Trag- und Gründungsstrukturen für WEA

Stahlturm mit längsorientierten Teilschalen
Stahlturm mit längsorientierten Teilschalen

Die SKI Ingenieurgesellschaft beschäftigt sich mit Trag- und Gründungsstrukturen für Onshore-Windenergieanlagen. Die Offshore-Varianten sind unter der separaten Rubrik Offshore-Windenergieanlagen zu finden.

Das Leistungsspektrum umfasst statische und dynamische Strukturanlaysen mit Hilfe von numerischen Simulationstools für die folgenden Anwendungen:

Tragstrukturen:

Verbindungstechniken:

Gründungsstrukturen:

Rotorblätter:

Die Entwicklung der Anlagengröße und Nennleistung

Entwicklung der Anlagengröße und Nennleistung von in Serie gebauten Windenergieanlagen
Entwicklung der Anlagengröße und Nennleistung von in Serie gebauten Windenergieanlagen

Mit steigenden Nabenhöhen und Anlagengrößen stößt die bisherige Standardlösung als konischer Stahlrohrturm allmählich an ihre Grenzen. In Abb. 2.3 ist das schnelle Wachstum von in Serie hergestellten WEA hinsichtlich der Nennleistung, des Rotordurchmessers und der Nabenhöhe zu erkennen. Während der Rotordurchmesser einer WEA im Jahr 1982 noch D = 15 m betrug, stehen 2008 mittlerweile Anlagen mit bis zu D = 125 m und 5 MW Nennleistung zur Verfügung. Prototypen mit noch größeren Leistungen werden zurzeit erprobt.

Die fortlaufende Entwicklung noch größerer Turbinen ist eng mit der Steigerung der Dimensionen für die Tragstrukturen verbunden. In GASCH & TWELE 2005 ist eine Zusammenstellung von spezifischen Turmmassen in Abhängigkeit von der Nabenhöhe zu finden. Dabei steigen die erforderlichen Turmmassen entsprechend der Strukturbelastung in etwa quadratisch mit der Nabenhöhe. Für einen Prototyp mit 6 MW Nennleistung wäre die Fertigung der untersten Turmsektion als reine Stahlrohrkonstruktion nur mit erhöhtem Fertigungs- und Montageaufwand möglich, wobei die Turmhersteller im Stahlbau an fertigungstechnische Grenzen stoßen. Zum Beispiel ist in den meisten Fertigungsstätten das Rundwalzen der Grobbleche mit einer Dicke bis zu 70 mm bislang eine limitierende Größe. Beim Transport zu Onshore-Standorten gibt es bei vielen Straßenbrücken wegen der begrenzten Durchfahrtshöhe von 4.3 m eine weitere Einschränkung hinsichtlich des Turmdurchmessers.

So führte der höhere Produktions- und Transportaufwand für Turmdurchmesser größer als 4.3 m zu alternativen Lösungen, wie z.B. dem Stahlbetonturm, der vor Ort mit einer Kletterschalung hergestellt wird. Alternativ dazu werden seit einigen Jahren Fertigteilbetontürme für große Nabenhöhen ein, wobei die untersten Turmsegmente aufrecht und als Teilschalen zur Baustelle transportiert werden. 

Wenn oberhalb von Betonturmsektionen noch Stahlturmsektionen zum Einsatz kommen, dann zählt diese kombinierte Konstruktionsvariante zur Kategorie der Hybridtürme.

Um auch zukünftig größere Anlagentypen weiterhin mit stählernen Tragstrukturen vom Turmfuß beginnend ausführen zu können, wurde der Sandwichturm entwickelt, mit dem die Schalenstabilität und Tragfähigkeit gesteigert werden kann. Das Transportproblem für Durchmesser größer als 4.3 m soll durch ein neuartiges Fertigungskonzept gelöst werden.