Neue Dimensionen - Windenergie fordert die Gießereibranche

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2 Herbert Werner und Werner Sonntag, Meuselwitz Neue Dimensionen - Windenergie fordert die Gießereibranche Die neuen Windenergieanlagen bis zu 5,0 MW Leistung benötigen Gussstücke aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS, Sphäroguss) bis zu 50 t Gewicht. Das erfordert von den Eisengießereien in neue Dimensionen bezüglich Gussabmessungen, Formstoffbedarf und Logistik vorzustoßen, die nur noch von einer begrenzten Anzahl von Großgießereien realisiert werden können. Damit sind die Gießereien, die für die Windenergiebranche arbeiten, gefordert, sich diesem Entwicklungstrend zu stellen und sich entsprechend mit Know-how, gesicherten Werkstoffeigenschaften und Ausrüstungen an den zukünftigen Bedarf anzupassen. Am 2. April 2004 hat der Bundestag die Novellierung des Energieeinspeisegesetzes (EEG) beschlossen. Mit der Zustimmung des Bundesrates am 9. Juli 2004 ist das monatelange Ringen beendet und es besteht für Investoren, für die herstellende Industrie und auch für die Zulieferer wieder Planungssicherheit. Mit der Zielstellung des Gesetzes, bis zum Jahr 2010 den Anteil der regenerativen Energien auf 12,5 % und bis zum Jahr 2020 auf 20 % zu erhöhen, geht eine Aufforderung an die Zulieferindustrie einher, sich gemäß dieser Zielstellung auszurichten. Die rasante Entwicklung in den vergangenen Jahren führte allein in Deutschland zu einer installierten Leistung auf etwa MW mit knapp Windenergieanlagen. Damit liegt der Anteil der Windenergie am Stromverbrauch in Deutschland bereits über 5 %. Gemessen an der Zielstellung des Energieeinspeisegesetzes trifft die Bezeichnung für Windenergie "als alternative Energiequelle" nicht mehr zu. Der Wind hat sich inzwischen zu einer bedeutenden Energiequelle entwickelt, bei der auch in 100 Jahren keine Preissteigerung zu erwarten ist. Tabelle 1: Durchschnittliche Gewichtsentwicklung bei Komponenten für Windkraftanlagen in Europa (gemäß Ermittlung CAEF) Tabelle 2: Entwicklung Großgussstücke für Windenergieanlagen Tabelle 3: Mengen und Gewichtsdarstellung bei 4,5 bis 5,0 MW-Anlagen Bei der installierten Leistung ist Deutschland Weltmeister und damit auch Vorreiter für die Europäische Union. Im Weißbuch der EU zu erneuerbaren Energieträgern ist das Ziel festgelegt, deren Anteil am Gesamtenergieaufkommen bis 2010 von 6 auf 12 % innerhalb der Europäischen Union zu steigern. Die Windenergie soll dabei etwa 50 % betragen. Damit wird die deutsche Windenergiebranche zukünftig immer stärker vom Export getragen und mit Hinblick auf die zunehmenden Off- Dipl.-Ing. Herbert Werner und Dipl.-Ing. Werner Sonntag, MEUSELWITZ GUSS Eisengießerei GmbH; Bild 1: Rotornabe für die Windenergieanlage E-40, Nennleistung 600 kw, Gewicht kg (Bild: MEUSELWITZ GUSS GmbH) Bild 2: Rotornabe für die Windenergieanlage E-48, Nennleistung 800 kw, Gewicht kg (Bild: MEUSELWITZ GUSS GmbH)

