windenergieanlagen an. * Ausnahmen: Die Standorte Hannover (Postkamp 12) und Oldenburg sind mit ISO 9001 und ISO 50001 zertifiziert. ** Kategorie A: In diesem Bereich ist es dem Labor gestattet − ohne vorheriger Zustimmung der DAkkS − die in der Urkunde gelisteten Prüfverfahren mit unterschiedlichen Ausgabeständen der Normen anzuwenden. 60
Die Fraunhofer-Gesellschaft Das Fraunhofer IWES ist eins von 75 Instituten und selbstständigen Forschungseinrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft, die ihren Sitz in Deutschland hat und eine der führenden Organisationen für anwendungsorientierte Forschung ist. Im Innovationsprozess spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale Rolle – mit Forschungsschwerpunkten in zukunftsrelevanten Schlüsseltechnologien und dem Transfer von Forschungsergebnissen in die Industrie zur Stärkung unseres Wirtschafts- standorts und zum Wohle unserer Gesellschaft. Die Fraunhofer-Gesellschaft gehört zu den beliebtesten Arbeitgebern Aktuelle Studien von trendence und Universum zeigen, dass die Fraunhofer-Gesellschaft nicht nur für Forschung auf Spitzenniveau steht, sondern auch als attraktiver Arbeitgeber in Deutschland überzeugt. 2. PLATZ Attraktivste Arbeitgeber 2025 Für Akademiker_innen Forschung / Ingenieurwissenschaften P R O F E S S I O N A L Most Attractive E M P L O Y E R S G E R M A N Y S T U D E N T Most Attractive E M P L O Y E R S G E R M A N Y 2025 2025 Gute Gründe für das Arbeiten am Fraunhofer IWES! Das Fraunhofer IWES bietet spannende Forschungsfragen und hervorragende Rahmenbedingungen, um eigene Ideen in die Tat umzusetzen. Die einzigartigen Prüfstände, exzellente Messinfrastruktur sowie modernste Technologien schaffen eine ideale Grundlage für außergewöhnliche experimentelle Versuche und Tests und die Umsetzung praxisnaher Forschungsprojekte. Im Bereich Wind- und Wasserstofftechnologien entwickelt das Fraunhofer IWES gemeinsam mit Kunden und Partnerinstitutionen Lösungen für aktuelle und künftige Herausforderungen. Innovative Ansätze werden am Fraunhofer IWES gemeinsam in interdisziplinären und diversen Teams in die Anwendung überführt – stets mit dem Ziel, den technologischen Fortschritt aktiv mitzugestalten. Für das besonders positive Mitarbeitendenfeedback wurde das Fraunhofer IWES, zuletzt 2025, als kununu Top Company ausgezeichnet. Veränderung startet mit uns. MEHR INFO