Werkstoffe in der Windenergie - Seminare

 

 

Werkstoffe_4_5_nt-Fotolia-com_Fotolia_30947745_L_AP_0Am Beispiel Korrosion in der Offshore-Windenergie-Branche
B.Sc. Kristina Spasova

Das Thema Korrosion ist bei Offshorewindenergieanlagen ein heiß diskutierter Bereich in der Windenergiebranche. Aufgrund der aggressiven Umgebungsbedingungen, bedingt durch den erhöhten Feuchteeinfluss, den Salzgehalt in der Luft, das salzige Spritzwasser und die deutlich höheren Windgeschwindigkeiten, gekoppelt mit zusätzlichen Seegangslasten, werden die Anlagenkomponenten stark beansprucht. Im Offshore-Bereich haben Faktoren, wie Erreichbarkeit, Zuverlässigkeit und die technische Verfügbarkeit der gesamten Anlage einen wesentlich höheren Stellenwert verglichen mit Anlagen auf Land, insbesondere was Kosten, den logistischen Aufwand und Wartung & Betrieb betreffen.

Korrosion wird in einem Zusammenspiel von Werkstoff, Sauerstoff und Elektrolyt verursacht, kann aber auch durch Säure oder Mikroorganismen hervorgerufen werden. Dann wird von einer so genannten mikrobiellen Korrosion gesprochen.

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Werkstoffe in der Windenergie - Seminare

 

 

Werkstoffe_4_5_nt-Fotolia-com_Fotolia_30947745_L_AP_0Am Beispiel Korrosion in der Offshore-Windenergie-Branche
B.Sc. Kristina Spasova

Das Thema Korrosion ist bei Offshorewindenergieanlagen ein heiß diskutierter Bereich in der Windenergiebranche. Aufgrund der aggressiven Umgebungsbedingungen, bedingt durch den erhöhten Feuchteeinfluss, den Salzgehalt in der Luft, das salzige Spritzwasser und die deutlich höheren Windgeschwindigkeiten, gekoppelt mit zusätzlichen Seegangslasten, werden die Anlagenkomponenten stark beansprucht. Im Offshore-Bereich haben Faktoren, wie Erreichbarkeit, Zuverlässigkeit und die technische Verfügbarkeit der gesamten Anlage einen wesentlich höheren Stellenwert verglichen mit Anlagen auf Land, insbesondere was Kosten, den logistischen Aufwand und Wartung & Betrieb betreffen.

Korrosion wird in einem Zusammenspiel von Werkstoff, Sauerstoff und Elektrolyt verursacht, kann aber auch durch Säure oder Mikroorganismen hervorgerufen werden. Dann wird von einer so genannten mikrobiellen Korrosion gesprochen.

Während im oberen Bereich der Anlage (Gondel und Rotorblätter) Faktoren wie die UV-Strahlung und die Anwesenheit von Salzpartikeln in der Luft eine Korrosionsrate bei unbehandeltem Stahl von ca. 80-200 µm/Jahr verursachen können, kann sich diese im Spritzwasserbereich (Übergang vom Turm in die Gründungsstruktur) beträchtlich erhöhen und im Jahr zwischen 200-500 µm betragen. Hier kommen zusätzliche Parameter ins Spiel - wasser- oder eisbedingte Erosion. Unter der Wasseroberfläche verringert sich die Korrosionsrate auf 100-200 µm/Jahr, wobei in diesem Bereich zusätzlich noch der Faktor Bioablagerungen auftreten kann [1].

Nach der DIN EN ISO 12944 werden die makroklimatischen Standortbedingungen von Stahlbauten in sechs verschiedene atmosphärische Korrosivitätskategorien eingeteilt. Beginnend mit C 1, der untersten Kategorie mit geringem Einfluss auf die Korrosion, steigt die Korrosivität mit zunehmender Kategorie an. Der große Teil der Hersteller stuft seine Offshore-Windenergieanlagen in die vorletzte Korrosivitätskategorie C 5 ein. Dies gilt nicht nur für den Aufbau und Betrieb der Anlagen, sondern bereits für die Lagerung am Hafenbecken und für den Transport, da es hier schon zur Berührung mit aufspritzendem Seewasser kommen kann. Komponenten in der Gondel werden offshore zum Teil sogar mit der Kategorie C 4 eingestuft, da hier der Faktor Temperatur dazu kommt. Der Unterschied zwischen der untersten und der obersten Kategorie zeigt sich insbesondere auch in den Gesamtkosten der notwendigen Beschichtung, die bis zu 50 % höher ausfallen können [7].