3 Bild 3: Rotornabe für die Windenergieanlage E-66, Nennleistung 1,5 bis 1,8 MW, Gewicht kg (Bild: MEUSELWITZ GUSS GmbH) Bild 4: Rotornabe für die Windenergieanlage E-70, Nennleistung 2,0 bis 2,5 MW, Gewicht kg (Bild: MEUSELWITZ GUSS GmbH) shore-standorte hin zu größeren Windenergieanlagen bis 5,0 MW-Anlagen geprägt sein. Dies gilt um so mehr, zumal die jüngste Studie der Deutschen Energieagentur dena" nun mehr den Weg und Kosten aufzeigt, diesen Strom von Offshore-Standorten über teilweise neue Leitungen in die Ballungszentren zu transportieren. Die Zulieferindustrie und damit die Gießereiindustrie konnte die Entwicklung der Windenergiebranche von den Kinderschuhen bis hin zu den heutigen Standardgrößen von 2,5 MW Leistung und teilweise darüber hinaus gut begleiten. Der Trend hin zu größeren Windenergieanlagen brachte europaweit ein stetiges Ansteigen beim Gewicht der einzelnen Gusskomponenten und wies bereits in 2004 eine Verdoppelung im Vergleich zum Jahr 2000 auf (Tabelle 1). Wurde der Zeitraum bis zum Jahr 2000 von der serienmäßigen Herstellung und Installation Bild 5: Rotornabe komplettiert mit drei Blattadaptern für die Windenergieanlage E-112, Nennleistung 4,5 MW, Gewicht der Rotornabe kg, Abmessungen der Rotornabe x x mm, Gewicht eines Blattadapters kg, Abmessungen eines Blattadapters x x mm (Bild: Hannovermesse 2004) Tabelle 4: Werkstoffeigenschaften der Gusseisensorte GJS U-LT

4 Bild 6: Gussaufwand pro installierte Windenergielagen(WEA)-Leistung (Graphik: Meuselwitz Guss GmbH) Bild 7: Aus einem Blattadapter herausgearbeitete frei hängende Spiralfeder aus GJS U-LT (Bild: Meuselwitz Guss GmbH) von Windenergieanlagen im Bereich 600 kw bis 1,5 MW bestimmt, so setzt ab 2001 mit Abnahme der Onshore-Standorte in Deutschland die Entwicklung und Fertigung von Windenergieanlagen von 1,8 bis 2,5 MW Leistung ein. Dadurch stieg der Bedarf an Gusskomponenten mit einem Stückgewicht größer 8 t konsequent bis hin zu einer Verdoppelung in 2004 im Vergleich zu 2003 an (Tabelle 2). Dem ständig steigenden Mengenbedarf standen in den letzten Jahren begünstigt durch Rückgänge im Maschinen- und Anlagenbau ausreichende Gießereikapazitäten zur Verfügung. Die Konstruktion der neuen Windenergieanlagen bis zu 5,0 MW Leistung benötigt Gussstücke aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS, Sphäroguss) bis zu 50 t Gewicht und bringt neue Dimensionen in Abmessungen, Formstoff bedarf bis hin zu den zu bewegenden Massen, die nur noch von einer begrenzten Anzahl von Großgießereien realisiert werden können (Tabelle 3). Damit sind die Gießereien, die für die Windenergiebranche arbeiten, gefordert, sich diesem Entwicklungstrend zu stellen und sich entsprechend mit Know-how, gesicherten Werkstoffeigenschaften, Ausrüstungen und ihren Kapazitäten anzupassen. Die nachfolgenden Bilder 1 bis 5 verdeutlichen diese Entwicklung am Beispiel der Rotornaben für Windenergieanlagen eines Anlagenherstellers. Am Beispiel verschiedener Größenklassen von Windenergieanlagen lässt sich der spezifische Sphärogussbedarf (GJS) in Abhängigkeit von der Leistung der Windenergieanlage darstellen (Bild 6). Beim Bewerten des spezifischen Gussgewichtes zeigt sich, dass der mengenmä- ßige Einsatz von GJS U-LT mit Zunahme der installierten Leistung der Windenergieanlagen stetig steigt. Der Trend hin zu Gussteilen für Off-Shore- Anlagen bis 5 MW Leistung erfordert nicht nur ein Beherrschen der internen und externen Logistik, sondern auch der Fertigung des dickwandigen ferritischen Sphärogusses. Die an der Entwicklung und Produktion von Gussteilen der Windenergieanlagen beteiligten Gießereien haben den Werkstoff GJS U-LT stetig und konsequent weiter entwickelt. Zukünftig steht das Gießen großdimensionaler Gussstücke mit Wanddicken bis 300 mm bei gesicherten Werkstoffeigenschaften im Vordergrund (Tabelle 4). Den Nachweis der elastischen Eigenschaften des für höchste dynamische Be- Bild 8: Grundrahmen einer Windenergieanlage des 2-MW-Typs 2.X, Gewicht kg (Bild: MEUSELWITZ GUSS GmbH) Bild 9: Maschinenträger einer Windenergieanlage des 2-MW- Typs, Gewicht kg (Bild: MEUSELWITZ GUSS GmbH)

