Windkraftanlagen 28.03.2019, 07:02 Uhr

Leichte Rotoren aus Hybriden

Rotorblätter von Windenergieanlagen müssen Wind und Wetter trotzen. Im Rahmen des Windenergie-Verbundprojektes „Hannah“ testen Forscher innovative Werkstoffe. Damit Rotoren künftig noch länger halten.

Servicearbeiten auf der Gondel einer Windenergieanlage.

Servicemonteure, die an Windenergieanlagen arbeiten, müssen auch in größten Höhen einen kühlen Kopf bewahren, gut arbeiten und sich absichern.

Foto: REpower Systems AG

Aktuell bestehen Rotorblätter meist aus glasfaserverstärkten Kunststoffen. Sie sind verhältnismäßig leicht und halten die enormen Kräfte aus, die auf sie wirken. Schließlich sollen die Anlagen ja den Wind optimal ausnutzen, um daraus Strom zu produzieren. Solche Materialien stoßen allerdings irgendwann an ihre Leistungsgrenzen. Das betrifft vor allem eine längere Lebensdauer. Darüber hinaus verbessert man mit diesem Kunststoff leider nicht die Leichtbaueigenschaften und schafft keine Reduzierung des Gewichts. Im Rahmen des Verbundprojekts „Lenah“ (Lebensdauererhöhung und Leichtbauoptimierung durch nanomodifizierte und hybride Werkstoffsysteme im Rotorblatt) haben Forscher daher neue Werkstoffe entwickelt. Im Folgeprojekt „Hannah“ (Herausforderungen der industriellen Anwendung von nanomodifizierten und hybriden Werkstoffsystemen im Rotorblattbau) wollen sie nun die Anwendung testen. Dafür nehmen sie nanomodifizierte Stoffe und hybride Laminate genauer unter die Lupe. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert das im März 2019 gestartete Projekt mit 3,3 Millionen Euro.

Hochleistungsmaterialien für Windkraftanlagen

Windenergieanlagen sind in der Regel 50 bis 150 Meter hohe Turmbauten. Oben befindet sich die Gondel mit den maschinellen Einrichtungen und dem Rotor. An ihm hängen immer drei Rotorblätter. Sie sind über die Rotornabe mit dem Rest der Anlage verbunden. Die Nabe überträgt dabei auch die Leistung, die von dem Rotor eingefangen wird. Für die Blätter gibt es eigene Motoren, häufig werden sogenannte Pitch-Motoren eingesetzt. Sie sorgen dafür, dass die Lage jedes einzelnen Rotorblatts zum Wind gesteuert werden kann. Gleichzeitig lässt sich damit auch aktiv die Aerodynamik kontrollieren.

Rotorblätter werden in Längen zwischen 35 und 60 Metern hergestellt. Im Einsatz entwickeln sie sehr hohe Kräfte, die mit mechanischen Bremsen nicht mehr kontrollierbar sind. Deshalb nutzen einige Hersteller solcher Windenergieanlagen die Rotorblätter nicht nur zur Energiegewinnung, sondern bremsen mit ihnen auch gezielt die gesamte Anlage. Entsprechend stabil und doch leicht müssen die verwendeten Materialien sein.

Mit Nanoteilen gezielt Materialeigenschaften verändern

Im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens stehen hybride Werkstoffe und nanomodifizierte Materialsysteme. Hybride Werkstoffe werden aus verschiedenen Einzelkomponenten produziert. Dazu zählen unter anderem Glas- und Kohlefasern sowie Metallfolien. Deshalb bezeichnet man sie auch als Verbundwerkstoffe. Dabei geht es immer um das eine Ziel: die Masse von Tragwerken oder Bauteilen zu verringern und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Gibt man nun nanoskalige Partikel hinzu, die im Größenbereich zwischen 1 und 100 Nanometern liegen, kann man Materialeigenschaften gezielt verändern. Denn die als Nanoteilchen bezeichneten kleinsten Partikel besitzen spezielle chemische und physikalische Eigenschaften, die deutlich von denen von Festkörpern oder größeren Partikel abweichen. Auf diese Art und Weise wollen die Forscher die Festigkeit und das Materialverhalten verbessern und auch ein höheres Lastniveau erreichen. Mit dem Projekt „Hannah“ sollen nun die Herausforderungen bei der Verarbeitung dieser neuartigen Materialien im großen industriellen Maßstab erforscht werden.

Das Institut für Statik und Dynamik der Leibniz Universität Hannover untersucht im Rahmen des Verbundprojekts Wirk- und Schädigungsmechanismen dieser Werkstoffe. Dafür setzen die Forscher computergestützte Modelle ein – unter anderem mit Material und Schädigungsmodellen, die speziell für diese beiden Materialsysteme, die man hier testen möchte, entwickelt wurden. Darüber hinaus betrachten sie auch, wie sich industrielle Fertigungsbedingungen und realistische Umwelteinflüsse auf die Werkstoffe auswirken. Die Forscher haben sich absichtlich für umfangreiche Untersuchungen entschieden, da die Ergebnisse für die Entwicklung und Überprüfung der Simulationsmodelle genutzt werden sollen. Am Ende des Projekts steht eine kritische Bewertung der Materialsysteme und eine Kosten-Nutzen-Analyse.

Projektpartner bringen unterschiedliche Kompetenzen ein

Beteiligt an dem Windenergie-Verbundprojekt HANNAH sind die Leibniz Universität Hannover, das Zentrum für Windenergieforschung der Universität Hannover, Oldenburg und Bremen ForWind, das Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des DLR und das Fraunhofer Institut für Windenergiesysteme. Hinzu kommen noch die Firmen Invent GmbH, Tecocism Technische Simulation GmbH, Sinoi GmbH und Zeisberg Carbon GmbH als Partner aus der Industrie. Die Projektpartner decken mit ihrer jeweiligen Expertise die gesamte notwendige Bandbreite ab, die für dieses Projekt nötig ist. Ausgelegt ist es für drei Jahre. In dieser Zeit soll es die Weichen für eine konkrete mittelfristige Anwendbarkeit der Werkstoffsysteme im industriellen Rotorblattbau stellen.

Hannah ist das Nachfolgeprojekt von Lenah, kurz für Lebensdauererhöhung und Leichtbauoptimierung durch nanomodifizierte und hybride Werkstoffsysteme im Rotorblatt. Lenah beschäftigte sich mit der grundlegenden Entwicklung sowie den Tests neuer Werkstoffe. Dabei wollte man erreichen, die Rotorblätter zu vergrößern und zugleich die Materialausnutzung effizienter zu gestalten.

Der Generator wird mithilfe eines Krans in die Anlagengondel eingebaut.

Mithilfe eines Krans kann der Generator in die Windanlage eingebaut werden.

Foto: BWE/Tim Riediger

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