Rotorblätter mit Drohnen kontrollieren

Windenergie­anlagen werden für eine Betriebs­dauer von zwanzig Jahren ausgelegt. Die Rotorblätter müssen durch wieder­kehrende Inspektionen mindestens alle vier Jahre auf struk­turelle Integrität geprüft werden. Diese Aufgabe übernehmen Industrie­kletterer. Allerdings ist die Inspektion an Offshore-Anlagen nur möglich, wenn Wind- und Wetter­bedingungen dies zulassen. Dadurch wird die Einsatz­planung extrem erschwert. Im Forschungs­projekt Thermo­flight untersuchen Fraunhofer-Wissen­schaftler gemeinsam im Verbund mit Partnern aus Industrie und Forschung alternative Inspektions­verfahren.

Die konti­nuierliche Zustands­überwachung der Rotor­blätter leistet einen wichtigen Beitrag zum wirtschaft­lichen Anlagen­betrieb. Die Blatt­spitzen erreichen im Betrieb eine Geschwin­digkeit von 300 bis 350 Kilometern pro Stunde. Die aero­dynamische Leistungs­fähigkeit eines Rotorblatts ist dann am besten, wenn die Windschicht das Flügel­profil über­streicht, ohne dass es zu Luftver­wirbelungen kommt. Bereits kleine Schäden an der Oberfläche können Turbu­lenzen auslösen und mindern die Effi­zienz. Die Leistung sinkt, die Wirtschaft­lichkeit des Anlagen­betriebs wird reduziert, die Lebens­dauer der gesamten Anlage vermin­dert.

Aufgrund der extremen Bedin­gungen altert das Material offshore deutlich schneller als an Land. Erhöhte UV-Einstrahlung, hohe Windgeschwin­digkeiten und die salz­haltige Luft stellen besondere Belas­tungen dar. Bei der regel­mäßigen Inspektion prüfen Industrie­kletterer visuell und durch klopfen, ob Delamina­tionen oder andere Schad­stellen vorhanden sind. Die schwierige Erreich­barkeit von Offshore-Windenergie­anlagen und die schnell wechselnden Wetter­bedingungen auf See sorgen dafür, dass der Einsatz von Serviceteams schwer planbar ist und teuer werden kann. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Fachkräfte mehrfach anfahren müssen, bis das Wetter­fenster die Arbeiten in luftiger Höhe tatsäch­lich zulässt. Alter­native Überwachungs­methoden zu entwickeln, die ebenso zuver­lässig sind wie die regelmäßige Inspektion durch Industrie­kletterer, ist daher für viele Betreiber ein wichtiges Anliegen. „Für die Inspektion von Rotor­blättern auf See benötigen wir flexible und schnelle Inspektions­methoden ohne lange Rüst­zeiten, die ebenso zuver­lässige und eindeutige Ergebnisse liefern wie die Inspektion durch Industrie­kletterer“, sagt Holger Huhn, Leiter der Forschung und Entwicklung bei WindMW Service.

Dieser Aufgabe widmen sich Forscher am Fraun­hofer-Institut für Windenergie und Energiesystem­technik IWES in Bremer­haven gemeinsam mit der WindMW Service GmbH, dem Bremer Institut für Mess­technik, Automa­tisierung und Qualitäts­wissenschaft (BIMAQ) und der Deutsche WindGuard Engi­neering GmbH im Rahmen einer Konzept­studie. Mit dem Ziel, Stillstands­zeiten der Anlagen und Personen­einsätze zu reduzieren, verfolgen sie zwei parallele Ansätze. Zum einen testen sie die Kombination von Drohnen und mobiler Thermografie­technik, zum anderen wird ein Schall­emissions­verfahren angewendet. Das im Rotorblatt einge­baute Schall­emissions­messsystem erkennt auch tief­liegende Schäden, zum Beispiel am Steg des Rotor­blattes, und dient als Frühwarn­system. Mit der Thermografie­kamera lassen sich dagegen oberfläch­liche Schäden ermitteln, die zum Beispiel durch Regen­erosion ausgelöst wurden. Das zerstörungs­frei arbeitende Akustik-Emissions-System wird vom Fraunhofer IWES für die Unter­suchung von Rotor­blättern optimiert. Schall­emissions- beziehungs­weise Piezo­sensoren werden im Inneren der Rotor­blätter an struktur­relevanten Bereichen – besonders an typischen Schwach­stellen – angebracht. Den Messrechner, der die Sensor­daten sammelt und verarbeitet, verbauen die Forscher in der Nabe.

