Rotorfertigung Composites sorgen für mehr Strom mit weniger Windkraftanlagen

Energiewende und -bedarf verlangen nach immer leistungsfähigeren Windkraftanlagen, deren Kernstück der Rotor ist. Effizientere Anlagen brauchen aber auch größere Rotoren, die ihre Eigenlast und die Kräfte von Wind und Wetter aushalten müssen. Eine Kluft, die zu überbrücken, im Moment nur leichte Faserverbundwerkstoffe in der Lage sind.

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In Deutschland hat die Windkraft eine lange Tradition. Noch um 1900 standen allein in Nordwestdeutschland rund 30.000 Windmühlen. Im Jahr 2012 betrieben die Deutschen 23.030 Windkraftanlagen mit 31.308 MW Leistung und deckten so 7,3 % der deutschen Stromversorgung. Dabei gibt es positive Zeichen für die Akzeptanz der Windenergie bei der deutschen Bevölkerung. Laut einer Meinungsumfrage von TNS Infratest aus dem Sommer 2012 befürworten 73 % aller Deutschen Windenergieanlagen – auch und gerade in ihrer unmittelbaren Nachbarschaft.

36 % des Strombedarfs könnte mit Windkraft gedeckt werden

Im Zuge der Energiewende entstanden Modellrechnungen wie etwa diese: Würden bundesweit 2 % der Landesfläche für die Windenergienutzung ausgewiesen, so ließen sich darauf Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 198.000 MW errichten. Der potenzielle Energieeintrag läge dann bei 390 Mrd. Kilowattstunden. Zum Vergleich: Im Jahr 2012 lag der Bruttostromverbrauch in Deutschland bei knapp 600 Mrd. Kilowattstunden.

Eine andere Rechnung zeigt, dass die Windenergie den deutschen Stromverbrauch schon zu 36 % decken kann. Hierzu müssten 20.000 Anlagen im Durchschnitt 4 MW leisten. Diese skizzierten Rahmenbedingungen des deutschen Marktes unterstreichen die Forderungen nach noch leistungsfähigeren und gleichzeitig günstigeren Windkraftanlagen. Das Kernstück der Windkraftanlage ist zweifellos der Rotor, mit dem die kinetische Energie des Windes in Rotationsenergie umgewandelt wird. Das treibt den Generator zur Umwandlung in elektrische Energie an.

Kosten für Rotoren steigen schneller als der Ertrag

Ein Trend geht daher zur Leistungssteigerung. Waren 1980 noch Windenergieanlagen mit einer Leistung von 30 KW der Standard, so liegt die durchschnittlich installierte Leistung heute bei 2,5 MW. Zur Verfügung stehen auch schon 7,5-MW-Anlagen. Ein wichtiger Aspekt ist dabei nach Aussagen des Windenergiereportes des Fraunhofer Institutes IWES für Deutschland von 2012 das Square-Cube-Law.

Danach steigt die Leistung einer Anlage mit dem Quadrat der Rotorblattlänge. Das Rotorblatt wächst dabei in drei Dimensionen, nämlich in der Länge, der Breite und der Höhe. Masse und Kosten steigen im Zuge dessen mit der dritten Potenz der Blattlänge. Doch obwohl die Hersteller versuchen, diesem Effekt entgegen zu wirken und die Fertigungsqualität zu verbessern, stiegen bei großen Blattlängen die Kosten schneller als der Ertrag.

Diese Einschätzung über die Entwicklungen bei der Windenergie teilt auch Dr. Martin Brudermüller vom BASF-Vorstand, indem er in der Pressekonferenz des Unternehmens zur anstehenden K-Messe in Düsseldorf äußerte, dass ein solcher Wachstumsmarkt wie die Windenergie zudem als klimafreundliche Energiequelle weltweit auf dem Vormarsch sei. Der Markt soll bis 2020 um 7 % jährlich wachsen und wird zunehmend internationaler, wobei sich ein Schwerpunkt außerhalb Europas bildet. Weiter erklärte Brudermüller, dass größere Turbinen, der Zugang zu neuen Windregionen und reduzierte Kosten bei der Stromerzeugung nur einige der Herausforderungen darstellen, denen sich die Kunden am Markt stellen müssen.

Doppelt so große Rotorblätter erfassen viermal mehr Wind

Immer größere Rotorblätter erhöhten dabei die Stromleistung moderner Windturbinen. Ein zweimal so großes Rotorblatt deckt anhand der Rechnung eine viermal größere Fläche ab und kann somit viermal mehr Wind erfassen und in Strom umwandeln. Mit immer größeren und leistungsstärkeren Anlagen steigen jedoch auch die Anforderungen an die Materialien, aus denen sie hergestellt sind.