Beschichtet werden die Anlagenkomponenten schon vor der Errichtung. Durch den Transport und den Aufbau kann es jedoch zu Beschädigungen kommen, die nachträglich repariert werden müssen, was mit einem erhöhten Mehraufwand auch im Hinblick auf die Kosten verbunden ist.

Neben dem Einsatz von mehrlagigen Beschichtungssystemen kommen an den Anlagenkomponenten, insbesondere in der Übergangszone zwischen der Meeresoberfläche und der Luft, auch Opferanoden oder ein aktiver kathodischer Korrosionsschutz über Fremdstrom zum Einsatz. Wichtig zur Verhinderung von Korrosion sind aber auch ein hoher Qualitätsstandard bei der Beschichtung sowie korrosionsgerechte Schweißausführungen und Konstruktionen.

Die Hersteller versuchen, durch verschiedene Maßnahmen (Überdruck in der Gondel, Klimaanlage mit Filterung und Außenluftentsalzung) die salzhaltige Luft aus den Windenergieanlagen zu entfernen und den Feuchteeintrag zu minimieren [7].

Durch Mikroöffnungen kann es aber dennoch zum Eindringen salzhaltiger, feuchter Luft in die Nabe und die Gondel oder in die Rotorblattverstellung kommen, was zusammen mit hohen Temperaturen den Korrosionsprozess begünstigt. 
Auch der Einfluss von erhöhtem Feuchteeintrag kann Folgen für die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften von Rotorblättern haben oder in das Schmiermittel übergehen und es somit verunreinigen, was die Struktur, Lebensdauer und Funktionalität beeinflussen kann [2, 3, 4, 5].

Ein noch nicht so bekanntes, aber durchaus ernst zu nehmendes Problem kann die mikrobiell induzierte Korrosion im Offshorebereich werden. Durch die Bildung von Bioablagerungen auf Oberflächen oder in Schmierstoffen mit anschließender Ausscheidung von aggressiven Stoffwechselprodukten, werden zum Beispiel die elektrochemischen Eigenschaften der Grenzschicht zwischen Metall und wässrigem Medium, verändert. Infolgedessen können mikrobiell induzierte Korrosionsprozesse initiiert oder auch beschleunigt werden [2, 3, 6].

 


[1] Rasmussen, Søren N.: Corrosion Protection of Offshore Wind Turbines, HEMPEL A/S, Copenhagen Offshore Wind, 26 – 28 October 2005
[2] Streubel, R.: Kombinierte Umweltprüfungen in der Entwicklung von Luftfahrttechnischem Gerät, VFI, 1994
[3] Ziegahn, K.-F., Schubert, H., Reichert, T., Braunmiller, U.: Lebensdauer von Windkraftanlagen – Überlegungen zur Umweltsimulation, VFI, 2004
[4] Kensche, Christoph W.; Seifert, Henry: Untersuchungen zum Feuchteeinfluß auf Rotorblattmaterialien. - DEWEK '94: 2. Deutsche Windenergie-Konferenz, 22. bis 24. Juni 1994; Tagungsband 1.- Wilhelmshaven: DEWI, 1994. - S. 99-103 [5] Allianz Zentrum für Technik: Vorträge von den 7. AZT-Expertentage 2003 Windenergieanlagen Schäden und Abhilfemaßnahmen, November 2003, Ismaning
[6] von Rege, H., Sand, W.: Mikrobielle Werkstoffzerstörung - Biofilm und Biofouling, Materials and Corrosion 47, 486-494, 1996
[7] Iken, Jörn: Nicht ans untere Limit gehen!, Sonne Wind & Wärme 18/2009

Während im oberen Bereich der Anlage (Gondel und Rotorblätter) Faktoren wie die UV-Strahlung und die Anwesenheit von Salzpartikeln in der Luft eine Korrosionsrate bei unbehandeltem Stahl von ca.... mehr erfahren »
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Während im oberen Bereich der Anlage (Gondel und Rotorblätter) Faktoren wie die UV-Strahlung und die Anwesenheit von Salzpartikeln in der Luft eine Korrosionsrate bei unbehandeltem Stahl von ca. 80-200 µm/Jahr verursachen können, kann sich diese im Spritzwasserbereich (Übergang vom Turm in die Gründungsstruktur) beträchtlich erhöhen und im Jahr zwischen 200-500 µm betragen. Hier kommen zusätzliche Parameter ins Spiel - wasser- oder eisbedingte Erosion. Unter der Wasseroberfläche verringert sich die Korrosionsrate auf 100-200 µm/Jahr, wobei in diesem Bereich zusätzlich noch der Faktor Bioablagerungen auftreten kann [1].

