Windmessung auf See: LiDAR-Messbojen im Offshore-Einsatz

Photonik für die Energiewende

Ob beim Bau von Windenergieanlagen und Windparks oder in der Photovoltaik-Fertigung, beim Aufbruch in eine nachhaltige Energieversorgung dient die Photonik als stiller Enabler.

Sie werden immer länger. Vor zehn Jahren maßen die längsten Rotorblätter für Windenergieanlagen 60 Meter. Mittlerweile überschreiten erste Hersteller die 100-Meter-Grenze. Bei der Fertigung dieser mechanisch hochbelasteten Großstrukturen aus Glas- und Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (GFK/CFK) ist Präzision gefragt. Denn sie müssen mindestens 20 Jahre lang enormen Kräften trotzen, die auftreten, wenn Starkwinde sie auf Geschwindigkeiten von bis zu 80 Meter pro Sekunde beschleunigen, Windböen an ihnen rütteln oder Blitze einschlagen. Zugleich entscheidet die in Simulationen perfektionierte, aufwendige Formgebung über den Energieertrag und die Schallemissionen. Gewicht, Kosten, Stabilität und Funktionalität der Rotorblätter hängen davon ab, dass die simulationsgestützt optimierte Form im Fertigungsprozess exakt umgesetzt wird.

Präzise Ausrichtung mithilfe von Lasertechnik

Doch wie schaffen es Fertiger, die Glas- und Kohlenstofffasermatten exakt, mit minimalem Überlapp in den 3D-geformten Gießformen der Rotorblatthalbschalen zu positionieren? Was sorgt in den über 100 Meter langen Großstrukturen für Orientierung? Die Antwort findet sich in der Photonik. Lasersysteme projizieren anhand der CAD-Konstruktionsdaten millimetergenaue Schnittmuster für die Fasermatten auf die gekrümmten Oberflächen und sorgen damit für Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit im manuellen Legeverfahren. Zudem können sich mehrere Teams sicher in ein und derselben Halbschale orientieren, was die Fertigung beschleunigt. Neben Linien können die auf Faser- oder Diodenlasern basierenden Systeme auch Anleitungen und Zahlen auf die Großstrukturen projizieren, um ungelernte oder neu eingestellte Arbeiter sicher durch den Fertigungsprozess zu führen.

Laser verhelfen den Herstellern nicht nur in der Rotorblattfertigung zu hoher Präzision. Sie sind längst auch beim exakten Ausrichten der Generatoren, Getrieben, Wellen und Kupplungen der Windturbinen unverzichtbar. Auch Turmhersteller nutzen moderne lasergestützte Messsysteme, um die Ebenheit der Flanschflächen von Turmsegmenten zu verifizieren. Da die Durchmesser solcher Stahlstrukturen teils über sechs Meter betragen, erfolgt die Lasermessung abschnittsweise, ehe Software die Resultate zum Gesamtergebnis fusioniert. Dagegen können Laserverfahren die kleineren Rotorblattflansche in einem Durchgang vermessen. Grundsätzlich gilt: Mithilfe der präzisen optischen Messungen kann die Windindustrie das Risiko von Montagefehlern, erhöhtem Verschleiß und ertragsmindernden Vibrationen minimieren – und gerade im Offshore-Einsatz teuren Anlagenausfällen vorbeugen.

LiDAR-Technik unterstützt Ertragsanalysen und Standortsuche

Bevor die Windparkplanung konkret wird, versuchen Betreiber die Windbedingungen vor Ort möglichst genau zu erfassen. Lange waren Messtürme das Maß aller Dinge. Doch mittlerweile kommen immer häufiger flexible und günstigere LiDAR-Systeme zum Einsatz, die anders als Masten auch ohne eine Baugenehmigung aufgestellt werden können. Vom Boden oder auf See von Bojen aus erfassen diese Systeme Windgeschwindigkeiten, Windrichtung und Turbulenzen, indem sie Laserstrahlen senkrecht gen Himmel senden. Licht, das auf Partikel im Wind trifft, wird reflektiert. Aus diesen Reflektionen ist es möglich, exakt auf die Windbedingungen in unterschiedlichen Höhen zu schließen. Selbst, wo mit Masten gemessen wird, ist LiDAR-Technik für höhere Luftschichten gefragt. Zumal sie einen weiteren Vorteil hat: Sie kann über Monate die Bewegungen und exakten Flughöhen von Vögeln am geplanten Standort aufzeichnen, um beispielsweise zu klären, ob Standorte auf Vogelzugrouten liegen.

Mit der Errichtung der Windparks hört der Laser-Einsatz keineswegs auf. LiDAR-Messungen dienen als Grundlage für Feinanalysen der aerodynamischen Effekte im Betrieb, um die Abstände und die Positionen der einzelnen Windenergieanlagen in Zukunft im Sinne maximaler Erträge und möglichst geringer Turbulenzen zu optimieren. Und Lasersysteme erfassen Vibrationen im laufenden Betrieb an Rotoren, Türmen und Turbinen, indem sie diese aus großer Entfernung anstrahlen. Kamerasysteme erfassen den projizierten Laserpunkt auf den Strukturen und erstellen anhand seiner Bewegungen exakte Schwingungsanalysen. Die Technik ist besonders für Offshore-Einsätze interessant. Auf See nutzen Betreiber neuerdings auch Hyperspektral-Kamerasysteme, um den Zustand der Anlagen unter Wasser zu überprüfen. Dort war es bisher schwierig, Korrosion von Algen und anderem Bewuchs zu unterscheiden. Mit der berührungslosen hyperspektralen Methode sind sie nun immer im Bilde.

Photonik treibt Fortschritt in der Photovoltaik

Der Beitrag der Photonik zur Energiewende ist aber keineswegs auf die Windenergie begrenzt. Auch in der Photovoltaik – die im Kern eine photonische Technologie ist – treiben Laser und optische Technologien weiterhin den Fortschritt. Laser strukturieren, schneiden, isolieren, dotieren, löten und bohren Solarzellen. Imaging-Systeme gewährleisten deren vollautomatisierte, fehlerfreie Fertigung. Hersteller moderner organischer Dünnschicht-Solarzellen nutzen Ultrakurzpuls-(UKP)-Laser für die schonende µm-feine Strukturierung der Aktivschichten ihrer Solarfolien. Auch zur Effizienzsteigerung herkömmlicher Silizium-Zellen leisten UKP-Systeme ihren Beitrag: Im Sinne maximaler Absorption des Sonnenlichts bringen sie feinste Strukturen in deren Oberflächen ein.

Ob zur Strukturierung im Nano- und Mikrometerbereich oder bei der qualitätsgesicherten Fertigung von über 100 Meter langen Rotorblättern und tonnenschwerer Stahltürme: Die Photonik leistet häufig übersehene, aber wichtige Beiträge zur Effizienzsteigerung erneuerbarer Energien – und damit zum Gelingen der Energiewende.

Übrigens: Die Studie „Licht als Schlüssel zur globalen Nachhaltigkeit“ der Messe München mit dem Industrieverband SPECTARIS und in Kooperation mit dem Fraunhofer ILT und dem Fraunhofer-Verbund Light & Surfaces steht nun auch zum Download auf Englisch bereit.

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