Forschungsfeld Rotorblätter

13. Mai 2015 - 17:17 Uhr
von Dr. Stefan Dietrich
zu  Blog, Wissenswertes zur Windenergie

Es gibt viele Newsletter und Branchendienste zur Windenergie und zur Energiewende, die man abonnieren kann. In einer dieser Mails fand ich kürzlich eine interessante Meldung, die meine Neugier geweckt hat. Es ging um Rotorblätter für Windenergieanlagen aus Metall. Diese Meldung habe ich zum Anlass genommen, einmal in den Weiten des Internets zu recherchieren, an was in Sachen Rotorblätter denn sonst noch so geforscht wird.

Neue Werkstoffe für Rotorblätter?

Am 4. Mai vermeldete das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Öffnet den Link in einem neuen Fensterdass Wissenschaftler des Instituts an neuen Rotorblättern arbeiten, die aus Metall bestehen. Das ist insofern interessant, als solche Blätter heutzutage aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) hergestellt werden, einem Werkstoff, der aus Gewichtsgründen bislang als alternativlos galt. Die IWU-Forscher möchten mit ihrem Projekt „HyBlade“ nun beweisen, dass es auch anders geht. Dafür nehmen sie 1 Millimeter dicke Stahlbleche, die sie abkanten, mit Laser verschweißen und dann durch Einpumpen eines Wasser-Öl-Gemischs in seine endgültige Form bringen. Noch sind die von den Forschern hergestellten Flügel nur 30 Zentimeter lang, aber auch große Rotorblätter sollen später auf diese Art und Weise entwickelt werden, wobei der Werkstoff Stahl dann durch Leichtmetalle ersetzt werden muss, da die Flügel sonst viel zu schwer werden.

Einen anderen Weg geht man am Wind Energy Technology Institute (WETI) der Fachhochschule Flensburg, wo Überraschendes ausgetüftelt wird. In unmittelbarer Nachbarschaft zum Windenergie-Vorzeigeland DänemarkÖffnet den Link in einem neuen Fenster arbeiten die Forscher um Prof. Dr. Torsten Faber nämlich an Rotorblättern aus Holz. Für Laien klingt das erst mal merkwürdig, aber Prof. Faber ist sich sicher, dass Rotorblätter aus Holz auch für große Anlagen mit fünf Megawatt Leistung und Blattlängen von mehr als 50 Metern möglich sind und die enormen aerodynamischen Belastungen aushalten können. Solche Blätter sollen dann aus Furnierschichtholz bestehen, das sehr fest ist und laut Prof. Faber hervorragende mechanische Eigenschaften aufweist.

Aber warum das Ganze? Schließlich sind GFK ein bewährter Werkstoff, der an Tausenden von Windenergieanlagen tagtäglich guten Dienst verrichtet, oder etwa nicht? Das ist sicherlich richtig, aber es gibt zwei Achillesfersen der gegenwärtig genutzten Technologie: Produktionsprozess und Recycling. Bei Rotorblättern aus GFK ist in der Produktion noch viel Handarbeit nötig. Das führt zu höheren Kosten und einer Beschränkung der Produktionskapazität. Metallflügel dagegen könnten, so der Plan, in einer automatisierten Fertigung entstehen, da die Prozesse denen der Automobilbranche ähneln. So wird eine echte Serienfertigung möglich. Für Holzblätter spricht nach Aussage ihrer Entwickler die vergleichsweise energiesparende Produktion.

Recycling als Zielvorgabe

Ein wesentlicher Vorteil von Holz und Metall gegenüber GFK ist die Wiederverwertbarkeit. Denn da liegt nach wie vor die große Schwäche der glasfaserverstärkten Kunststoffe.Öffnet den Link in einem neuen Fenster Insgesamt liegt die Recyclingquote einer Windenergieanlage bei erfreulichen 80 bis 90%, und die allermeisten Bauteile werden entweder wiederverwendet oder stofflich verwertet, wie das Recycling im Branchenjargon genannt wird. Sorgenkind sind aber die Rotorblätter, für die bislang nur Beseitigung oder Verbrennung als Entsorgungsalternativen zur Verfügung stehen. Hier könnten Metall- oder Holzflügel durchaus eine Lösung sein. Es gibt aber auch Forschungsansätze, um die GFK, die ja nicht nur für Rotorblätter von Windenergieanlagen eingesetzt werden, in Zukunft besser verwerten zu können. Denn selbst wenn zukünftig andere Werkstoffe zum Einsatz kommen, müssen die Flügel, die sich jetzt im Wind drehen, irgendwann entsorgt werden, und spätestens ab 2025 werden größere Mengen davon anfallen. Trotz des relativ hohen Heizwertes der verwendeten Stoffe ist die Verbrennung für viele nicht die bestmögliche Lösung, auch durch den enormen logistischen Aufwand, den die Zerkleinerung der Rotorblätter mit sich bringt. Daher wird auch in diesem Bereich kräftig geforscht. Während die einen daran arbeiten, zermahlene Flügel als Isolationsmaterial einzusetzen oder in der Zementindustrie als Roh- und Brennstoffsubstitut zu verwenden, Öffnet den Link in einem neuen Fenstergehen die Forscher am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal bei Karlsruhe andere Wege. Dem Team um Prof. Dr.-Ing. Jörg Woidasky und Dipl.-Ing. Elisa Sailer geht es darum, die Materialien so weit wie möglich stofflich zu verwerten, und das hochwertig. Dazu müssen die Materialien allerdings entsprechend ihres Faseranteils getrennt werden in „Matrixmaterial“, wozu etwa Epoxid- und Polyesterharz zählen, und in das „Fasermaterial“, also die Glas- und Carbonfasern. Gelingt das, können die Stoffe weitestgehend stofflich verwertet werden, also recycelt. Diese Verfahren sind unterschiedlich weit von der Marktreife entfernt, aber es ist offensichtlich, dass viel wissenschaftliches Know-how in die Frage investiert wird, was mit den Rotorblättern geschehen soll, wenn sie dann wirklich einmal ausrangiert werden.

