Stabilität, weniger Vibration

30.03.2013 | 18:13 |  von Martin Kugler (Die Presse)

Beim Forschungsforum der Fachhochschulen werden Lösungen aus der angewandten Forschung präsentiert – etwa aus der Energie- und Materialforschung.

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Der Ausbau der Windenergie wird weiterhin stark vorangetrieben: Weltweit stieg die installierte Leistung im Vorjahr um 19 Prozent auf 1,85 Millionen Megawatt (MW). Noch stärker ist der Zuwachs in Österreich: Derzeit liefern 763 Windräder 1378 MW, heuer werden 150 Anlagen (mit 420 MW) dazukommen. Die Windräder werden nicht nur mehr, sondern auch größer – moderne Drei-MW-Anlagen haben einen Rotordurchmesser von 100 Metern, die Naben befinden sich in mehr als 100 Meter Höhe.

Je größer und leistungsfähiger die Windräder werden, umso exakter müssen sie laufen: Schon kleinste Unwuchten oder dauerhafte Vibrationen senken nicht nur den Wirkungsgrad, sondern bedrohen auch die Struktur und die Stabilität der Bauteile. Gewisse Vibrationen sind freilich unvermeidlich – und sie können auch als Indikatoren für den Zustand einer Anlage herangezogen werden. Noch mehr: Von der Art der Vibration, die man am Turm misst, kann sogar auf eine mögliche Schadensursache geschlossen werden. Genau hier setzt ein Forschungsprojekt der Fachhochschule Vorarlberg an, das kommende Woche auch beim FH-Forschungsforum in Dornbirn präsentiert wird.

Mit herkömmlichen Analyseverfahren konnten bisher zwei Arten von Schwingungen des Rotors nicht unterschieden werden: erstens die Massenunwucht (wie man sie von Autoreifen kennt), und zweitens die aerodynamische Unwucht (wenn der Wind an den Rotorblättern unterschiedlich stark wirkt). Reinhard Schneider und Martin Anker wählten zur Analyse eine alternative Methode namens „kontinuierliche Wavelet-Transformation“ – und siehe da: Damit konnten die beiden Arten von Vibration sauber voneinander getrennt werden. Somit eignet sich die neue Methode gut für eine automatische Zustandsüberwachung: Anhand der Schwingungsdaten können Probleme frühzeitig erkannt und Wartung oder Reparatur besser geplant werden.


Beton und Umwelt. Mit demselben Verfahren konnte übrigens auch die Bestimmung einer zweiten wichtigen Schwingungsart bei Windkraftanlagen analysiert werden: die Eigenfrequenz des Turms. Dieser wird durch den sogenannten „Turmvorstau“ – einen periodischen Druckabfall beim Überdecken von Rotorblatt und Turm – zum Schwingen angeregt. Die für jede Anlage individuelle Frequenz konnte mit dem neuen Analyseverfahren auf ein Prozent genau bestimmt werden.

Herkömmlicherweise werden Windkraftanlagen aus riesigen Stahlrohren gefertigt, in letzter Zeit sind aber auch Betonelemente für den Turmbau im Kommen – der Hersteller Enercon etwa hat kürzlich im Burgenland ein großes Werk dafür in Betrieb genommen.

Mit der Größe der Anlagen steigen auch die Anforderungen an den Baustoff. Sogenannter „ultrahochfester Beton“ (UHPC) hat eine viel höhere Festigkeit, wodurch Brücken, Türme und andere Konstruktionen größer, aber auch schlanker ausgeführt werden können. Die Sache hat aber einen Haken: Bedingt durch den höheren Zementgehalt ist auch der ökologische Fußabdruck von UHPC wesentlich größer. Die Zementindustrie steht für fünf bis acht Prozent der weltweiten CO2-Emissionen (zur Hälfte deswegen, weil beim Brennen bei 1459 Grad CO2 aus den Gesteinsrohstoffen frei wird).

An der Fachhochschule Kärnten haben Sandra Ofner, Norbert Randl und Erwin Baumgartner in einem FFG-Projekt nach Abhilfe gesucht: In Versuchsreihen wurde ein Teil des Zements durch andere Materialien ersetzt, die günstigere Umwelteigenschaften haben.


Zementersatz. Dazu kann etwa Hüttensand oder Flugasche verwendet werden, die ebenfalls mit Wasser zu festen Strukturen reagieren, aber ohne zusätzlichen Energieaufwand als Abfallprodukte in der Industrie anfallen. Wie nun beim FH-Forschungsforum berichtet wird, können 45 Prozent des Zements durch extrafeinen Hüttensand substituiert werden, ohne dass Festigkeit oder Verarbeitbarkeit darunter leiden.

Die Forscher merken an, dass die Substitution von Zement nur der erste Schritt zur Verbesserung der Nachhaltigkeit von Hochleistungsbeton sei. Wenn man berücksichtige, dass durch UHPC die Querschnitte um bis zu 50 Prozent schlanker sein können und die Lebensdauer bis zu dreimal höher ist, würden die Werte von Normalbeton nicht nur erreicht, sondern teilweise übertroffen. Was auch für die Errichter der immer größer werdenden Windkraftanlagen interessant sein dürfte.

Forschung

Das 7. Forschungsforum der österreichischen Fachhochschulen findet am 3. und 4. April 2013 an der FH Vorarlberg in Dornbirn statt. Unter dem Motto „Grenzenlos kooperieren – Forschung im Dialog mit Gesellschaft und Wissenschaft“ werden 86 wissenschaftliche Arbeiten sowie 67 Poster präsentiert.

Die Schwerpunkte: Energieeffizienz, Materialeigenschaften, Mechatronik, Automatisierung, Personal- und Innovationsmanagement, Sozialwirtschaft, Gesunderhaltung des Menschen sowie Informations- und Kommunikationstechnologien.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 31.03.2013)

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