Auf dem Prüfstand: Die Energielösungen von morgen
An der Universität Clemson wurde eine alte Werft in das weltweit größte Prüfzentrum für Windenergie verwandelt. Die RENK Test System GmbH (RTS), ein Unternehmen aus Deutschland, hat die derzeit weltweit leistungsfähigsten Prüfstände entwickelt, gebaut und geliefert. Sie sind in der Lage, jede erdenkliche Windlast zu simulieren.
DIE ERZEUGUNG von Energie aus Windkraft ist weltweit auf dem Vormarsch, und so hat auch die US-Regierung ihre Absicht verkündet, die landesweite Energiegewinnung durch Windräder von 35 auf mehr als 300 Gigawatt auszubauen, was einer Leistung von etwa 270 mittelgroßen Kernkraftwerken entspricht. Das neue Testzentrum an der Universität Clemson in South Carolina spielt bei der Realisierung dieses Ziels eine entscheidende Rolle. Zum ersten Mal überhaupt können Windrad-Prototypen mit einer Leistung von bis zu 15 Megawatt (MW) jeder erdenklichen Windstärke, bis hin zum Hurrikan, ausgesetzt werden. Wie leistungsfähig diese Testanlage tatsächlich ist, wird deutlich, wenn man bedenkt, dass heutige Windkraftanlagen im Durchschnitt lediglich 3-7 MW Strom erzeugen.
„WIR BRAUCHEN nicht erst auf den Jahrhundert-Sturm zu warten“, sagt Jens Schneider, Projektmanager bei RTS in Augsburg, Deutschland. „Unsere Prüfstände simulieren die extremsten Bedingungen in nur wenigen Monaten und Hersteller sparen Hunderte von Millionen Dollar, indem Schwachstellen bereits vor Aufstellung neuer Systeme erkannt werden. Diese Einsparungen an Zeit und Geld sind einer der Gründe, warum das Interesse an unseren Prüfständen in letzter Zeit so enorm zugenommen hat.“
Als das Clemson-Projekt vor einigen Jahren ins Leben gerufen wurde, erhielt RTS den Auftrag, zwei Prüfstände zu bauen. Das Unternehmen, eine Tochtergesellschaft der RENK AG, entwickelt und produziert seit den 1960er Jahren hochmoderne Prüfanlagen für Getriebe, Antriebskomponenten und Komplettfahrzeuge.
DAS CLEMSON-PROJEKT ist bis heute der größte Einzelauftrag in der Unternehmensgeschichte und RTS musste sein Personal in den Niederlassungen Mooresville und Augsburg aufstocken, um die Anforderungen erfüllen zu können. Das Unternehmen hat zwei Prüfstände entwickelt: einen 15 MW-Prüfstand mit volldynamischer Lastbeaufschlagung, bei dem Hydraulikzylinder zum Einsatz kommen und ein 11.000 PS-Motor die Kraft und Momente auf die drehende Welle der Turbine überträgt, sowie eine kleinere Anlage für Prüfobjekte bis 7,5 MW.
Der 15 MW-Prüfstand ist 30 Meter (98,5 Fuß) lang, 13 Meter (42,5 Fuß) breit und 14 Meter (46 Fuß) hoch. Seit Beginn des Aufschwungs der Windenergie in den 1980er Jahren haben sich Tests auf einzelne Komponenten beschränkt, aber diese riesigen Prüfstände ermöglichen jetzt, eine komplette Windradgondel mit einem Durchschnittsgewicht von 300 bis 400 Tonnen auf dem Prüfstand zu fahren und dynamische Belastungen in sechs Bewegungsachsen zu simulieren. Dafür musste RTS Anlagenteile mit einem Gesamtgewicht von 800 Tonnen in die USA verschiffen, darunter auch eine Vielzahl an Superbolt Spannelemente mit Vielfachschrauben (MJTs), sowie Superbolt Spreizbolzen.
