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10.1.2017 - Jann Raveling

Förderprojekt in der Windenergie: Neues Flügel-Konzept reduziert Lasten

Windenergie

Ingenieurbüro P.E. Concepts will die Windkraft revolutionieren

Nabe einer Windenergieanlage: Gut zu erkennen, wie sich die Rotorblätter in der Nabe drehen können
Nabe einer Windenergieanlage: Gut zu erkennen, wie sich die Rotorblätter in der Nabe drehen können © Uwe Schlick/Pixelio.de

Das Ingenieurbüro P.E. Concepts hat ein Konzept entwickelt, das die Last auf Turm und Gondel um bis zu 30 Prozent reduziert. So können Hersteller leichtere und günstigere Anlagen bauen. Die Idee wurde mit Mitteln aus dem Programm zur Förderung anwendungsnaher Umwelttechniken (PFAU) durch die WFB Wirtschaftsförderung Bremen GmbH unterstützt. Nun suchen die Bremer Partner für die Umsetzung in die Praxis.

Die Ingenieure von P.E. Concepts haben sich dem Rotorpitch angenommen. Der Pitch bezeichnet in der Aerodynamik den Anstellwinkel eines Rotors in den Luftstrom – ob bei einem Propellerflugzeug oder einer modernen Windkraftanlage. In der Rotornabe befindet sich dazu für jedes Rotorblatt ein sogenanntes Pitchlager, in dem der gesamte Flügel verankert ist. Das Lager ermöglicht die Steuerung der Anlage durch kleine Drehungen des Flügels, je nach Stärke des Windes. So können schwache und starke Winde gleichermaßen optimal genutzt werden. Zusätzlich werden die Pitchlager dafür benötigt, die Flügel der Windkraftanlage bei Sturm komplett aus dem Wind zu drehen und damit die Anlage abzuschalten, um eine Beschädigung zu vermeiden.


Hohe Last wirkt auf die Pitchlager

Bei modernen Anlagen erzeugt das Pitchlager jedoch zunehmend Probleme: Rotorblätter heutiger 8-Megawatt-Anlagen sind bis zu 90 Meter lang. Auf die Pitchlager wirken bei starken Winden extreme Kräfte. Das führt zu Materialermüdung, hohen Wartungskosten und verlangt eine immer aufwändigere Turmkonstruktion.

Die Ingenieure von P.E. Concepts wollen die Steuerung der Windenergieanlage nun durch Klappen ermöglichen, ähnlich wie beim Flugzeug. „Wie bei einer kleinen Cessna können an der Flügelhinterkante Klappen hoch- und runtergefahren werden“, erklärt der Niederlassungsleiter Bremen von P.E. Concepts, Lorenz Meesenburg. Ganz ähnlich soll es zukünftig in der Windenergie aussehen.

Lorenz Meesenburg, Niederlassungsleiter Bremen, im Hintergrund sein Chef Holger Lange
Lorenz Meesenburg, Niederlassungsleiter Bremen, im Hintergrund sein Chef Holger Lange © WFB/Jann Raveling

Neue Flügelkonzepte dank Klappen

Die Klappen ersetzen das Pitchlager nicht vollständig. Sie nehmen dem Lager aber eine seiner bisherigen Hauptaufgaben, die Reaktion auf sich ändernde Windgeschwindigkeiten, ab. „Wir trennen Leistungsregelung und Abschaltung voneinander. Das ist eine neuartige und vielversprechende Idee in der Konstruktion von Windkraftanlagen“, so Meesenburg.

Die die Bremer haben in ihren Simulationen verschiedene Möglichkeiten durchgespielt, wie der Flügel in Zukunft aussieht: So könnte zusätzlich das Pitchlager statt in die Rotornabe weiter in die Blattspitze verlagert werden. Dies führt zu erheblich kleineren Lasten im heute sehr strapazierten Lager.

Ergebnis der Untersuchungen: Der Einbau von Klappen in den Flügel reduziert die Lasten auf Gondel und Turm. „So sinkt die Gesamtlast in der Turmkonstruktion. Wir können leichtere und damit auch kostengünstigere Anlagen entwerfen“, erklärt Lorenz Meesenburg. Das mache auch die gestiegenen Kosten für die aufwändigere Blattkonstruktion, die Wartung und Instandhaltung der Klappen wieder wett, schätzt er.

