In diesem Artikel sollen die Themenbereiche Ermüdungssicherheit und Korrosion in Bezug auf Offshore-Windkraftanlagen bzw. ihre Türme erörtert werden, die sich nicht grundsätzlich von den anfallenden Beanspruchbarkeiten in anderen Teilbereichen des Stahlbaus, so zum Beispiel im Rahmen der Anlagenstrukturen bei der Offshore-Gewinnung von Erdöl und Erdgas, unterscheiden.
Zu berücksichtigen sind allerdings die für Windenergieanlagen typischen hohen Lastwechselzahlen, die in Größenordnungen von bis zu 109 auftreten können. Die Ermüdungsbeanspruchungen von Offshore-Windkraftanlagen sind dadurch geprägt, dass sich neben den dynamischen Belastungen aus dem Wellengang zusätzlich auch hochdynamische Beanspruchungen aus dem Betrieb der Windenergieanlagen selbst einstellen können.
Diese Kombination unterscheidet Offshore-Windenergieanlagen nicht nur von herkömmlichen Windkraftanlagen im Onshore-Bereich, sondern auch von den traditionellen Offshore-Konstruktionen der Gas- und Ölindustrie. Weiterhin sind im Hinblick auf die Dauerfestigkeit respektive die Ermüdungssicherheit des Turmes Wellenbeanspruchungen in geeigneter Weise zu berücksichtigen, die mit Hilfe von computergestützten Programmen und Simulationen zur Berechnung der auftretenden Wellenlasten in die Festigkeitsauslegung von Offshore-Türmen einbezogen werden.
Derzeitige Untersuchungen beziehen sich vor allem auf ein kombiniert angreifendes Beanspruchungssystem aus Wind und Wellen. Aus dem Betrieb der Windkraftanlagen selber ergeben sich, wie bereits erwähnt, ebenfalls mannigfaltige Beanspruchungen, für deren Ermittlung auf Ergebnisse aus Simulationsberechnungen zurückgegriffen wird. Diese Kalkulationen basieren überwiegend auf einer modellhaften Abbildung des mechanischen und elektrischen Gesamtsystems der Windanlagen, das mit repräsentativen Zeitreihen unterschiedlicher Windzustände und -profile belastet wird.
In der Simulation werden die Kenndaten der Rotorblätter, der elektrischen Steuerung einer Anlage etc. berücksichtigt, so dass abgesicherte Lastkollektive nur in Abstimmung mit den Herstellern der jeweiligen Windkraftanlagen zu erzielen sind. Die Ermüdungssicherheit ist daher ebenso wie das Schwingungsverhalten von Anlagentürmen gerade im Offshore-Bereich insbesondere für die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit von Windkraftanlagen auf See von größter Bedeutung, so dass auch auf diesem Gebiet noch weitreichender Forschungsbedarf besteht.
Für die Berechnungen der anfallenden Ermüdungsbelastungen eines Anlagenturmes und damit der gesamten Windkraftanlage dienen im Wesentlichen die Erhebungen bezüglich des in den vorangegangenen Artikeln diskutierten Schwingungsverhaltens als mathematische Grundlage. Hinsichtlich der Beanspruchbarkeiten der Offshore-Windenergieanlagen bzw. der verwendeten Türme durch Ermüdung ist darüber hinaus der Einfluss der korrosiven Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen.
Dabei wird in dreierlei Hinsicht zwischen Bauteilen in gering korrosiver oder korrosiver Umgebung mit adäquatem Korrosionsschutz, Bauteilen in nicht korrosiver Umgebung mit konstanten Spannungsschwingbreiten und schließlich ungeschützten Bauteilen in korrosiver Umgebung unterschieden. Eine alternative Unterteilung der Umgebungsbedingungen ließe sich auch in die Bereiche an der Luft, im Seewasser mit kathodischem Korrosionsschutz und in den Bereich bei freier Korrosion vornehmen.
Weiterführende Informationen zu diesem Thema bietet unter anderem auch der Verband der dänischen Windkraftindustrie (DWIA, Danish Wind Industry Association) auf seiner Internetpräsenz unter http://www.windpower.org/.