Qualität bei der Herstellung von Windenergieanlagen von Axel Dombrowski und Mike Wöbbeking, Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH

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1 Qualität bei der Herstellung von Windenergieanlagen von Axel Dombrowski und Mike Wöbbeking, Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH Eins und eins, macht mehr als zwei! Hohes Qualitätsbewusstsein und das Miteinander aller Partner sind der Schlüssel zum Erfolg. Wenn alle Beteiligten in einem Projekt wie einem Windpark kooperieren und sich für die Belange der Partner interessieren, sind strategische Vorteile unausweichlich. Zusammenfassung / Fazit Im vorliegenden Beitrag wird ein Werkzeug der Zertifizierung das so genannten IPE (Implementation of design requirements in Production and Erection / Umsetzung der konstruktiven Anforderungen in der Fertigung und Montage) als die praktische Umsetzung des Qualitätsmanagements vorgestellt. IPE stellt dabei einen Mehrwert sowohl für den Hersteller der Windenergieanlage, den Betreiber als auch für Finanzierer und Versicherungen dar. Dabei sind die begleitenden Maßnahmen während der Zertifizierung hinsichtlich der Entdeckung von Schwachpunkten in der Qualitätssicherung nicht zu unterschätzen. Zusätzlich wird von unabhängiger Seite bescheinigt, dass die qualitätsbestimmenden Maßnahmen in der Herstellung eingehalten werden und die Windenergieanlage den hohen Anforderungen gerecht wird. Einleitung Windenergie boomt weltweit. Allein in Deutschland gab es vor zehn Jahren ungefähr Windenergieanlagen mit einer installierten Gesamtleistung von Megawatt am Netz. Heute liefern ca Windenergieanlagen zuverlässig Strom. Auch die Leistung der Windenergieanlagen nahm in der letzten Dekade um ein vielfaches zu. Betrug die durchschnittlich installierte Leistung einer Anlage 1995 noch ca. 500 Kilowatt, sind es derzeit Kilowatt. Und dies ist mit Sicherheit nicht das Ende: Würde man die Kraft der Winde technisch effektiv ausnutzen, könnte man mit ihr sogar den weltweiten Bedarf an elektrischer Energie decken. Die Bedeutung der Windenergie nimmt somit unaufhörlich zu und damit verbunden steigen die Anforderungen an die Qualität und Zuverlässigkeit der Anlagen. Herausforderung Serienfertigung Technische Probleme an Windenergieanlagen treten immer wieder auf. Diesen entgegenzutreten obliegt nach Aufstellung der Windenergieanlage (WEA) häufig allein den Betreibern. Aus diesem Grund ist es wichtig, dem gekauften Produkt vertrauen zu können. Es kommt somit mehr und mehr für Hersteller einer WEA darauf an, das in vielen Jahren aufgebaute Vertrauen auch bei Neuentwicklungen z. B. von Offshore-Anlagen zu bewahren. Nichts bleibt nachhaltiger im Gedächtnis zurück, als hohe Betriebs- und Instandhaltungskosten; seien die anfänglichen Investitionen auch noch so gering. Sicherlich ist jedem klar: Qualität hat ihren Preis. Die Zertifizierung dient dabei als Bindeglied, das nicht nur ein Gütesiegel für den Käufer bietet, sondern auch dem Hersteller eine prozessorientierte Qualität aufbauen hilft. Gründe für den WEA-Hersteller, qualitätssichernde Maßnahmen aufzubauen, liegen z. B. darin, dass sich inzwischen durch die eigene Firmengröße, Outsourcing, Globalisierung und die Projektgrößen (Windparks von mehreren hundert WEA) die Bedingungen derart geändert haben, dass das Qualitätsmanagement (QM) mehr und mehr durch externe Überwachung sichergestellt werden muss. Es gilt, intelligente Konzepte zur Reduzierung der Herstellungskosten ohne Qualitätsminderungen zu konzipieren. Zudem sind Fortschritte bei der Entwicklung von Multimegawatt-WEA auch für den Offshore-Einsatz unerlässlich. Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 2005 Seite 1 von 8