Untersuchungen zum Einsatz von Klappen in der Windenergie: P.E. Concepts ist spezialisiert auf Simulationen
Untersuchungen zum Einsatz von Klappen in der Windenergie: P.E. Concepts ist spezialisiert auf Simulationen © P.E.Concepts

Innovative Ideen mit solidem Fundament

Die Idee ist revolutionär – denn in bisherigen Windkraftanlagen sind Rotorblätter ohne jegliche Mechanik ausgerüstet. Bei P.E. Concepts ist man von der Machbarkeit überzeugt. Das Ingenieurbüro aus Essen mit Niederlassungen in Bremen und Hamburg entwickelt Modelle, Entwürfe und Konzepte für alle namhaften Windkraftanlagen-Hersteller und –Projektierer der Welt. „Wir kommen dann zum Zuge, wenn Standards nicht mehr helfen und andere nicht mehr weiter wissen. Wir treiben Entwicklungen voran“, sagt Holger Lange, Geschäftsführer des 2002 gegründeten Unternehmens.

In Bremen sitzen insgesamt acht Spezialisten für Aufträge im Maschinen- und Anlagenbau. 2,5 Jahre lang haben davon bis zu vier Ingenieurinnen und Ingenieure an der Kombination aus Pitchlager und Klappen im Flügel gearbeitet. Nun ist aus der Idee ein Konzept geworden. Das heißt: In Simulationen haben sie bewiesen, dass ihr neuer Flügel funktioniert. „Für das Projekt haben wir unsere Simulationssoftware stark weiterentwickelt, und haben uns damit wichtiges Know How für die zukünftige Generation der Anlagensimulation gesichert“, so Lange.

Holger Lange, Geschäftsführer P.E. Concepts
Holger Lange, Geschäftsführer P.E. Concepts © WFB/Jann Raveling

Wissenschaftliche Basis am Standort Bremen

Er muss es wissen: Als Professor für Strukturen von Windenergieanlagen an der Hochschule Bremerhaven ist die Windenergie-Forschung sein Element. Die Nähe zur Wissenschaft sei auch das, was P.E. Concepts stark mache, so Lange. Und gleichzeitig ein guter Weg, um Nachwuchskräfte zu gewinnen: Studierende des Jahrgangs haben regelmäßig die Chance, in das Unternehmen einzusteigen. „Im Vergleich zum Ruhrgebiet, zum Süden oder auch zu Hamburg hat Bremen den Vorteil, dass wir einfacher hochqualifiziertes Personal für uns gewinnen können“, erzählt Lange.


Im Herz des Technologieparks

Seit 2007 betreibt P.E. Concepts das Büro in Bremen, im BITZ Bremer Innovations- und Technologiezentrum. Dort profitieren sie von den vielen Vorteilen eines Technologie- und Gründerzentrums. „Der Austausch im Flur mit anderen jungen Unternehmen, die gute Internetverbindung durch Briteline und die Nähe zur Uni und den wichtigen Playern der Windbranche machen für uns den Standort so wertvoll“, sagt Lange.


Forschung und Entwicklung fördern mit der WFB

Das neuartige Rotorkonzept wurde durch eine Förderung aus dem Programm zur Förderung anwendungsnaher Umwelttechniken (PFAU) ermöglicht, das die WFB im Auftrag des Umweltsenators umsetzt. In dem Programm können Anträge für Darlehen und Zuschüsse gestellt werden. „Neue Produkte und innovative Geschäftsmodelle sind oft mit hohen unternehmerischen Risiken und Vorleistungen verbunden. Die Idee von P.E. Concepts haben wir deshalb mit Mitteln aus dem PFAU-Programm gefördert. So können wir die Risiken minimieren und Innovation ermöglichen“, erläutert Dr. Detlef Pukrop, Innovationsmanager bei der WFB.

Der nächste Schritt für das Ingenieurbüro ist nun, Industriepartner für eine Praxisumsetzung zu gewinnen und die Konstruktion der Klappen näher zu spezifizieren. Vom Erfolg ist Professor und Geschäftsführer Lange überzeugt: „Wir haben ein großes Netzwerk in Forschung und Wirtschaft. Unternehmen haben Vertrauen in unsere Fähigkeiten. Und bisher ist aus jedem unserer Forschungsprojekte etwas Greifbares entstanden!“


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Näheres zu Förderprogrammen für die Windkraft und andere Branchen gibt es bei Dieter Voß, Tel.: 0421 361-32175, dieter.voss@wah.bremen.de

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