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Entwicklung eines Rotorblattes aus Stahl für Onshore Windenergieanlagen

Das Projekt SteelBlade beschäftigt sich mit der Entwicklung und Konstruktion eines Onshore Rotorblattes für Windenergieanlagen (WEA), das für den Einsatz des Werkstoffs Stahl optimiert wird. Leichtbau- und Optimierungsmethoden aus der Luft- und Raumfahrt sollen dabei den effizienten Einsatz des Werkstoffes sichern, sodass die Rotorblattkonstruktion in einem für das System Windenergieanlage verträglichen Bereich liegen wird. Durch eine gleichzeitige Akustik-Optimierung der Struktur kann die Umweltbelastung durch Schallemissionen für Mensch und Tier kontrolliert und eventuell sogar weiter gesenkt werden. Der Fokus bei der Entwicklung des Stahlrotorblattes liegt auf der Konstruktion der inneren Struktur sowie der Auslegung einer Blattaußenhülle, die auf Basis aerodynamischer Gesichtspunkte entwickelt wurde. Die Konstruktion des Stahlrotorblattes erfolgt durch den konsequenten Transfer innovativer Leichtbautechniken aus der Luft- und Raumfahrt sowie dem Automobilbau in den Windenergieanlagenbau mit dem Ziel, dass das Gesamtgewicht des Stahlblattes auf dem Niveau des GFK-Blattes liegt. Im Rahmen des Projektes werden zunächst die technische, wirtschaftliche und nachhaltige Machbarkeit konkret nachgewiesen. Dabei werden insbesondere auch Transport-, Standardisierungs- und Nachhaltigkeitspotentiale berücksichtigt. Bei der Auslegung wird neben den strukturellen und dynamischen Eigenschaften des Rotorblattes ebenfalls das strukturdynamische Verhalten der gesamten WEA über den vollen Betriebsbereich ermittelt. Die Gesamtanlagensimulation wird basierend auf einer flexiblen Mehrkörpersimulation (MKS) im Zeitbereich durchgeführt und ermöglicht eine genaue Auflösung der dynamischen, nichtlinearen Lasten im Antriebsstrang, deren Kenntnis für die Lebensdauervorhersage sowie der Ermittlung der Belastungen der einzelnen Komponenten der WEA erforderlich ist. Im Rahmen dieses Projektes wird das dynamische Verhalten der gesamten WEA sowie der Schallemission untersucht.

Nationaler Ansprechpartner (NPOC - National Point of Contact) im Rahmen des EARTHNET-Programmes der ESA

Der Bundesminister fuer Forschung und Technologie hat die Hauptabteilung Raumflugbetrieb der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt fuer Luft- und Raumfahrt (DFVLR) als Nationalen Ansprechpartner im Rahmen des EARTHNET-Programmes benannt. EARTHNET ist das von der ESA eingerichtete europaeische Netzwerk fuer Empfang, Verarbeitung, Verteilung und Archivierung von Erderkundungssatellitendaten der NASA-Satelliten LANDSAT sowie NIMBUS-G, HCMM und SEASAT. Die allgemeinen NPOC-Aufgaben beinhalten: Uebernahme der vorverarbeiteten Satellitendaten in Form von rechnerkompatiblen Digitalbaendern, Erzeugung von Filmen, Verteilung an die nationalen Nutzer, Aufbau eines nationalen Datenarchivs und Unterstuetzung der Nutzer bei der Entwicklung von Interpretationsmethoden und deren Auswertung auch durch Bereitstellung eines interaktiven Bildauswertesystems (DIBIAS).

ForWind: ventus efficiens - Verbundforschung zur Steigerung der Effizienz von Windenergieanlagen im Energiesystem

Die Forscher planen, die Effizienz von Windkraftanlagen zu steigern. Dazu betrachten sie nicht nur einzelne Teile der Windkraftanlagen, sondern die gesamte Wirkungskette von der Energieerzeugung in der Anlage bis hin zur Netzanbindung. Kooperationspartner aus dem Fraunhofer-Institut für Windenergie- und Energiesystemtechnik und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt unterstützen sie dabei. Die Forschergruppe will mit ihrem Vorhaben einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Windenergietechnologie leisten und Niedersachsens Position als innovativen Standort der Windenergie weiter stärken.

