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28.01.2013 | Erneuerbare Energien | Im Fokus | Onlineartikel

Schlüsselkomponente Rotorblätter: länger, effizienter, robuster

Autor:
Sabine Voith

In den Erneuerbaren Energien geht es meist darum, den Ertrag einer Anlage zu steigern und gleichzeitig Investitions- und Betriebskosten zu senken. Das betrifft auch die Windenergie. Als Ertragsbringer und damit Schlüsselkomponente gilt hier das Rotorblatt. Aktuell in der Diskussion sind die Länge, die verwendeten Materialen und das Design der Blätter.

Ein deutscher Hersteller für Windkraftanlagen testet in einer Offshore-Windanlage aktuell 63 Meter lange Rotorblätter. Diese sind nach einem speziellen Verfahren in einem Guss und ohne Klebestellen gefertigt. Die längsten Rotorblätter der Welt kann jedoch eine 6-Megawatt-Offshore-Windenergieanlage eines deutschen Herstellers im dänischen Østerild aufweisen, die im Testbetrieb läuft. Jedes Blatt hat eine Länge von 75 Metern. Die Anlage kann an Offshore-Standorten 25 Millionen Kilowattstunden Strom pro Jahr produzieren.

Die Forschung

Während die Industrie die neue Windenergieanlage bereits verkauft und diese unter anderem im britischen Offshore-Windkraftwerk Gunfleet Sands aufstellt, testet das IWES, Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik, bereits ein neues „längstes“ Windenergie-Rotorblatt mit 83,5 Metern. Es ist ebenfalls in Dänemark gefertigt und wird im Prüfstand beim IWES in Bremerhaven getestet. Die dortige Prüfeinrichtung ist weltweit die einzige, die Blätter dieser Länge testen kann. Auf dem Prüfstand steht das Design des Prototypen. Es muss Extrem- und Dauerbelastungen eines 25-jährigen Anlagenlebens standhalten können.

"Eine Windenergieanlage mit diesen Rotorblättern erreicht einen Rotordurchmesser von 171 Metern und kann somit mehr Volllaststunden erzeugen. Rotorblätter sind im Betrieb millionenfachen Lastwechseln durch Änderungen der Windgeschwindigkeit und -richtung ausgesetzt, so dass höchste Anforderungen an das Material gestellt werden", so das Institut in einer Pressemitteilung.

Das Design

Hohe Drehzahlen werden gefordert. Schnell laufende Rotoren mit möglichst wenig Flügeln, die aerodynamisch optimiert werden, sind die Lösung für mehr Effizienz. Entscheidend sind Form und Stellung der Rotorblätter. Bei der Form sind die verwendeten Profile und die Flügelberechnung entscheidend. Bei der Stellung der Rotorblätter wird unterschieden zwischen Pitch-Regelung, Stall- und Aktiv-Stall-Regelung. Die Aktiv-Stallregelung regelt die Leistungsabgabe genauer. In großen Offshore-Anlagen mit über 150 Metern Durchmesser und über zehn MW wird meist diese Regelung oder eine optische Radaranlage eingesetzt.

An den Blattwurzeln tritt die größte Belastung auf und stellt damit eine Anforderung an die Festigkeit. In der Blattspitze ist eine hohe Gleitzahl erforderlich. Hier ist zum einen die Architektur des Rotorblatts entscheidend, aber auch das Herstellungsverfahren und die verwendeten Materialien.

Das Material

Zu den verwendeten Materialen zählen Holz, PVC-Hartschaum, Aluminium- und Stahllegierung sowie kohlenstofffaser- und glasfaserverstärkter Kunststoff. Während die ersten vier genannten Materialien nur bei kleinen Anlagen zum Einsatz kommen, werden Blätter mit kohlenstofffaser- und glasfaserverstärktem Kunststoff auch in großen Windkraftanlagen genutzt. Die Windkraftindustrie ist der größte Abnehmer für Harzsysteme und Faserverstärkungen im Bereich Faserverbund.

Die Glasfaser macht die Blätter leichter und resistenter, auch bei Blitzschlag, wenn sie in einem Gewebe miteinander verbunden sind. Verklebt werden sie mit Epoxydharz. Im Verbund wird sie außerdem zur Wärmedämmung genutzt.

Noch leichter und damit für den Bau von langen Rotorblättern geeignet sind Carbonfasern. Sie zeichnen sich aus durch eine hohe Zugfestigkeit, eine gute elektrische Leitfähigkeit und geringe Dichte. Sie eignen sich zum Verstärken, lassen sich gut verarbeiten und sind mit vielen Harzen kompatibel. Künftig sollen sie die Glasfasern ersetzen.

Lange Rotorblätter

Das IWES sieht einen Trend zu wachsenden Rotordurchmessern. Lange Rotorblätter bieten dem Wind eine große Fläche. Sie können damit dem Wind mehr Energie entnehmen. Die Länge der Rotorblätter kann jedoch nicht unbegrenzt zunehmen, da an den Rotorenden enorme Zentrifugalkräfte wirken. „So kommen die Flügelspitzen von 50 Meter-Rotoren bei einer Drehzahl von 0,3 pro Sekunde auf eine Geschwindigkeit von 340 Kilometern pro Stunde. Dadurch treten Fliehkräfte auf, die dem 18-Fachen der Erdbeschleunigung entsprechen. Dies erfordert hohe Ansprüche an die Zerreißfestigkeit der verwendeten Materialien und äußerst präzise Berechnungen der Konstruktion“, so Hermann-Friedrich Wagner in einem Beitrag zum Thema "Technische Grundlagen für Windkraftanlagen".

Fazit

Die Fertigung der Teile für Rotorblätter läuft heute meist flexibel und vollautomatisiert. Das Ziel ist es, die Zykluszeiten für die Fertigung der Blätter weiter zu reduzieren, aus finanzieller Sicht und um den nach wie vor großen Bedarf zu decken.

In die Serienfertigung könnte bald die Anlage mit den längsten Rotorblättern gehen, sollten die Prüfergebnisse des IWES in Bremerhaven den Anforderungen entsprechen. Die Rotorblätter würden sich dann noch in diesem Jahr in Korea im Prototypen der neuartigen 7-MW Offshore-Anlage drehen.

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