Außerdem sollen sie eine immer höhere Lebensdauer aufweisen und das unter schwierigsten Bedingungen wie etwa im Offshore-Bereich. Entsprechend werden die Anforderungen an Technik und Material bei der Herstellung immer höher, so der BASF-Vorstand. Das Ludwigshafener Unternehmen will im Jahr 2020 mit der Windkraft ein Umsatzpotenzial von rund 300 Mio. Euro erreichen.

Bei der Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in Elektrizität kommt dem Rotorblatt wie gesagt eine Schnittstellenfunktion zu. Es wandelt die Bewegungsenergie des Windes in Rotationsenergie. Dabei sind die Rotorblätter erheblichen Belastungen ausgesetzt: Zur vollen Ausschöpfung der bislang möglichen Leistung sind die Türme im Offshore-Bereich bis zu 200 m hoch. Die installierten Rotorblätter sind dann 75 m lang. An den Blattspitzen werden Geschwindigkeiten bis zu 300 km/h gemessen. Zusätzlich zehren Witterungseinflüsse wie Schnee, Regen und UV-Strahlung an der Flügelsubstanz. Das Ziel ist dabei ein möglichst zwanzig Jahre dauernder, störungsfreier Betrieb.

Faserverbundwerkstoffe sind die richtige Wahl

Florian Sayer leitet die Abteilung Rotorblatt am Fraunhofer Institut IWES in Bremerhaven. Zu den verwendeten Materialien für diese Komponenten befragt, betont der Ingenieur, dass fast ausschließlich Faserverbundwerkstoffe eingesetzt werden. Üblich ist die Verwendung von Epoxidharzsystemen als Matrix, die mit Glas- oder Carbonfasern verstärkt sind.

Dabei ist die Windkraftindustrie aktuell der größte Abnehmer für Harzsysteme und Verstärkungsfasern im Bereich Faserverbundwerkstoffe. Die Epoxidharze liefert hierzu bislang meist die Dow Chemical Company, Momentive Special Chemicals oder die BASF, wie Sayer beschreibt.

Zur Formgebung der Rotorblätter hat sich gemäß seiner Aussage heute das Vakuuminfusionsverfahren etabliert. Bei diesem Prozess werden die Materialien trocken in eine Halbschalenform gelegt, mit Vakuum beaufschlagt und anschließend die Matrixharzsystem infundiert. Nach der Infusion folgt die Aushärtung der flüssigen Matrix. Unterschiedliche Faserarten und -gewebe werden dabei in vorher bestimmter Orientierung (maximale Verstärkung in Hauptbelastungsrichtung) abgelegt. Das ganze Teil benötigt noch Kernwerkstoffe und dazu werden neben Balsaholz auch Polymerschäume aus Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyvinylchlorid (PVC) eingesetzt.

Windkraftanlagen amortisieren sich schneller

Aktuelle Entwicklungstrends sind Materialien mit einer geringeren Dichte, höheren Festigkeit oder geringeren Werkstoffkosten, sodass beispielsweise größere Rotordurchmesser bei vertretbaren Mehrkosten gebaut werden können. Durch die größeren Rotoren kann außerdem die Nennleistung der Anlagen bei geringeren Windgeschwindigkeiten erreicht werden. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die schnelle ökologische Amortisierung der Anlage.

Um das zu erreichen werden die leicht und schnell zu verarbeitenden Materialien und Verfahren stets weiterentwickelt. Der Erfolg wird dann durch den ökologischen Footprint sichtbar gemacht: Die Energie und Ressourcen, welche in den Prozess eingeflossen sind, müssen schnell zurückgewonnen werden. Dieses ist nach einem halben bis zu einem Jahr der Fall. Hierzu merkt Sayer an, dass dies bei Windkraftanlagen schneller als bei vielen anderen erneuerbaren Energiequellen erreicht wird.

Seit ungefähr fünf Jahren beschäftigt sich das Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen auch mit dem Thema. Christoph Greb widmet sich der Produktionstechnik, einem Bereich, der bei der Rotorblattfertigung ständig weiter entwickelt und optimiert wird. Im Fokus der Forschung stehen möglichst fasergerechte und wirtschaftlichere Systeme, wie der Ingenieur erklärt. Bislang erfolgt die Fertigung noch mit relativ hohem manuellen Aufwand. Das heißt, eine Vielzahl Glasfaserlagen werde durch Werker per Hand konfektioniert.

