Kurzbeschreibung des Vorhabens
Die Reduzierung des CO2 Ausstoßes zur Bekämpfung des Klimawandels gehört zu einer der größten Aufgaben und Herausforderungen unseres Zeitalters. Eine Antwort auf die regenerative Energieversorgung ist die Entwicklung der 11MW bis 14MW Klasse für Offshore Windenergieanlagen. Die zukunftsweisende Entwicklung einer neuer Offshore Klasse mit 11MW bis 14MW sorgt für einen 50% höheren Energieertrag bei gleichzeitiger Reduzierung der Errichtungs- und Stromerzeugungskosten. Der Beitrag zur Zielerreichung und dem Entgegenwirken des Klimawandels wird mit diesem Anlagentyp von enormer Bedeutung sein.
Der Bau der Einzelkomponenten wird nach den neusten Fertigungsstandards im Faserverbundbereich erfolgen und somit ebenfalls dafür sorgen, dass eine hohe Kosteneffizienz das Projekt zum Erfolg bringt.
Die Herausforderung in der Projektierung liegt darin, dass die Größe der Anlage neue Dimensionen beschreibt, die bisher so noch nicht gebaut wurden. Dazu ist eine enge Zusammenarbeit mit dem Kunden notwendig, um das Produkt erfolgreich am Markt platzieren und produzieren zu können. Die technischen Abhängigkeiten in solch einer Anlage sind hoch und bergen ein großes Risiko in der Realisierung des Projektes.
PROJEKTBESCHREIBUNG
Zurzeit werden Offshore Windkraftanlagen mit einer Leistung zwischen 6 und 9,5 MW errichtet. Zum Portfolio der Fr. Fassmer GmbH & Co KG (FASSMER) gehört die Zulieferung der Gondel- und Spinnerverkleidungen aus Glasfaserverbundstoffen von Anlagentypen bis 8MW Nennleistung. Die Förderung für Windenergie auf See wird seit Inkrafttreten des WindSeeG wettbewerblich ermittelt. Für alle Windenergieanlagen auf See, die ab 2021 in Betrieb genommen werden, sind Ausschreibungen eingeführt worden. Ein zentraler Punkt des Gesetzes ist u.a. die Steigerung der Kosteneffizienz. Für die Hersteller und Zulieferer der Windkraftanlagen bedeutet dies in Kostenreduzierungen und technische Innovationen zu investieren, ansonsten verlieren die Unternehmen ihre Wettbewerbsfähigkeit und somit später den Marktzugang. Daher ist es von hoher Bedeutung frühzeitig in die Entwicklung in einer neuen Anlagengeneration der 11MW bis 14MW Klasse zu investieren, um so den nächsten technischen Schritt zu gehen und für die Zukunft sicher aufgestellt zu sein. Die Anlagen der zukünftigen 11MW bis 14MW Klasse stellt eine Verbesserung der Produktivität und Ertragsleistung im Vergleich zu heutigen Offshore Windkraftanlagen von mehr als 50% dar. Somit kann eine Windkraftanlage der neuen Generation bis zu 16.000 Haushalte versorgen und stellt somit einen wichtigen Baustein für die CO2-Reduzierung der Bundesrepublik Deutschland dar.
In der Vergangenheit wurde Fassmer als ausführendes Unternehmen in der Herstellung der GFK Verkleidungskomponenten angefragt und beauftragt – die Entwicklung, Konstruktion und Produktbeschreibung (3D Design, FEM, Werkstoffauswahl, Spezifikation, 2D Zeichnungen) lief über den Kunden, ohne, dass Fassmer Input einbringen konnte (Build to Spec). Dies führt zu Produktivitätsverlusten und damit erhöhten Kostenaufwänden, die sich u.a. wie folgt darstellen:
Produktivitätsverluste:
Transport/Logistik:
Undefinierte Prozesse im Projekt-/Qualitätsmanagement
Ziel der Arbeit, Innovationsgehalt (Soll-Zustand)
Im Rahmen des Projektes soll die Gondelverkleidung einer neuen 11MW und 14MW Klasse mit einem Windkrafthersteller entwickelt werden, der Anteil von FASSMER umfasst die Entwicklung und die Fertigung der Urmodelle, Negativformen sowie der Realisierung der Serienfertigung für die Gondel- und Spinnerverkleidung. Die neuartige Anlagengröße stellt eine Herausforderung an die Logistik, Fertigungsabwicklung und Qualitätssicherung für FASSMER dar.