Modellgestützte Analyse von Verkehrs- und Energieinfrastrukturen für einen gelingenden Strukturwandel im Rheinischen Revier, Teilvorhaben: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V

Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE-C)

Copernicus-Daten zur Prozessierung, Visualisierung und Validierung von Chlorophyll-a in Flüssen und Seen für das Gewässermanagement, Teilvorhaben: BfG

Veranlassung „Algenblüten“ sind deutlich sichtbare Zeichen für die multiplen Belastungen, denen unsere Binnengewässer ausgesetzt sind, wie z. B. Nährstoffeinträge, Folgen des Klimawandels – insbesondere Dürren und Starkregen – oder physische und biologische Strukturveränderungen. Diese können mit erheblichen Nutzungseinschränkungen einhergehen. Das massenhafte Fischsterben in der Oder 2022 hat eindrücklich gezeigt, welche Auswirkungen auf Ökosysteme durch das Freisetzen von Algentoxinen entstehen können, und dass dafür verantwortlichen Prozesse möglicherweise so schnell und großräumig ablaufen, dass klassische Monitoring-Strategien diese nicht erfassen. Die Gewässerfernerkundung bietet die Möglichkeit, Algenblüten über die Chlorophyll-a-Konzentration großflächig mittels Satellitendaten zu erheben und Informationen in nahe-Echtzeit bereitzustellen. Eine bundesweite Überwachung von Algen in Fließ- und Standgewässern ist aufgrund des umfassenden Copernicus-Programms der EU technisch möglich und inhaltlich notwendig, um den Behörden zukünftig ein effizientes Gewässermonitoring und z. B. eine Früherkennung kurzzeitig auftretender Ereignisse mit Algenmassenentwicklungen zu ermöglichen. Zudem bieten die Daten wichtige Informationen für die Bewirtschaftung von Trinkwassertalsperren und Badegewässern. Ziele - Automatisierte, skalierbare Ableitung von Chlorophyll-a-Konzentrationen und ergänzenden Gewässergüteparametern aus räumlich- und zeitlich hochaufgelösten, großflächig verfügbaren Satellitendaten für Beispielgewässer (Fließ- und Standgewässer). - Kalibrierung, Validierung und Qualitätssicherung der erzeugten Daten mittels vorhandener In-situ-Daten - Entwicklung und automatisierte Erzeugung anwendungsbezogener, maßgeschneiderter Indikatoren, Produkte und Visualisierungen - Entwicklung einer digitalen Anwendung auf der Cloud-Plattform CODE-DE inkl. Bereitstellung der erzeugten Daten und Produkte - Planspiele für konkrete Anwendungsfelder – u. a. zur Einbindung von Fernerkundung in die Berichterstattung Der Algenmonitor wird auf diesen Grundlagen eine wissenschaftlich fundierte Anwendung demonstrieren, die für den behördlichen Einsatz frei verfügbare, zeitlich hochaufgelöste Gewässerfernerkundungsdaten von Beispielgewässern zur Verfügung stellt. Da die Anwendung auf Open-Source-Bausteinen beruht, schafft dies eine Basis für eine Skalierung auf das ganze Bundesgebiet. Die Bundesanstalt für Gewässerkunde, das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung und das Umweltbundesamt starteten im August 2024 das Verbundprojekt „Algenmonitor“, gefördert vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV).Grundlegende Ziele des Verbundprojektes sind, auf Basis von Satellitendaten räumlich- und zeitlich hochaufgelöste Chlorophyll-a-Konzentrationen, für die Anwendungen maßgeschneiderte Produkte und weitere spezifische Indikatoren für (schädliche) Algenblüten bereitzustellen. Die Anwendung des Algenmonitors soll in diesem Projekt anhand von Beispielgewässern erprobt werden; angestrebt sind je nach Verfügbarkeit von In-situ-Daten mindestens drei große Fließgewässer und drei Standgewässer. Die erforderlichen Prozessierungsschritte werden auf der cloudbasierten Prozessierungsplattform CODE-DE implementiert. Anhand der Beispielgewässer können dieprozessierten Gewässerfernerkundungsdaten von Flüsse und Seen mit In-situ-Daten des Bundes, der Bundesländer und aus wissenschaftlichen Messnetzen (z. B. eLTER) validiert und ergänzt werden. Durch die Einbeziehung der Copernicus-Daten und -Dienste entsteht eine Grundlage, die es den Behörden von Bund und Ländern potentiell ermöglicht, wichtige Wassergüte-Parameter für die bundesweite Gewässerüberwachung großflächig zu erheben und in Wert zu setzen. Ziel des Vorhabens ist es, Gewässerfernerkundungsdaten für die weitere Verwendung zu erschließen und konkrete Anwendungsmöglichkeiten aufzuzeigen.