2 Ziel ist es, die Umsetzung der qualitätssichernden Maßnahmen bei der Herstellung und Errichtung einer WEA sicherzustellen, so dass die Strukturen und Komponenten im späteren Betrieb ihre vorgesehene Aufgabe im Rahmen ihrer auslegungsgemäßen Bestimmung erfüllen können. Die Weichen für die qualitätssichernden Maßnahmen werden bereits in der Konzeptionsphase gestellt; also vor Herstellung der Serienanlage. In der Konstruktionsphase der Prototypen können die Modifikationen nochmals die qualitässichernden Maßnahmen stark beeinflussen. Hilfestellung hinsichtlich des Umfanges der qualitätssichernden Maßnahmen können internationalen Richtlinien ([1] bis [3]) entnommen werden. Zertifizierung Auf Grund der Vielzahl an Einflüssen wie Konstruktion, Material, Fertigung und Errichtung ist es verständlich, dass es einer übergeordneten Regelung all dieser Disziplinen bedarf. Hiefür ist die Zertifizierung ein geeignetes Werkzeug. Nur in der Gesamtheit der (Typen- bzw. Projekt-) Zertifizierung sind die genannten Maßnahmen zu verwirklichen. Grob gliedert sich die Zertifizierung in: (A-, B-, C-) Design Assessment standortspezifisches Design Assessment Typenzertifizierung Projektzertifizierung Wurden in der Vergangenheit von der Zertifizierungsstelle hauptsächlich Typenzertifikate ausgestellt, bei denen eine vollständige Prüfung der Konstruktionsnachweise mit allen erforderlichen Material- und Komponententests (Design Assessment; Abb. 1), ein Qualitätsmanagementsystem, Prototypvermessungen sowie die Abnahme einer Inbetriebnahme an einer der ersten WEA erforderlich waren, so wird inzwischen zusätzlich die geforderte Qualität in Fertigung und Montage durch eine IPE als Teil eines Typenzertifikates gewährleistet (Abb. 2). Daher kommen den Typen- und Projektzertifikaten durch die Beurteilung der Gesamtheit aller beteiligten Disziplinen mehr und mehr Bedeutung zu. Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 2005 Seite 2 von 8

3 Prüfung Lasten und Sicherheitskonzept Certification Report Lastannahmen Prüfung der Konstruktionsunterlagen und der Handbücher - Rotorblatttests - Prototyperprobung des Getriebes auf dem Prüfstand - Abnahme der Inbetriebnahme Certification Reports - Sicherheitssystem und Handbücher - Rotorblätter - Maschinenkomponenten - Turm (und Gründung) - Elektrotechnische Komponenten - Inbetriebnahme Bei offenen Punkten: B-Design Assessment Keine offenen Punkte: A-Design Assessment Abb.1 Ablauf A- und B-Design Assessment [1] Neben den konstruktions- und materialbedingten Qualitätsbeurteilungen im Design Assessment, dem Qualitätsmanagementsystem des Herstellers sowie Abnahmen und Tests eines Prototypen, werden auch die Bestimmungen und die Umsetzung der qualitätssichernden Maßnahmen im Rahmen einer Typenzertifizierung geprüft. Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 2005 Seite 3 von 8

4 A-Design Assessment Umsetzung der konstruktiven Anforderungen in der Fertigung und Montage (IPE) Qualitäts- Managment- System (QM) Prototypentest inkl. Prototyperprobung des Getriebes auf der WEA Abschließende Beurteilung Typenzertifikat Fertigungsüberwachung Standortspezifisches Design Assessment Transport- und Montageüberwachung Überwachung der Inebetriebnahme Projektzertifikat Wiederkehrende Prüfung Abb. 2 Bestandteile des Typen- und des Projektzertifikates [1] Dabei ist die Umsetzung der konstruktiven Anforderungen in der Fertigung und Montage einer WEA der Schlüssel zum Erfolg, dem im folgenden Abschnitt noch mehr Aufmerksamkeit gewidmet wird. Die Umsetzung der konstruktiven Anforderungen in der Fertigung und Montage wird für die Projektzertifizierung durch verschiedene Überwachungstätigkeiten in Fertigung, Transport, Montage und Inbetriebnahme sinnvoll erweitert. Weitere Informationen können [4] und [5] entnommen werden. IPE als praktische Umsetzung des Qualitätsmanagements Die Umsetzung der konstruktiven Anforderungen in Fertigung und Montage IPE (Implementation of design requirements in Production and Erection) ist das qualitätssichernde Werkzeug innerhalb der (Typen-) Zertifizierung. Das Ziel von IPE ist es, die Anforderungen, die in den technischen Dokumentationen (Zeichnungen, Spezifikationen, Berechnungen) des Design Assessments aufgestellt wurden, in einem Schritt zu definieren und im Folgenden in der Fertigung und Montage durch Inspektionen zu bestätigen. Eine IPE kann dabei mit Erfolg nur Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 2005 Seite 4 von 8