Um die Wünsche des Kunden (Windkraftherstellers) optimal entsprechen zu können, sollen Versuche durchgeführt werden, in denen es darum geht, den Winkelschrumpf zu reduzieren oder auch ganz abgestellt zu bekommen. Dieser Winkelschrumpf entsteht in Flanschbereichen des entformten Bauteils. Um dem Schrumpf entgegen wirken zu können ist es Stand der Technik, die Urmodelle und Negativformen so auszulegen, dass sie eine dem Schrumpf entgegenwirkende Geometrie aufweisen. Durch diese Geometrieanpassung der Flansche, entsprechen die Urmodelle und Negativformen nicht mehr 100% dem 3D Modell des Kunden. Aus diesem Grund, soll in der Entwicklungsabteilung von FASSMER ein internes „Forschungsprojekt“ zu diesem innovativen Thema gestartet werden. Die aus dem FASSMER internen Forschungsprojekt resultierende Ergebnisse, könnten auch für andere Windkrafthersteller wegweisend sein.
Eine frühe Einbindung in das Projekt hat den Vorteil, dass Bauteile geometrisch und dimensional so konstruiert werden können, dass es positive Auswirkungen auf die Prozessgeschwindigkeit in der Bauteilherstellung hat. Es kann von der ersten Planung an, der Schwerpunkt daraufgelegt werden, möglichst viel in dem Fertigungsprozess zu automatisieren oder zu standardisieren. Eine Standardisierung wäre z.B. die Urmodelle und Negativformen bereits so auszulegen, dass möglichst wenige Beschnittkanten am Bauteil entstehen um den Finish-Prozess der Bauteile so kurz wie möglich zu halten und gleichzeitig den Materialverbrauch zu optimieren. Ziel ist es die Emissionen, die durch die Herstellung der Materialien oder dem Finish entstehen, auf ein Minimum zu reduziert. Dieses Vorgehen nennt man Endkonturnahe Fertigung und setzt ein hohes Maß an innovativen Ideen bei der Auslegung und Konstruktion der Urmodelle und Negativformen voraus. Eine Automatisierung der Fertigung können u.a. mittels einer Gelcoatspritzanlage oder durch den Einsatz von Robotern für die Verklebung oder das Besäumen erreicht werden. So kann der herkömmliche Fertigungsprozess, mit viel „Man-Power“, verschlankt werden und somit langfristig zu Einsparung von Fertigungskosten beitragen.