Energieeffiziente additive Fertigung durch Rezirkulation von Pulvermaterial und Energieströmen, Teilvorhaben: Entwicklung einer permanenten Pulverüberwachung bei einer inerten Pulverförderung inklusive einer zuverlässigen Pulverdosierung

Dieses Vorhaben avisiert ein energieeffizientes Technikumsanlage für optimale Metall-Pulver- und Inertgasaufbereitung für die additive Fertigung mit kontinuierlicher Überwachung und Regelung der Prozesse sowie normgerechte Dokumentation, sodass es allerhöchste Anforderungen aus der Produktion für Klasse-1-AM-Bauteile erfüllt und gleichzeitig den Anforderungen an eine signifikante Reduktion des Endenergieverbrauchs und des CO2-Footprints gerecht wird sowie zur Ressourcenschonung beiträgt. Erstmalig wird durch eine lückenlose Qualitätsüberwachung der Güte des Pulvers und der Anlagenumgebung, unter anderem im Sinne der Sicherheit und Effizienz, kontinuierlich kontrolliert, geregelt und dokumentiert. Im Sinne der Endenergieverbrauchsreduktion soll die Nutzung des bereits hergestellten Pulvers (insbesondere Titan) für die additive Fertigung maximiert werden. Aktuell wird das Material für hochbeanspruchte Bauteile, wie es beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt wird, nur 1 bis fünfmal rezykliert. Das heißt, dass ein Großteil, des Pulvers, nicht mehr für die Fertigung solcher Teile zur Verfügung steht, sondern entsorgt wird, da es den hohen Anforderungen nicht mehr genügt und durch Neupulver ersetzt werden muss. Die Herstellung des Neupulvers verbraucht mit etwa 25 MJ/kg ca. das 20 bis 30- fache der Energie gegenüber einer Aufbereitung des Pulvers mit Hilfe der geplanten Anlage. In dem Teilvorhaben soll eine Permanentpulverüberwachung und Pulverförderung ohne strömungsbedingte Entmischung des Pulvers unter inerter Atmosphäre entwickelt werden. Da für eine solche Förderung eine kontinuierliche und zuverlässige Bereitstellung von Pulver erforderlich ist, werden verschiedene Dosiermöglichkeiten für Metallpulver evaluiert und/oder weiterentwickelt. Zusätzlich soll die Überwachung und Förderung unter inerter Atmosphäre geschehen. Dazu sind neue Lösungen zu entwickeln, da vorhandene Lösungen nicht ausreichend gasdicht sind und somit zu einem enorm hohen Gasverbrauch führen.

Energieeffiziente additive Fertigung durch Rezirkulation von Pulvermaterial und Energieströmen, Teilvorhaben: Entwicklung einer energetisch hocheffizienten gekoppelten Pulveraufbereitung

Dieses Vorhaben avisiert ein energieeffizientes Technikumsanlage für optimale Metall-Pulver- und Inertgasaufbereitung für die additive Fertigung mit kontinuierlicher Überwachung und Regelung der Prozesse sowie normgerechte Dokumentation, sodass es allerhöchste Anforderungen aus der Produktion für Klasse-1-AM-Bauteile erfüllt und gleichzeitig den Anforderungen an eine signifikante Reduktion des Endenergieverbrauchs und des CO2-Footprints gerecht wird sowie zur Ressourcenschonung beiträgt. Erstmalig wird durch eine lückenlose Qualitätsüberwachung der Güte des Pulvers und der Anlagenumgebung, unter anderem im Sinne der Sicherheit und Effizienz, kontinuierlich kontrolliert, geregelt und dokumentiert. Im Sinne der Endenergieverbrauchsreduktion soll die Nutzung des bereits hergestellten Pulvers (insbesondere Titan) für die additive Fertigung maximiert werden. Aktuell wird das Material für hochbeanspruchte Bauteile, wie es beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt wird, nur 1 bis fünfmal rezykliert. Das heißt, dass ein Großteil, des Pulvers, nicht mehr für die Fertigung solcher Teile zur Verfügung steht, sondern entsorgt wird, da es den hohen Anforderungen nicht mehr genügt und durch Neupulver ersetzt werden muss. Die Herstellung des Neupulvers verbraucht mit etwa 25 MJ/kg ca. das 20 bis 30- fache der Energie gegenüber einer Aufbereitung des Pulvers mit Hilfe der geplanten Anlage. Wesentliche Ziele des Teilvorhabens der TU-Chemnitz sind dabei die Entwicklung effizienter Energiesysteme in den Einzelmodulen wie Trocknung, Förderung und Siebung und die systemübergreifende Kopplung der Subsysteme zur Nutzung der Synergieeffekte, auch über Systemgrenzen hinweg.