Kluge Rotorblätter für mehr Ausbeute und längere Lebensdauer

Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung an den Rotorblättern ist die Frage, wie sie so verbessert werden können, dass sie zu einer besseren Nutzung der Windenergie beitragen können. Denn mit wachsendem Rotordurchmesser steigen auch die auf die Blätter einwirkenden aerodynamischen Kräfte, das Gewicht und die Schallemissionen. Daher sind „intelligente“ Flügel gefragt, die auf die Anströmung so reagieren, dass Belastungen reduziert werden. „Smarte“ Flügel sollen in Zukunft eigenständig auf veränderte Windverhältnisse oder auf starke Böen reagieren, um die Stromerzeugung zu erhöhen und zu verstetigen. Da moderne Rotoren eine Kreisfläche überstreichen, die der Größe des Petersplatzes in Rom entspricht, können innerhalb dieser Fläche gerade bei Böen unterschiedliche Windgeschwindigkeiten auftreten. Die Herausforderung ist, die Blätter so zu gestalten, dass sie sich auf spezifische Windverhältnisse einstellen können, die sich während der Drehung laufend verändern. Dafür haben sich die führenden Forschungsinstitute zusammengetan, um im Öffnet den Link in einem neuen FensterProjekt „Smart Blades“ die Rotorblätter dementsprechend weiterzuentwickeln. Denn die Rotorblätter bei wachsender Größe der Anlagen einfach immer nur größer zu machen, ist nicht die Lösung. Die Forscher arbeiten daher an beweglichen Hinterkanten und aufgesetzten Vorflügeln, die verstellt werden können, um die Belastung der Blätter zu reduzieren. Die Wissenschaftler sprechen dabei von „formvariablen Moveables“. Neben dieser aktiven Technologie gibt es auch die Möglichkeit passiver „Smart Blades“, die sich biegen oder um die eigene Achse verdrillen können. Dabei gilt es im Auge zu behalten, dass die Rotorblätter möglichst nicht fehleranfälliger, teurer, schwerer oder wartungsintensiver werden sollen.

Leiser werden sollen sie auch noch

Ein weiteres Problem, dem sich die Forscher stellen müssen, ist die exponentielle Zunahme der Geräuschentwicklung bei größer werdenden Rotorblättern. Auch da gibt es Ansätze, und sie werden sogar honoriert, wie ein Beispiel zeigt. So bekam Dr.-Ing. Michaela Herr vom Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR im vergangenen Sommer Öffnet den Link in einem neuen Fensterden Bertha-Benz-Preis für ihre Forschungen zur Vermeidung von Hinterkantenschall verliehen. Sie konnte nachweisen, dass durch das Anbringen poröser Strukturen an den Hinterkanten von Tragflächen (und Windenergieanlagen arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Flugzeuge) der Hinterkantenschall um bis zu 90% reduziert werden kann. Zum Einsatz kommen können demnach Bürstenfortsätze, Hinterkantenschlitze oder anderes. Durch solche Forschungsarbeiten und ihre Umsetzung durch die Hersteller der Windenergieanlagen wird auch in Zukunft sichergestellt, dass Windenergieanlagen so arbeiten, dass negative Auswirkungen auf die Menschen in der Umgebung vermieden werden.

Es ist offensichtlich viel zu tun, um die größer werdenden Windenergieanlagen so weiterzuentwickeln, dass sie ihrer stetig wachsenden Rolle in der Energieversorgung nachhaltig gerecht werden können. Das ist kein einfaches Unterfangen, aber angesichts der in den beteiligten Instituten versammelten geballten Ingenieurskunst bin ich zuversichtlich, dass sich in nicht allzu ferner Zukunft „smarte“ Rotorblätter im Wind drehen und umwelt- und klimafreundlich Strom erzeugen. Und wer weiß, vielleicht sind sie dann ja auch aus Metall oder Holz hergestellt oder aus Kunststoffen, die komplett wiederverwertet werden können


Autor Dr. Stefan Dietrich

Dr. Stefan Dietrich

Als Windwärts Pressesprecher bin ich dafür zuständig, dass die Medien und Menschen vor Ort immer gut über unsere Projekte informiert sind. Das heißt, ich informiere die Lokalpresse über Genehmigungen, Baufortschritte, Inbetriebnahmen u.ä. und empfange Besichtigungsgruppen in unseren Wind- und Solarparks. Darüber hinaus habe ich die aktuellen Entwicklungen der Branche im Blick (den Dr. habe ich schließlich in Politikwissenschaft gemacht).

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