Eine Gelcoatspritzanlage hat den Vorteil gegenüber gerolltem Gelcoat, dass die vorgegebene Schichtdicke überall gleichermaßen eigehalten werden kann. Außerdem werden die Materialverluste reduziert da keine Rollen mehr getränkt, oder Eimer abgefüllt werden müssen. Das reduziert nicht nur den Materialverbracht, sondern verhindert zudem noch die Müllproduktion (Umweltschonend). Wichtig bei der Verwendung einer Gelcoatspritzanlage ist, dass eine innovative Absaugung die mittels Aktivkohlefilter das Styrol aus der Umgebungsluft absorbieren kann eingesetzt wird. Desweitern ist es unabdingbar, dass eine Einhausung des Arbeitsplatzes vorhanden ist. Die Einhausung verhindert die Verbreitung der Emissionen in der Umgebung und die spezielle Absaugung sorgt dafür, dass die entstehenden Emissionen auf ein Minimum reduziert oder ganz verhindert werden und dadurch die Mitarbeiter und die Umwelt zu schützen. Dabei kann eine Einhausung stationär oder portabel ausgeführt werden. Bei einer stationären Einhausung mit Absaugvorrichtung müssen die Negativformen portabel sein, was bei der Herstellung der Negativformen bereits berücksichtig werden muss. Eine portable Einhausung hat den Vorteil, dass sie über die Negativform gestellt werden kann und an beliebigen Orten (mit Anschluss zur Absaugung) für unterschiedliche Negativformen Verwendung findet. Eine portable Einhausung kann größenverstellbar sein, so dass der benötigte Arbeitsplatz individuell an das Bauteil angepasst werden kann. Das hat den weiteren Vorteil, dass die Absaugung einen geringeren Luftstrom filtern muss als bei einer statischen Einhausung. Für die großen Bauteile der Windindustrie, gibt es stand heute keine geeignete marktreife Absaugung für styrolhaltige Beschichtungen. Daher wird FASSMER mit dieser innovativen Styrol-absorbierenden Absauganlage ein revolutionärer Schritt in Sachen Umwelt- und Gesundheitsschutz gelingen.
Weitere wichtige Punkte, die bei der Entwicklung von Bauteilen für eine Windkraftanlagenverkleidung nicht außer Acht gelassen werden dürfen, sind die Lage und Konturen von Bohrpositionen oder Bauteilkanten. Diese sollen so gesetzt werden, dass der Einsatz von CNC-Technik ermöglicht und damit die Produktivität weiter gesteigert wird. Ein Beispiel für eine optimale Bauteilgeometrie ist, dass Bauteilradien möglichst groß ausgelegt werden. So kann das Glasgelege leichter verlegt werden, ein Verrutschen des Geleges wird vermieden, das Harz fließt leichter in die entsprechenden Räume und Lufteinschlüsse, deren Beseitigung sehr aufwändig ist, werden vermieden. Der optimale Glasgelegeeinsatz, so wie große Radien führen zu Gewichtsersparnissen, da das Material und die Geometrie der Bauteile optimal für die Kräfteaufnahme ausgewählt werden kann.
Ein weiterer innovativer Schritt wird sein, dass mit Hilfe einer MMA Klebemaschine die Verklebung von Windkraftbauteilen erstmalig bei FASSMER automatisiert werden. Dieser Schritt sorgt dafür, dass eine kontrollierte Materialmischung und Aufbringung erfolgen könnte, es entsteht eine qualitativ hochwertige Verklebung. Mit diesem neuartigen und innovativem Verfahren könnte FASSMER auf zusätzliche Schraubverbindungen verzichten was zu weiteren Materialeinsparungen im Herstellungsprozess führen wird. Mithilfe von weiteren technischen Hilfsmitteln (z.B. CNC- basierte Schleif-/Beschnittmaschinen) soll einerseits die Produktqualität verbessert, andererseits eine höhere Produktivität erreicht werden.
Es soll ein neuartiges Schienensystem aus Item-Profilen für die Lagerung der Bauteile in der CNC-Fräse verwendet werden. Der Vorteil eines Systems aus Item-Profilen ist, dass es durch das „Baukastenprinzip“ universal an unterschiedlichste Bauteile anpassbar ist. Ein weiterer großer Nutzen gegenüber dem jetzigen System aus einzelnen Schablonen für jedes Bauteil ist, dass durch die Verwendung von Item-Profilen keine Ressourcen mehr für Lagerkapazitäten aufgebraucht werden müssen. Aktuell werden für jedes auf der CNC-Anlage beschnittenes Bauteil Aufnahmeschablonen (aus Holz) hergestellt, die große Teile der potentiellen Produktionsfläche belegen.
