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Neue Schweißverfahren für Offshore-Windanlagen

Jede Tonne zählt

Als das deutsche Öko-Institut 1980 das Wort "Energiewende" erfand, schien ein grundlegender Wandel beim Stromverbrauch und -erzeugung noch utopisch. Inzwischen bemühen sich viele Länder um grüne Energie. Dabei spielen Windkraftwerke vor den Küsten eine bedeutende Rolle, denn sie versprechen eine besonders hohe Stromausbeute. Das Aufstellen der riesigen Türme auf offener See ist allerdings eine in jeder Hinsicht schwere Aufgabe. Durch hochfeste Stähle soll sie leichter werden. Das Zusammenfügen der Teile aus dem verbesserten Material bedarf jedoch einer besonderen Schweißtechnik.

Die Masten von Windrädern auf See müssen eine Menge aushalten. Das beginnt schon mit dem enormen mechanischen Einwirkungen beim Aufstellen; über die Zeit wirken Windruck und Wellengang, korrosives Salzwasser, der Wechsel von nassen und trockenen Phasen und UV-Strahlung auf die Türme ein. Material und Schweißnähte müssen alldem über mehrere Jahrzehnte zuverlässig widerstehen können.

Tausend-Tonnen-Brocken
Die Türme bestehen bisher in der Regel aus niedriglegierten Stählen mit vergleichsweise geringer Festigkeit. Umso dicker müssen die Bleche und Rohre sein, aus denen sie hergestellt werden. Das macht die Konstruktion natürlich schwer: Die Stahlmasse von dreifüßigem Fundament, Turm und Gondel beträgt bei den Windrädern des ersten deutschen Offshore-Windparks Alpha Ventus in der Nordsee jeweils rund 1.000 Tonnen. Solche Brocken exakt senkrecht zu verankern, ist eine technische Großleitung, zumal sie auf See aus nur noch wenigen riesigen Teilen montiert werden, die zuvor an Land zusammengebaut wurden.

Für Transport und Montage solcher Jumbo-Elemente steht lediglich eine begrenzte Anzahl an Spezialschiffen zur Verfügung, und die Zeiten, in denen diese eigesetzt werden können, sind ebenfalls eingeschränkt. Nur bei schwachem Wind und niedrigem Wellengang ist die Arbeit auf hoher See möglich. Nicht zuletzt deshalb sollen künftig auch Türme aus hochfesten Stählen produziert werden, die dank deutlich geringeren Wandstärken wesentlich leichter sind. Die Spezialschiffe können dann pro Fahrt eine größere Anzahl laden. Auch das Aufstellen der Türme wird mit geringerem Gewicht einfacher.

Stahlschweißtechnik schafft neuen Möglichkeiten
Moderne hoch- und höherfestige Stähle erhalten ihre mechanischen Eigenschaften maßgeblich durch ihr metallurgisches Gefüge, das durch Wärmebehandlungen und/oder Walzvorgänge eingestellt wird. Mit dem herkömmlichen Lichtbogen-Schweiß-Verfahren können diese Stähle nur sehr aufwendig geschweißt werden, da im Bereich der Schweißnaht sehr viel Wärme ins Material gebracht wird, die das metallurgische Gefüge und somit auch die mechanischen Eigenschaften wieder zerstört. Einen besonderen Vorteil bieten neue Fügeverfahren, die sich durch eine konzentrierte Wärmeeinbringung auszeichnen. So können extrem tiefe und schmale Nähte in einem Durchgang geschweißt werden, zugleich ist der Verzug des Materials minimiert.

An den Universitäten Hannover und Aachen werden deshalb Forschungsprojekte von der Forschungsvereinigung Stahlanwendung mit dem Ziel finanziert, neue Verfahren zu entwickeln, die Türme von Windernergieanlagen aus hochfesten Stählen schnell und verfahrenssicher fügen. Beide Projekte befassen sich mit dem Elektronenstahlschweißen, das sich durch eine konzentrierte Wäremeinbringung in das Bauteil auszeichnet. Während in Aachen das klassische Elektronenstahlschweißen im Vakuum untersucht wird, erforscht man in Hannover das Non-Vacuum-Verfahren an Atmossphäre. Messer ist in beiden Projekten beratend tätig.

Weiterhin ist Messer Partner im Projekt HYBRILAS des deutschen Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Das Projekt befasst sich unter anderem mit dem Laserhybridschweißen von Windenergieanlagen, bei dem die Vorteile des Laserstrahlschweißens und des Lichtbogenschweißens kombiniert werden. Das Laserstrahlschweißen ermöglicht eine konzentrierte Wärmeeinbrinung, und das Lichtbogenschweißverfahren erlaubt größere Maßtoleranzen.

Die Gründungsstrukturen, im Windpark Alpha Ventus sind das riesige Tripod- und Jacketkonstruktionen als Fundamet für einen Turm, werden auf absehbare Zeit weiterhin aus niedriglegierten Stählen gebaut, damit sie bei Bedarf an Ort und Stelle unterhalb der Wasseroberfläche repariert werden können - Unterwasserschweißen ist bislang nur mit dem Lichtbogenhandverfahren möglich. Hochfeste Stähle könne hier aufgrunde der Wärmeeinwirkung im Metall und der schnellen Abkühlung durch das Wasser nicht eingesetzt werden, da eine Versprödung im Bereich der Schweißnaht würde.

Die Konstruktion der neu entstehenden Windparks werden an Land mit dem klassischen Lichtbogenschweißverfahren zusammengefügt. Die hierfür benötigten Schweißgase schützen die Nähte vor atmosphärischen Einflüssen und sichern die hohe Qualität der Schweißverbindung.

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