5 Bild 10: Maschinenträger für die Windenergieanlage E-66, Nennleistung 1,5 bis 1,8 MW, Kombination aus einem Stahlgussteil und einer Stahlschweißkonstruktion (Bild: MEUSELWITZ GUSS GmbH) Bild 11: Maschinenträger für die Windenergieanlage E-70, Nennleistung 2,0 bis 2,5 MW als Gussstück, Werkstoff GJS U-LT, Gewicht kg (Bild: MEUSELWITZ GUSS GmbH) anspruchungen geeigneten Werkstoffes zeigt ein Experiment (Bild 7). Herausgearbeitet wurde diese Feder aus einem realen Gussteil, dem Rotorblatt-Aadapter einer Windenergieanlage der 2-Megawatt- Klasse. Hierbei handelt es sich um eine der höchst belasteten Konstruktionen des Anlagenbaues. Dieses praktische Experiment zeigt neben dem Nachweis der Werkstoffeigenschaften am angegossenen Probestab, dass sich der Konstrukteur sowie der Anlagenbetreiber auf die Zuverlässigkeit dieser Bauteile bei allen Windverhältnissen bis hin zu Orkanböen verlassen kann. Aufbauend auf den ausgezeichneten Werkstoffeigenschaften können die gestalterischen Freiheiten bei einem gegossenen Bauteil konsequent genutzt werden. Am Beispiel des Grundrahmens (Bild 8) und Maschinenträgers (Bild 9) ist die dem Kraftfluss angepasste Konstruktion sehr gut erkennbar. Derartige, dem Kraftfluss angepasste und an das Biodesign angelehnte Konstruktionen, sind bei weiterer Gewichtsoptimierung nur durch ein Gussteil wirtschaftlich zu realisieren. Diese Tatsache führt zunehmend zur Substitution von Stahlschweißkonstruktionen und Stahlgussteilen bei Weiterentwicklungen von Windenergieanlagen auch für tragende Komponenten. Typische Teile dafür sind Achszapfen, Maschinenträger und Grundrahmen. Die Bilder 10 und 11 verdeutlichen dies am Beispiel eines Maschinenträgers einer 2,5-MW-Windenergieanlage. Nicht immer ist eine Gesetzmäßigkeit oder Proportionalität innerhalb der einzelnen Leistungsklassen infolge abweichender konstruktiver Lösungen (Einsatz von Getrieben oder getriebelosen Anlagen) ableitbar. Ein Vergleich der Gewichtsunterschiede zwischen den Naben gemäß Bild 4 Bild 12: Rotornabe für eine Windenergieanlage (Gussteil) der Nennleistung 2,2 bis 2,7 MW, Gewicht kg (Bild MEUSEL- WITZ GUSS GmbH) von kg und Bild 12 mit kg bei fast gleicher Anlagenleistung macht dies deutlich und lässt weitere spannende konstruktive Lösungen erwarten. Entsprechend der Prognose des Deutschen Windinstitutes sowie einer Branchenstudie der HSH Nordbank AG erfolgt in Europa ein jährlicher Zuwachs an installierter Leistung von etwa MW - davon in Deutschland allein etwa MW. Der Offshore-Anteil wird mit 15 % im Jahr 2005 steigend auf rund 40 % im Jahr davon in Deutschland allein steigend auf 50 % - prognostiziert. Daraus lässt sich ein Gussvolumen von etwa t/a in Europa beziehungsweise rund t/a in Deutschland mit steigender Tendenz ableiten. Wird die ebenfalls von der HSH Nordbank AG ermittelte Wachstumsrate von MW von 2005 bis 2008 (Offshore-Anteil 30 %) in der Welt angesetzt, so verdoppelt sich der weltweite Gussbedarf an ferritischem Sphäroguss (GJS) auf etwa t/a. Folgerichtig wird sich die Meuselwitz Guss Eisengießerei GmbH zukünftig so aufstellen, dass eine Serienfertigung von Gussteilen bis 5-MW-Anlagen möglich wird. Dazu gilt es, die inzwischen zehnjährigen Erfahrungen bei der Fertigung von Windenergiekomponenten mit dem Werkstoff GJS U-LT einzusetzen und gemeinsam mit den Anlagenherstellern weiter zu entwickeln. Erweiterungsinvestitionen in Höhe von 9 Mio. in Form-, Strahl-, Hebeund Schmelztechnik schaffen die erforderlichen technischen Voraussetzungen in der Gießerei.

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