Bei FASSMER soll als eine weitere innovative Ergänzung, eine 3D Formvermessung (mit Hilfe eines Lasertrackers) zur Ermittlung und Dokumentation der Bauteilqualität etabliert werden. Mit Hilfe der 3D Vermessung entsteht eine direkte Vergleichbarkeit zu den 3D-Modellen, was dazu führt, dass Abweichungen in einem sehr frühen Stadium erkannt und verhindert werden können. Somit werden Kosten für spätere Nacharbeiten vermieden. Die qualitative Überprüfung ist für dieses Projekt von enormer Bedeutung, damit die Einzelkomponenten in der späteren Montage mit geringsten Toleranzen zusammenpassen. Die Verwendung des Lasertrackers kann im weiteren Prozess ebenfalls eingesetzt werden, um z.B. fertige Bauteile dem 3D Modell noch einmal gegenüber zu stellen. Dies ist ein Schritt in Richtung -Industrie 4.0-, in dem eine digitale Rückführung von physischen Bauteilen in ein 3D Modell getätigt werden kann.
Für die Realisierung des Projektes wird angestrebt, ökologisch verträgliche Materialien einzusetzen, wie zum Beispiel lösungsmittelfreie Versiegelung für Oberflächen. Für den Urmodellbau bedeutet das, dass z.B. die Untergestelle aus lokalen nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden, im konkreten Fall aus Holz.
Komplexe Transportkonzepte sollen durch stapelfähige Bauteilauslegung (Gleichteile) vermieden werden. Das Ziel ist die Transporte an sich und die Kosten für Transportgestelle und die Lagerung der fertigen Komponenten zu reduzieren. Das kann dadurch erreicht werden, dass viele Bauteile auf wenigen Gestellen gelagert werden können. Aufgrund der in der Windkraft üblichen Bauteilgrößen werden überwiegend teure Spezialtransporte mit Überbreiten durchgeführt. Durch die frühe Einbindung in den Projektprozess sollen die Bauteile in ihrer Geometrie und ihrer Dimension so beeinflusst werden, dass Überbreitenfahrten vermieden werden können um die Transportkosten gering zu halten. Ebenso soll versucht werden durch die stapelfähige Bauteilauslegung die Anzahl der Transporte zu verringern.
Im Qualitätsmanagement wird der Standard APQP4Wind angesetzt (Standardisierung von Prozessen zur Abwicklung in gleichbleibender Qualität vom der Produktentstehung bis hin zu Serienreife), der bereits bei Fassmer etabliert ist und gelebt wird.
Lösungsweg, Realisierbarkeit
Die Projektabwicklung wird wie folgt geplant:
Zusätzlich werden fertigungsrelevante Unterlagen im Hause Fassmer erstellt, um eine Überwachung und Nachverfolgbarkeit der Bauteile in der Fertigung zu gewährleisten. Die Prozesse zur Fertigung der Einzelteile werden im Vorfeld mit der Entwicklungsabteilung bei Fassmer festgelegt und besprochen. Dies hat auch Einfluss auf die Auslegung des Urmodellbaus sowie des anschließenden Negativformenbaus. Die Entwicklung begleitet die Fertigung während des Herstellprozesses, um direkten Einfluss auf Parameter und Probleme nehmen zu können.
Darstellung der Marktfähigkeit, Angaben zum Wettbewerb und zur Markteinführung
Die Offshore-Windkraftanlagen werden in Zukunft immer größer und leistungsfähiger, der Markt kann sich in den kommenden Jahren stark weiterentwickeln. Die Bundesregierung Deutschland sieht vor bis 2030 allein in deutschen Gewässern 15.000 MW installieren zu lassen, das entspricht einem Potential von 8.500 MW in den nächsten 10 Jahren. In den letzten Jahren hat der asiatische Markt durch das hohe Ausbautempo in China stark an Bedeutung gewonnen, ebenso wollen die USA den Offshore-Bereich ausbauen.
