Achtmal schneller Windtürme schweißen

Eine Ausgründung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat einen Ansatz entwickelt, der den Schweißvorgang bei der Herstellung von Stahltürmen für Windenergieanlagen deutlich beschleunigt. „Expert:innen bestätigen uns schon jetzt, dass unser System zum Gamechanger für die Windindustrie werden könnte“, erklärt Fatma Akyel, die im Team den Bereich Forschung und Entwicklung verantwortet. „Gleichzeitig sind stählerne Windtürme nur ein Anwendungsfeld für unsere Innovation. Weitere Potenziale gibt es überall dort, wo dickwandige Stahlbleche zusammengefügt werden: beim Bau von Wasserstoffpipelines, von Behältern für Flüssiggas oder Chemikalien, beim Schiffs- und Brückenbau.“

Bei einem modernen Windturm aus Stahl summieren sich die Schweißnähte auf eine Länge von etwa 700 m. Bis zu 30 mm dicke Stahlbleche müssen dazu in mehreren Lagen mit dem so genannten Unterpulverschweißverfahren zusammengefügt werden. Gegenwärtig werden dafür insgesamt fast 100 h benötigt. Allein dadurch ist die Kapazität der vier verbliebenen deutschen Produktionsstandorte auf etwa 520 Stahltürme pro Jahr limitiert – nur gut die Hälfte dessen, was die Ausbauziele der Bundesregierung für Onshore-Windenergie vorsehen. Weitere Anlagen werden aus dem Ausland zugekauft, vor allem aus China, wo sie wegen der geringen Personalkosten besonders preisgünstig hergestellt werden können.

Deutlich schneller – und zugleich kostengünstiger – könnten die Anlagen im Laserhybridschweißverfahren hergestellt werden. Es erfordert nur eine einzige Schweißlage. Doch bislang ist dieses Verfahren nur für Bleche von einer Stärke von bis zu 12 mm im industriellen Einsatz zugelassen. Der Grund: Beim Schweißen dickerer Bleche bilden sich aus dem verflüssigten Metall aufgrund der Gravitation Tropfen unterhalb der Schweißnaht. Sie gefährden die Standfestigkeit der späteren Anlage und müssten aufwändig nachbearbeitet werden.

Die Wissenschaftler:innen haben ein System aus Elektromagneten entwickelt, das an der Schweißzone angebracht wird. Die Magneten setzen eine so genannte Lorentzkraft frei, die der Gravitation entgegenwirkt. Jegliche Tropfenbildung an der Schweißnaht wird so verhindert. Dabei arbeitet das System völlig kontaktlos. Die Innovation ermöglicht es, das schnellere Laserhybridschweißverfahren ohne Sicherheitseinbußen auch bei den dicken Stahlblechen für Windenergieanlagen einzusetzen.

Das Einsparpotenzial an Zeit und Kosten durch die Innovation, so rechnet Christian Brunner-Schwer, der im Team für Finanzen und Vertrieb zuständig ist, wäre bei einem modernen 120-m-Windturm enorm: Durch die Anwendung des Laserschweißens, das das Magnetsystem möglich macht, ließe sich die Schweißzeit von 96 auf knapp 12 h reduzieren – eine Beschleunigung um den Faktor 8. Gleichzeitig würden nur 900 statt wie bisher 4000 kWh an Energie benötigt. Die Kosten für das Schweißen könnten insgesamt um 90 % gesenkt werden. Der CO₂-Ausstoß der Fertigung eines Windturms würde sogar um 93 % reduziert.

Jetzt machen sich die vier Wissenschaftler:innen mit einer Ausgründung selbstständig. Sie wollen aus ihrer Erfindung in den kommenden zwei Jahren ein marktreifes System für die Industrie entwickeln. Unterstützt werden sie dabei durch das EXIST-Förderprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).