Energieeffiziente additive Fertigung durch Rezirkulation von Pulvermaterial und Energieströmen, Teilvorhaben: Kontinuierliche In-line Überwachung der Pulverqualität durch Agglomeraterkennung und Partikelgrößenmessung

Dieses Vorhaben avisiert ein energieeffizientes Technikumsanlage für optimale Metall-Pulver- und Inertgasaufbereitung für die additive Fertigung mit kontinuierlicher Überwachung und Regelung der Prozesse sowie normgerechte Dokumentation, sodass es allerhöchste Anforderungen aus der Produktion für Klasse-1-AM-Bauteile erfüllt und gleichzeitig den Anforderungen an eine signifikante Reduktion des Endenergieverbrauchs und des CO2-Footprints gerecht wird sowie zur Ressourcenschonung beiträgt. Erstmalig wird durch eine lückenlose Qualitätsüberwachung der Güte des Pulvers und der Anlagenumgebung, unter anderem im Sinne der Sicherheit und Effizienz, kontinuierlich kontrolliert, geregelt und dokumentiert. Im Sinne der Endenergieverbrauchsreduktion soll die Nutzung des bereits hergestellten Pulvers (insbesondere Titan) für die additive Fertigung maximiert werden. Aktuell wird das Material für hochbeanspruchte Bauteile, wie es beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt wird, nur 1 bis fünfmal rezykliert. Das heißt, dass ein Großteil, des Pulvers, nicht mehr für die Fertigung solcher Teile zur Verfügung steht, sondern entsorgt wird, da es den hohen Anforderungen nicht mehr genügt und durch Neupulver ersetzt werden muss. Die Herstellung des Neupulvers verbraucht mit etwa 25 MJ/kg ca. das 20 bis 30- fache der Energie gegenüber einer Aufbereitung des Pulvers mit Hilfe der geplanten Anlage. Wesentliche Ziele des Teilvorhabens der Firma Parsum sind dabei die Entwicklung eines kontinuierlich messenden Ortsfiltersensors für die relevante Partikelgrößenverteilung von 10 bis 63 µm sowie ein integrierbares Erfassungsverfahren. Durch die Überwachung und Kontrolle des Pulvers innerhalb des Aufbereitungsprozesses wird die konstant hohe Qualität des recycelten Pulvers stets gewährleistet und erspart ein erneutes hoch energieintensives Aufschmelzen des Rohstoffes.

Entwicklung eines Rotorblattes aus Stahl für Onshore Windenergieanlagen, Teilvorhaben: Akustische Bewertung

Das Projekt SteelBlade beschäftigt sich mit der Entwicklung und Konstruktion eines Onshore Rotorblattes für Windenergieanlagen, das für den Einsatz des Werkstoffs Stahl optimiert wird. Leichtbau- und Optimierungsmethoden aus der Luft- und Raumfahrt sowie dem Fahrzeugbau sollen den effizienten Einsatz des Werkstoffes sichern. Durch eine gleichzeitige Akustik-Optimierung der Struktur kann die Umweltbelastung durch Schallemissionen für Mensch und Tier kontrolliert und gesenkt werden. Der Fokus bei der Entwicklung des Stahlrotorblattes liegt auf der Konstruktion der inneren Struktur sowie der Auslegung einer Blattaußenhülle, die auf Basis aerodynamischer Gesichtspunkte entwickelt wird. Die Konstruktion des Stahlrotorblattes erfolgt durch konsequente Leichtbaumethodik, um das Gesamtgewicht des Stahlblattes auf dem Niveau des GFK-Blattes zu halten. Um die Anwendbarkeit der Neuentwicklung zu gewährleisten, wird Novicos insbesondere das akustische Verhalten mitbetrachten, insbesondere vor dem Hintergrund des geänderten Körperschalltransfers sowie geringerer Dämpfung des Werkstoffs Stahl. Aufgrund der sehr großen Systeme, sowie der Relevanz des Doppler-Effektes bei rotierenden schallemittierenden Oberflächen, wird der Einfluss der neu entwickelten Blattkonstruktion auf die WEA-Schallemission mithilfe der Boundary-Elemente-Methode (BEM) bestimmt. Im Rahmen dieses Projektes wird Novicos das schnelle BEM-Verfahren der hierarchischen Matrizen mit geschachtelten Clusterbasen an die speziellen Anforderungen der Schallemissionssimulation von Windenergieanlagen anpassen. Dies umfasst Berücksichtigung der Bodeneigenschaften sowie des Doppler-Effekts wie die Ausnutzung von WEA-Oberflächensymmetrien zur Verringerung des Rechenaufwands. Basierend auf den Erweiterungen des schnellen BEM-Lösers wird Novicos die Konstruktionsvarianten des Rotorblattes für die betrachteten WEA-Konzepte analysieren und unter akustischen Gesichtspunkten bewerten.

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