Zurzeit führt eine Wettbewerbskonsolidierung der Windkrafthersteller weltweit statt, ebenso drängen neue asiatische Hersteller auf den Weltmarkt. Weiterhin führen Änderungen der gesetzlichen Energieförderung zu einem hohen Preisdruck der Windkrafthersteller, dieser Kostendruck wird an die Zulieferer weitergegeben. FASSMER bekommt diesen u.a. durch Konkurrenz aus dem osteuropäischen Ausland zu spüren.
Gemeinsam entwickelt FASSMER mit dem Windkrafthersteller SIEMENS GAMESA die Urmodelle und Negativformen für den Prototyp der Gondelverkleidung der 11MW bis 14MW Klasse. Mit diesen neuen Anlagen, die im zukünftigen weltweiten Offshore Markt viel Potential versprechen, ist man technisch und wirtschaftlich gut positioniert. Die Erfahrungen aus diesem Prototypenbau will FASSMER später nutzen, um andere Windkrafthersteller zu überzeugen mit FASSMER zusammenzuarbeiten.
Beitrag des Vorhabens zum Ausbau der Offshore-Windenergie
Durch die Realisierung einer 11MW bis 14MW Klasse wird ermöglicht, dass die Kosten für den Windstrom reduziert werden und somit noch attraktiver vermarktet werden können. Dies hat Einfluss auf den Ausbau des regenerativen Anteils in der Offshore Windenergie und wird für die Betreiber von hoher Attraktivität sein. Denn eine höhere Effizienz der Anlagen führt zur Reduzierung der Errichtungskosten und wirkt sich positiv auf den Preis beim Endkunden aus.
Abschluss und Bedeutung des Vorhabens für die niedersächsische Wirtschaft
Mit dem Förderprogramm „Förderung der Offshore-Windenergie“ der NBANK aus den Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung hat FASSMER das Projektrisiko mindern und die Umsetzung der hohen Kundenanforderungen umsetzen können. Unsere Wettbewerbsfähigkeit in dem interessanten Zukunftsmarkt konnten wir mit dieser innovativen Offshore-Windkraftanlage, einem Referenzobjekt steigern. Wir haben mithilfe der Förderung die Anzahl unserer qualifizierten Mitarbeiter in Niedersachsen halten bzw. weiter steigern können. Die Förderung wurde in diesem Fall von unserer Seite genutzt, um sicherzustellen, dass spezifizierte Leistungsdaten im Hinblick auf hohe Korrosionsbeständigkeit erreicht wurden sowie um die Entwicklungsarbeit und den Automatisierungsgrad in der Fertigung zu vertiefen. Mit den hier gewonnenen Erfahrungen haben wir unseren Technologievorsprung in Bezug auf qualitativ hochwertige und technisch im höchsten Maße entwickelte Windkraftkomponenten ausbauen können.
Darüber hinaus arbeiten wir mit einem hohen Anteil von lokalen Lieferanten im Umkreis von 75km zusammen, welche durch den Projektstart ebenfalls in ihrer Marktposition gestärkt werden. Dies betrifft zum Beispiel Rohstofflieferanten, aber auch Logistikunternehmen.
Als Lieferant für den Fertigungsstandort in Cuxhaven des Offshore Bereiches von Siemens Gamesa, erreichen wir ein starkes niedersächsisches Zusammenspiel von lokalen und globalen Playern in unserer Region.
Niedersachsen leistet damit einen großen regionalen Beitrag zum Ausbau von regenerativen Energien und der Reduzierung des CO2 Ausstoßes zur Erreichung der Klimaziele.
Fassmer ist ein erfolgreiches, internationales Unternehmen in Familienbesitz. Dynamisch und innovativ wird es in der fünften Generation von Holger und Harald Fassmer geführt.
Zwischen den fünf Produktbereichen Schiffbau, Boote und Davits, Anlagenbau, Windkraft, Faserverbundtechnik ergeben sich hervorragende Synergieeffekte. Ein weiteres Geschäftsfeld bildet der Fassmer Service.