„DIESE PRÜFTECHNOLOGIE IST AUF DEM ALLERNEUSTEN STAND und sie wird auch in den nächsten 30 Jahren verwendet werden, um neue Windkraftanlagen zu testen“, sagt Jens Schneider. „Darum fiel die Wahl auf Superbolt-Spannelemente: Die damit ausgestatteten Schraubenverbindungen werden so den Beanspruchungen durch leistungsfähigere Turbinen von morgen problemlos standhalten.“
Die wichtigsten Schraubenverbindungen der beiden Prüfstände sind mit insgesamt 874 Superbolt MJTs und Spreizbolzen in Größen von M42 bis M125 ausgestattet. Die größten dienen zur Befestigung der Funktionseinheiten des Prüfstandes an den 6.000 Tonnen-Betonfundamenten. Sie gewährleisten, dass die Prüfstände von der Hauptkonstruktion entkoppelt sind. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich Vibrationen übertragen und Testergebnisse verfälschen. Die restlichen MJTs und Spreizbolzen kommen in den Antriebssträngen der Prüfstände zum Einsatz, die die Drehzahl des Prüfobjekts regeln, sowie in der Wellenkupplung der Lasteinheit, die der Simulation von Windlasten dient.
„Diese Bauteile müssen bei der Simulation härtester Offshore-Bedingungen extremen dynamischen Belastungen Stand halten, und damit alles an Ort und Stelle bleibt, werden riesige Schrauben benötigt“, erklärt Jens Schneider. „Für das Festziehen und Ausbauen konventioneller Schrauben sind schwere Hydraulikwerkzeuge erforderlich. Superbolt-Produkte bieten die gleichen oder sogar höhere Vorspannwerte, aber sie ermöglichen uns, mit normalen Handwerkzeugen zu arbeiten, die wesentlich flexibler sind.“
„90 Prozent der Prüfstandkomponenten wurden in Augsburg gefertigt, aber wir hatten nicht genug Platz, um die gesamte Anlage vorab aufzubauen und zu testen“, führt Jens Schneider weiter aus. “Also hatten wir nur einen Versuch, um alles richtig zu machen. Durch die Superbolt Spannelemente waren wir in der Lage, beide Prüfstände in nur sechs Monaten aufzubauen.“
ALS 2013 DIE ERSTEN WINDKRAFTANLAGEN IN CLEMSON GETESTET wurden, war die Windkraft gerade zur primären Quelle für neue elektrische Energie in den USA avanciert, obwohl sie nach wie vor nur 3,5 Prozent zur Deckung des landesweiten Strombedarfs beiträgt und bis heute noch keine Offshore-Windparks an den US-Küsten zu finden sind. Durch Prüfstände wie den an der Universität Clemson kann sich diese Situation früher als erwartet ändern.
FAKTEN: WINDENERGIE
KAPAZITÄT DER WINDKRAFT WELTWEIT:
>336 Gigawatt (entspricht etwa dem Bedarf von bis zu 200 Millionen Haushalten).
DURCHSCHNITTLICHER ROTORDURCHMESSER:
97 Meter/318 Fuß.
DURCHSCHNITTLICHE NABENHÖHE:
113 Meter/370 Fuß.
GRÖßTE WINDKRAFTANLAGE DER WELT:
SeaTitan 10 MW (Rotordurchmesser: 190 m).
GRÖßTER WINDPARK DER WELT:
Gansu Wind Farm, China (Kapazität: 6.000 MW).
FÜHRENDE NATION AUF DEM GEBIET DER WINDKRAFT:
Dänemark (33 Prozent des Stroms werden aus Wind erzeugt).
Vorteile von Superbolt
- HÄLT extremen dynamischen Belastungen ohne Lösen der Schraube stand.
- DAS FESTZIEHEN und Lösen erfolgt mit normalen Handwerkzeugen.
- ERMÖGLICHT EINE PROBLEMLOSE Montage vor Ort.