Holzwerkstoff- und Naturfaser-Technologien

Forschungsprojekt

EvalTherm – Effiziente Inspektion der Rotorblätter von Windenergieanlagen mit passiver Thermographie     

Die Windenergie ist eine tragende Säule der Energiewende. Die technische Zuverlässigkeit von Windenergieanlagen wird daher immer wichtiger. Insbesondere die Rotorblätter sind hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Schäden daran können schwerwiegende Folgen haben. Gängige Inspektionsverfahren verlangen einen direkten Zugang zu den Rotorblättern. Gemeinsam mit unseren Projektpartnern streben wir in diesem Projekt eine einfachere Lösung an: Inspektion mit Drohne und passiver Thermographie. Nachteil dieser Methode ist, dass nicht bei allen Wetterbedingungen alle Fehler sichtbar sind. Ein weiteres Projektziel ist daher eine Software, mit der man wetterabhängig den optimalen Inspektionszeitraum und die Nachweisgrenzen berechnen kann. 

Rotorblätter moderner Windenergieanlagen können bis zu hundert Meter lang sein. Im Betrieb werden sie nicht nur durch ihr Eigengewicht beansprucht, sondern auch durch die die Kräfte des Windes, durch Niederschlag und Temperaturwechsel. Offshore-Anlagen sind zusätzlich dem Angriff von Salzwasser ausgesetzt. Unter diesen Einflüssen können sich Schäden bilden, die den Ertrag beeinträchtigen oder sogar zum Totalausfall der ganzen Anlage führen können. Abgerissene Rotorblätter können für Mensch und Tier sehr gefährlich werden sowie große Sachschäden verursachen. Daher müssen Rotorblätter regelmäßig auf Risse, Erosionsschäden und strukturelle Schäden geprüft werden. Mit bloßem Auge sind diese aber nicht immer zu erkennen.

Mit der aktiven Thermographie (Anregung durch technische Mittel) lassen sich Schäden unterhalb der Oberfläche sichtbar machen. Sie wird von der Windkraftindustrie, auch dank der Forschungen am Fraunhofer WKI, seit einigen Jahren erfolgreich angewendet.  Jedoch ist die Durchführung relativ aufwendig. Man benötigt direkten Zugang zum Rotorblatt, etwa durch eine seilgebundene Arbeitsplattform. 

Ein besonders elegantes Verfahren zu Inspektion der Rotorblätter ist die passive Thermographie (Anregung durch meteorologische Vorgänge). Eine Aufnahme mit einer am Boden aufgestellten Wärmebildkamera kann mit einem Teleobjektiv auf eine Entfernung von mehreren hundert Metern und dadurch auch vom Boden aus erfolgen. In vielen Fällen ist der optimale Kamerastandort aber gar nicht zugänglich. Außerdem müsste man bei Änderungen der Windrichtung den Standort mit der umfangreichen Ausrüstung immer wieder verändern. Bei Offshore-Windenergieanlagen ist diese Technik zudem überhaupt nicht anwendbar.

Eine Inspektion aus der Luft mithilfe von Drohnen könnte die optimale Lösung sein. Derzeitig verfügbare, drohnentaugliche Wärmebildkameras sind dafür noch nicht leistungsfähig genug.  Deswegen entwickelt unser Projektpartner InfraTec GmbH eine leistungsfähige Wärmebildkamera, die leicht und kompakt genug ist, um von gängigen Drohnen getragen werden zu können. 

Manche Wetterbedingungen beeinträchtigen die Messergebnisse der passiven Thermographie. Zusammen mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung entwickeln wir am Fraunhofer WKI daher eine Prognosesoftware, mit der man wetterabhängig den optimalen Inspektionszeitraum berechnen und die Nachweisgrenzen der Thermographie-Inspektion bestimmen kann. So können bei der Inspektion mit Drohne und Wärmebildkamera sehr zuverlässig alle Fehler entdeckt werden. Das Sachverständigenbüro Otto Lutz steht uns bei der Planung, Interpretation und Bewertung der Testmessungen beratend zur Seite.   Der Projektpartner clockworkX unterstützt das Projekt bei der Datenstrukturierung, verknüpft Messdaten mittels neuester Technologien mit Wetterdaten und entwickelt eine Anwendung für den freien Markt.

Wie funktioniert passive Thermographie?

Schwarzweißaufnahme der Nabe eines Windrades.
© Fraunhofer WKI | Peter Meinlschmidt
Passives Wärmebild der Nabe einer Windenergieanlage. Die Metallbolzen, mit denen die Rotorblätter an der Nabe befestigt sind, zeichnen sich ab, obwohl sie mehrere Zentimeter unter der Oberfläche liegen.

Die passive Thermographie nutzt Temperaturänderungen aus, die sich in Folge wechselnder meteorologischer Randbedingungen (Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht, Sonnenbestrahlung) am Rotorblatt ergeben. Dünne Bereiche des Rotorblattes ändern ihre Temperatur wegen der geringeren thermischen Trägheit schneller als dicke. Dadurch spiegeln die Oberflächentemperaturen des Blattes dessen innere Struktur wieder. Wenn man dann mit einer Wärmebildkamera die Oberflächentemperaturen abbildet, erhält man wertvolle Hinweise auf den Blattzustand unterhalb der Oberfläche.

Herkömmliche Verfahren der Rotorblattinspektion

Zwei Menschen seilen sich am Flügel eines Windrades ab.
© Fraunhofer WKI | Peter Meinlschmidt
Sichtprüfung eines Rotorblattes durch Industriekletterer.
Ein großes Metallgestell mit zwei Personen und Technik wird mit Seilen am Turm einer Windenergieanlage hochgezogen.
© Fraunhofer WKI | Peter Meinlschmidt
Mithilfe einer Arbeitsplattform kann man am senkrecht gestellten Rotorblatt einer Windenergieanlage entlangfahren und aktive Thermographie-Aufnahmen machen. Die Software wurde am Fraunhofer WKI entwickelt.
Eine Kamera mit Stativ steht am Rande eines Feldes. Sie ist auf eine Windenergieanlage gerichtet, die etwa 100 Meter weit entfernt ist.
© Fraunhofer WKI | Jochen Aderhold
Inspektion von Rotorblättern auf Entfernung mit passiver Thermographie. Die Wärmebildkamera ist mit einem 200mm-Teleobjektiv ausgestattet. Die Software wurde am Fraunhofer WKI entwickelt.

Projektpartner

  • Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
  • clockworkX GmbH
  • InfraTec GmbH (Standort Dresden) 

Förderung

Offizieller Projekttitel: EvalTherm – Evaluierung der passiven Thermografie für die Zustandsbewertung von Rotorblättern an Windenergieanlagen

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Förderkennzeichen: 03EE3035B

Projektträger: Projektträger Jülich

Laufzeit: 1.9.2020 bis 31.8.2023