5 durchgeführt werden, wenn sich alle Beteiligten (Hersteller, Zulieferer, Zertifizierer etc.) der Aufgabe bewusst sind und in Ihrer Tätigkeit koordiniert vorgehen. In diesem Sinne wird der Planung ein besonderes Gewicht beigemessen, deren Aspekte nachfolgend näher beleuchtet werden. IPE lässt sich in drei Abschnitte einteilen: 1. Definition der Anforderungen (kritische Bauteile, Komponenten usw.). 2. Inspektionen zur stichprobenartigen Prüfung zu Beginn der Herstellung und bei gravierenden Änderungen der Konstruktion oder des Herstellungsprozesses. 3. Weitere Inspektionen in der laufenden Herstellung der WEA-Strukturen und Komponenten und Überführung in die vollständige Fertigungsüberwachung im Zuge der Projektzertifizierung (z.b. für spezielle Standorte oder Windparks). Die Inspektionen in der Fertigung erstrecken sich dabei auf die Bewertung zur Sicherstellung der Anforderungen, die an - die Herstellerbetriebe (z.b. Betriebszulassungen für Schweißen, Laminieren und Leimen) - das Qualitätsmanagement - die Werkstoffe sowie - die Fertigung und (interne) Prüfung gestellt werden. Der erste und zugleich zentrale Schritt in der Umsetzung der IPE ist die Definition der kritischen Prozesse in der Herstellung der WEA. Die kritischen Prozesse definieren sich aus den konstruktiven Ansprüchen des Design Assessments, wie z.b. Güte der Materialien und der Fertigungsqualität aber auch aus den qualitätssichernden Maßnahmen zwischen den Zulieferern und den WEA-Herstellern. So kann z.b. vom WEA-Hersteller für die Berechnung der Turmschweißnähte eine besondere Güte gewählt worden sein. Diese Anforderung muss zum einen in den Einkaufspezifikationen des WEA-Herstellers, als auch in den (Waren-)Eingangs- und Ausgangskontrollen beider Partner (WEA-Hersteller und Zulieferer) wieder zu finden sein. Nach bisherigen Erfahrungen ergeben sich für den Hersteller allein aus der Definition der (aus qualitätssichernder Sicht) kritischen Bauteile und Fertigungsprozesse (siehe 1. Abschnitt der IPE) weitere Erkenntnisse. Die Ergebnisse sind dann individuell auf den WEA-Typ abgestimmte, qualitätssichernde Maßnahmen zwischen WEA- und Komponentenhersteller sowie (in der Projektzertifizierung) auch die Berücksichtigung der Standortbelange. Die Überprüfung der Dokumentationen als auch die Inspektionen vor Ort werden unabhängig von Seiten des Zertifizierers begleitet und bewertet. Die Inspektion ist das Kernstück und die logische Folgerung der aufgestellten qualitätssichernden Maßnahmen. Sie führt zu einem kaufmännischen Mehrwert, sowohl für den WEA-Hersteller wie auch für den Betreiber. Dieses wird erreicht, indem mittels Inspektionen die Brücke geschlagen wird zwischen theoretischer Sicherstellung der konstruktiven Anforderungen und der Bewertung der praktischen Umsetzung in der Fertigung und Montage. Der Käufer bzw. der Betreiber der WEA hat seinen Mehrwert durch die zertifizierte fachmännische Bewertung aller Herstellungsabläufe, die ihm häufig verborgen bleiben und auch im Zuge seiner Projektierung selten bis in diese Detailtiefe zu verfolgen sind. Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 2005 Seite 5 von 8