Nach der DIN EN ISO 12944 werden die makroklimatischen Standortbedingungen von Stahlbauten in sechs verschiedene atmosphärische Korrosivitätskategorien eingeteilt. Beginnend mit C 1, der untersten Kategorie mit geringem Einfluss auf die Korrosion, steigt die Korrosivität mit zunehmender Kategorie an. Der große Teil der Hersteller stuft seine Offshore-Windenergieanlagen in die vorletzte Korrosivitätskategorie C 5 ein. Dies gilt nicht nur für den Aufbau und Betrieb der Anlagen, sondern bereits für die Lagerung am Hafenbecken und für den Transport, da es hier schon zur Berührung mit aufspritzendem Seewasser kommen kann. Komponenten in der Gondel werden offshore zum Teil sogar mit der Kategorie C 4 eingestuft, da hier der Faktor Temperatur dazu kommt. Der Unterschied zwischen der untersten und der obersten Kategorie zeigt sich insbesondere auch in den Gesamtkosten der notwendigen Beschichtung, die bis zu 50 % höher ausfallen können [7].

Beschichtet werden die Anlagenkomponenten schon vor der Errichtung. Durch den Transport und den Aufbau kann es jedoch zu Beschädigungen kommen, die nachträglich repariert werden müssen, was mit einem erhöhten Mehraufwand auch im Hinblick auf die Kosten verbunden ist.

Neben dem Einsatz von mehrlagigen Beschichtungssystemen kommen an den Anlagenkomponenten, insbesondere in der Übergangszone zwischen der Meeresoberfläche und der Luft, auch Opferanoden oder ein aktiver kathodischer Korrosionsschutz über Fremdstrom zum Einsatz. Wichtig zur Verhinderung von Korrosion sind aber auch ein hoher Qualitätsstandard bei der Beschichtung sowie korrosionsgerechte Schweißausführungen und Konstruktionen.

Die Hersteller versuchen, durch verschiedene Maßnahmen (Überdruck in der Gondel, Klimaanlage mit Filterung und Außenluftentsalzung) die salzhaltige Luft aus den Windenergieanlagen zu entfernen und den Feuchteeintrag zu minimieren [7].

Durch Mikroöffnungen kann es aber dennoch zum Eindringen salzhaltiger, feuchter Luft in die Nabe und die Gondel oder in die Rotorblattverstellung kommen, was zusammen mit hohen Temperaturen den Korrosionsprozess begünstigt. 
Auch der Einfluss von erhöhtem Feuchteeintrag kann Folgen für die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften von Rotorblättern haben oder in das Schmiermittel übergehen und es somit verunreinigen, was die Struktur, Lebensdauer und Funktionalität beeinflussen kann [2, 3, 4, 5].

Ein noch nicht so bekanntes, aber durchaus ernst zu nehmendes Problem kann die mikrobiell induzierte Korrosion im Offshorebereich werden. Durch die Bildung von Bioablagerungen auf Oberflächen oder in Schmierstoffen mit anschließender Ausscheidung von aggressiven Stoffwechselprodukten, werden zum Beispiel die elektrochemischen Eigenschaften der Grenzschicht zwischen Metall und wässrigem Medium, verändert. Infolgedessen können mikrobiell induzierte Korrosionsprozesse initiiert oder auch beschleunigt werden [2, 3, 6].

 


[1] Rasmussen, Søren N.: Corrosion Protection of Offshore Wind Turbines, HEMPEL A/S, Copenhagen Offshore Wind, 26 – 28 October 2005
[2] Streubel, R.: Kombinierte Umweltprüfungen in der Entwicklung von Luftfahrttechnischem Gerät, VFI, 1994
[3] Ziegahn, K.-F., Schubert, H., Reichert, T., Braunmiller, U.: Lebensdauer von Windkraftanlagen – Überlegungen zur Umweltsimulation, VFI, 2004
[4] Kensche, Christoph W.; Seifert, Henry: Untersuchungen zum Feuchteeinfluß auf Rotorblattmaterialien. - DEWEK '94: 2. Deutsche Windenergie-Konferenz, 22. bis 24. Juni 1994; Tagungsband 1.- Wilhelmshaven: DEWI, 1994. - S. 99-103 [5] Allianz Zentrum für Technik: Vorträge von den 7. AZT-Expertentage 2003 Windenergieanlagen Schäden und Abhilfemaßnahmen, November 2003, Ismaning
[6] von Rege, H., Sand, W.: Mikrobielle Werkstoffzerstörung - Biofilm und Biofouling, Materials and Corrosion 47, 486-494, 1996
[7] Iken, Jörn: Nicht ans untere Limit gehen!, Sonne Wind & Wärme 18/2009

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