„Im Prinzip funk­tionieren die Sensoren wie Mikrofone. Treten im Rotor­blatt plötzliche Spannungs­änderungen auf, wird lokal Energie freigesetzt, die in Form von Wärme und Oberflächen­wellen mit den Sensoren messbar wird. Die Wellen kommen zu unterschied­lichen Zeitpunkten an den einzelnen Sensoren an. Durch die zeitliche Differenz lässt sich der Ursprungsort des Schadens loka­lisieren“, erläutert Stefan Krause, Projekt­leiter am Fraunhofer IWES, die Funktionsweise des Akustik-Emissions-Systems, das im Labor­maßstab bereits in den Rotorblatt­prüfständen des Instituts erfolg­reich getestet wurde. Während statischer Rotorblatt­tests und Ermüdungs­prüfungen konnten die Forscher beispiels­weise Kleb- und Zwischenfaser­brüche, Schäden in der Gurt-Steg-Verklebung, Risse in der Hinterkante von Rotor­blättern, aber auch fehler­hafte Verklebungen im Wurzel­bereich orten. Der Praxistest unter Real­bedingungen steht noch aus: Er wird im Frühjahr 2018 im Offshore-Windpark Meerwind vor Helgoland statt­finden.

Mit dem Akustik-Emissions-System lassen sich sehr große Strukturen effizient und zuverlässig permanent überwachen. Sobald die Sensoren eine poten­tielle Schadstelle detektieren, können gezielt weitere Maßnahmen einge­leitet werden. Je nach Art und Position des Schadens kann zur näheren Untersuchung beispiels­weise eine Außen­inspektion des Rotor­blattes mit Thermografieaufnahmen erfolgen. An Fehlstellen entsteht Reibung und infolge­dessen Wärme, den Wärmefluss im Material kann man mittels Thermografie­aufnahmen sichtbar machen. Im Projekt wird die passive Thermo­grafie eingesetzt, bei der man sich die Eigen­erwärmung des zu unter­suchenden Objekts oder Temperatur­unterschiede durch den natürlichen Tag-Nacht-Zyklus zunutze macht. Thermografie­messungen zur Strömungs­visualisierung werden bereits an drehenden Onshore-Windenergie­anlagen genutzt. Die Heraus­forderung besteht nun darin, das Verfahren offshore-tauglich zu machen.

Auf Drohnen befestigt lassen sich so mit Thermografie­kameras Fehl­stellen unterhalb der Oberfläche von Verbund­materialien aufspüren, wie zum Beispiel Schicht­ablösungen, Einschlüsse, Fehlver­klebungen in den Last tragenden Gurt-Steg-Verbin­dungen und Hohlräume. Diese Schäden in der Tiefe des Rotor­blatts sind Ausgangs­punkte für wachsende Struktur­schäden im Betrieb, die bei Nichter­kennung zum Totalverlust führen können. „Ziel ist es, durch das kombinierte Prüfver­fahren Schäden früher zu erkennen und so Notab­schaltungen zu vermeiden. Außerdem besteht die Möglich­keit, Blätter gezielt zu inspi­zieren“, sagt Nicholas Balaresque, Geschäfts­führer bei der Deutschen WindGuard Engi­neering. Das neue Verfahren kann dazu beitragen, Inspektions­kosten zu senken, aber vor allem auch den Energie­ertrag durch weniger Stillstands­zeiten zu erhöhen. Industrie­kletterer benötigen einen Tag, um einen Rotor zu unter­suchen. „Eine Inspektion des Rotors mittels Drohne ist in einer Stunde machbar“, schätzt Krause.

FhG / JOL