6 Umfang der qualitätssichernden Maßnahmen Der Umfang der Inspektionen von Fertigung- und Montage ist abhängig von der Güte der qualitätssichernden Maßnahmen. Daher ist im Einzelfall zu entscheiden, ob eine Komponente (z.b. eine gegossene Nabe) im Herstellwerk (Gießerei) oder im Zuge der Wareneingangskontrolle des Anlagenherstellers (WEA-Hersteller) prüfbar ist. Fordert beispielsweise der Anlagenhersteller ein Werksprüfzeugnis vom Nabenhersteller, welches alle für die spätere Funktion des Bauteiles oder der Anlage relevanten Größen (z. B. Werkstoffgüte, Abmessungen, Form- und Lagetoleranzen) beinhaltet, so ist die IPE beim Nabenhersteller durchzuführen. Führt der Anlagenhersteller eine solche Prüfung im Rahmen der Wareneingangskontrolle durch und ist dieses dokumentiert, so kann die IPE beim Anlagenhersteller ausreichend sein. In Ausnahmefällen kann auch eine IPE-Überprüfung sowohl beim Nabenhersteller als auch beim Anlagenhersteller notwendig sein. Ebenso ist die Prüfung einer Gründungskonstruktion natürlich nur vor Ort möglich. Die Ergebnisse der IPE-Überprüfungen der Bereiche: - Rotorblätter - Nabe - Welle - Haupt-, Pitch- und Yaw-Lager (Pitch- und Yaw-Antriebe) - Hauptlagergehäuse und / oder Drehmomentstütze - Getriebe (Fertigung sowie Prototyptest auf Teststand und WEA) - Arretierungen und mechanische Bremsen - Generator, Transformator - Maschinen- und Generatorträger - Turm - Gründung (vor Ort, s.o.) - Schraubenverbindungen - Montage von Nabe und Gondel werden in einem sogenannten Statement of Compliance for the Implementation of design requirements in Production and Erection (Konformitätsbescheinigung) zusammen gefasst (Abb. 4). Inspektion beim Hersteller Inspektion des Zulieferers A Inspektion des Zulieferers B Inspektion des Zulieferers C Prüfbericht Prüfbericht Prüfbericht Prüfbericht Statement of Compliance für IPE Typen- und Projektzertifizierung Abb. 4 Das Ergebnis der IPE Einzelne Prüfberichte (Certification Reports) zu den IPE-Inspektionen bekommen i. d. R. eine Gültigkeit von 3 Jahren und wirken sich bzgl. der Gültigkeit damit auf die Konformitätsbescheinigung und das Typenzertifikat aus. Die Übertragbarkeit (Synergieeffekte) einzelner IPE-Inspektionen auf andere WEA eines Herstellers ist unter bestimmten Voraussetzungen möglich. Die Inspektionen im Rahmen der IPE können zudem bei den im Rahmen eines Projektzertifikates geforderten Fertigungs-, sowie Transport- und Montageüberwachungen berücksichtigt werden. Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 2005 Seite 6 von 8

7 Zusammenfassend lässt sich IPE durch folgende Leitsätze charakterisieren: - IPE ist die praktische Umsetzung zwischen Zertifizierung und QM und dient damit auch der Erfüllung der ISO 9001: IPE dient zur Entlastung und zur Fehlervermeidung / -erkennung (Risikominimierung durch Verwendung des Vier-Augen-Prinzips ) und ist damit eine aktive Produktoptimierung. - IPE dient als Verkaufsargument und zur Steigerung der Kundenzufriedenheit und ist damit ein Qualitätssiegel für den Windenergieanlagentyp. - IPE führt zu zusätzlichen Informationen für den Konstrukteur durch unabhängige Inspektionen und Prüfberichte. - IPE sorgt für mehr Zuverlässigkeit gegenüber Finanziers und Versicherern. Weitere Informationen: Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH Abteilung Maschinenbau und Sicherheitstechnik Mike Wöbbeking Steinhöft Hamburg Tel. +49 (0) Fax +49 (0) mike.woebbeking@gl-group.com Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH Abteilung Maschinenbau und Sicherheitstechnik Axel Dombrowski Steinhöft Hamburg Tel. +49 (0) Fax +49 (0) axel.dombrowski@gl-group.com Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 2005 Seite 7 von 8

8 Referenzen [1] Richtlinie für die Zertifizierung von Windenergieanlagen, Ausgabe 2003 mit Ergänzung 2004, Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH [2] Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines, Edition 2005, Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH [3] IEC WT 01: IEC System for Conformity Testing and Certification of Wind Turbines, First Edition [4] Wind Turbine Certification and Type Certification - Guideline for the Certification of Wind Turbines, Edition 2003 with Supplement 2004, Mike Woebbeking, Christian Nath, Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH ( [5] Wind Turbine Certification and Type Certification - IEC WT 01: IEC System for Conformity Testing and Certification of Wind Turbines, , Mike Woebbeking, Axel Andreä, Axel Dombrowski, Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH ( Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 2005 Seite 8 von 8