Lange Rotorblätter fordern Entwickler heraus

Rotorblätter für Windenergieanlagen reizen die Grenzen des technisch Machbaren immer weiter aus. Nanopartikel könnten ein Mittel sein, um Laminate und Oberflächen für höhere Belastungen zu ertüchtigen.

Die Kosten für Strom aus Windenergie sinken kontinuierlich. Das liegt nicht zuletzt daran, dass Hersteller von Windenergieanlagen die Möglichkeiten von Design und Material immer weiter ausreizen. Die Rotordurchmesser aktuell in Deutschland neu installierter Anlagen liegen im Mittel bei 120 m. Der Windenergieanlagenhersteller Siemens Gamesa hat im Dezember 2021 erstmals Rotorblätter einer Länge von 108 m ausgeliefert, die der fertigen Windenergieanlage einen Rotordurchmesser von 222 m bescheren, während sich das Fraunhofer IWES bereits auf die Prüfung von Rotorblättern mit 115 m Länge vorbereitet. Zum Vergleich: Im Jahr 2015 lag der maximale Rotordurchmesser einer in Deutschland installierten Anlage noch bei 130 m, was einer Blattlänge von weniger als 65 m entspricht.

Mit immer längeren Rotorblättern und größeren Turmhöhen soll die Energieerzeugung insbesondere an windschwachen Standorten wirtschaftlicher werden. Allerdings führt diese Entwicklung auch zu immer höheren Material- und Installationskosten, die sich nur rechtfertigen lassen, wenn dadurch auch die Volllaststunden deutlich steigen.

Ermüdungslasten steigen mit Blattlänge

Der Kostendruck fordert letztlich auch die Ingenieurinnen und Ingenieure in der Rotorblattauslegung heraus, wie Alexander Krimmer im Beitrag Ermüdungsbewertung von Faser-Kunststoff-Verbunden am Beispiel von Rotorblättern in der Zeitschrift lightweight.design 4/17 schreibt. Die Materialausnutzung werde immer weiter an die physikalischen Grenzen geführt, da die Masse des Rotorblatts im Verhältnis zur Länge exponentiell wachse. Problematisch seien dabei insbesondere die Ermüdungslasten, die bei längeren Rotorblättern im Vergleich zu den quasi-statischen Lasten überproportional anstiegen.

Den Herausforderungen für Auslegung und Material zum Trotz, sollen die langen Blätter, wie auch ihre kürzeren Pendants, hohen Lastzyklen und unterschiedlichsten Witterungsbedingungen zuverlässig standhalten. Welche neuen Material- und Auslegungslösungen dabei neben dem verbesserten Monitoring der Blätter helfen können, hat Hande Yavuz im Kapitel Hybrid Composites for Very Large Lightweight Wind Turbine Blades: Structural and Materials Aspects des Buchs Advanced Composites in Aerospace Engineering Applications zusammengefasst.

Nanopartikel gegen Spannungsspitzen

Ein wesentliches Element leichter Rotorblätter ist es, durch Anpassung der Lagenanzahl im Verbundwerkstoff den Materialeinsatz im Rotorblatt gezielt auf lokale Lasten anzupassen. Zugleich bereiten die Randbereiche dieses mehrlagigen Aufbaus (englisch Ply Drop-off) aber Probleme, da hier Spannungsspitzen entstehen, die schon bei vergleichsweise geringen Lasten zu Delaminationen führen können. Eine Möglichkeit, diese Bereich zu entschärfen, ist der Einsatz von Nanopartikeln. 

Der Matrix beigemengte Carbon Nanotubes (CNT) oder Graphenoxid sorgen dafür, dass Spannungsspitzen zwischen Fasern und Matrix als auch in der Matrix selbst unter dynamischer Last abgebaut werden, während sich zugleich das Dämpfungsverhalten verbessert. Auch die Matrix selbst wird widerstandsfähiger gegen Rissbildung und Delamination. Besonders positiv wirken sich die Nanopartikel auf die Ermüdungslebensdauer bei hochzyklischen Belastungen bei geringen Spannungen aus, wie sie Rotorblätter im Betrieb hauptsächlich erfahren.

Erosionsschutz und Selbstheilung

Auch für den Einsatz an Rotorblattkanten werden Nanopartikel zumindest in Betracht gezogen. Sie könnten helfen, Erosionsschäden wie sie etwa durch Regen- oder Sandeinschlag verursacht werden, zu mindern, wenngleich hierbei noch nicht alle technischen Fragen gelöst sind.

Die Lebensdauer von Rotorblättern ließe sich zudem durch den Einsatz selbstheilender Materialen steigern, beispielsweise in Form von Mikrokapseln, die sich bei Rissbildung im Laminat öffnen und den Riss auffüllen, oder wiederum durch Nanopartikel. Nanopartikel könnten dabei zusammen mit einer mikrometerdünnen Schicht schmelzbaren Materials ins Laminat eingelassen werden, das dann zu Reparaturzwecken aktiviert wird.