Dafür werden die Textilien zunächst zugeschnitten und als sogenannte Kits zu den großen Formwerkzeugen transportiert. Anschließend werden sie von mehreren Personen manuell positioniert und in der Form fixiert. Dieses Vorgehen ist an vielen Stellen wenig präzise beziehungsweise nicht wirklich reproduzierbar. Die Forderungen an den Herstellungsprozess für Rotorblätter sind deshalb nicht nur in dieser Hinsicht gestiegen. Zum Beispiel kommt es so auch immer wieder zu Verschmutzungen, weil sich die Werker teilweise auf den Textillagen bewegen müssen.

Am ITA wurde deshalb in einem Forschungsprojekt ein Konzept entwickelt, das den Herstellungsprozess mithilfe eines Roboters optimiert. Dabei kommt der Faserorientierung eine entscheidende Bedeutung zu: Grundsätzlich ist es so, dass die Last entlang der Faser am besten aufgenommen werden kann, so Greb. Aus diesem Grund werde die Struktur der Textilien gemäß der Belastungen am Rotorblatt angepasst.

Glasfaser kommen an ihre Belastungsgrenze

Bislang werden hauptsächlich Glasfasern verwendet. Für sehr lange Rotorblätter kommen die teureren Carbonfasern insbesondere in mechanisch stark belasteten Bereichen der Rotorblätter zum Einsatz, wenn die Glasfasern an ihre Belastungsgrenze stoßen. Als Testverfahren werden beispielsweise Versuche mit Unwuchtmotoren durchgeführt. Damit können Schwingungen oder Dehnungen zum Beispiel in der Mitte des Rotorblattes gemessen werden. Untersucht wurde auch die Reproduzierbarkeit der Ablagegenauigkeit mit dem Roboter im Vergleich mit den händisch hergestellten Rotorblättern. Dabei erwies sich das in Aachen entwickelte Verfahren im Labormaßstab als prozesstauglich. Durch ein präziseres Ablegen der Textilien gegenüber dem händischen Verfahren ist eine sonst übliche Überdimensionierung nicht mehr in dem Maße notwendig. Dieses führt zu ressourcenschonenderem Materialeinsatz, erklärt Greb.

Bereits im Jahr 2000 gelang der Siemens AG aus München mit der Entwicklung des Integral Blade-Verfahrens eine wichtige technische Neuerung. Der Elektrokonzern fertigt die Rotorblätter seitdem aus einem Guss im geschlossenen Verfahren. Die Herstellung ist ähnlich wie das „Kuchenbacken“ in Sandkasten:

Rotorblattherstellung ähnelt dem Backen von Sandkastenkuchen

Das Glasfasermaterial wird in zwei Formhälften appliziert. Diese werden zusammengeklappt, evakuiert, mit Harz gefüllt, erhitzt und binnen 24 h zu einem Rotorblatt zusammengebacken. Im Einzelnen legt man die Glasfasermatten in die untere Form. Zwischen die Faserlagen wird etwa Balsaholz als Innenlage gepackt.

Ein Steg, der das Rotorblatt verstärken soll, wird mit den Matten ummantelt und auch in die untere Form gelegt. Danach werden Einlagen in die Form zu beiden Seiten des Stegs gehoben und ausgehend von der unteren Form die Fasern auf die Einlagen und den Steg gelegt. Darauf wird wieder Balsaholz gelegt. Der Deckel der Form wird auf das gepackte Rotorblatt gelegt und die Form wird verschlossen. Das Rotorblatt ist nun bereit für den Guss.

Dazu wird ein Vakuum angelegt und das Matrixharz wird in das evakuierte, vorbereitete Rotorblatt eingefüllt. Wenn die Konstruktion vollständig durchtränkt ist, kann das Rotorblatt in der Form aushärten und kann anschließend entformt werden, um abzukühlen. Nachdem das Blatt abgekühlt ist, werden die inneren Kerne entfernt.

Es folgt eine Qualitätsprüfung nach der das Rotorblatt lackiert werden kann. Weil in der Regel das sogenannte Integral-Blade-Verfahren zum Einsatz kommt, sind keine Klebeverbindungen notwendig. Dadurch zeichnen sich die Rotoren durch eine besonders hohe Robustheit aus und tragen so zur Kosteneffizienz einer Windturbine maßgeblich bei.

Windelastische Rotoren passen sich den Verhältnissen an

Parallel dazu wird derzeit der Herstellungsprozess verbessert, denn Bislang werden zahlreiche Lagen aus Glasfasergewebe noch in Handarbeit ausgelegt, geformt, verklebt und in riesigen Schalen gebacken. In Zukunft sollen diese Prozesse immer stärker automatisiert werden, um stabile Qualität zu erreichen und die Herstellkosten zu senken. Im Rahmen der Produktentwicklung unterziehen Siemens die Rotorblätter diversen Material- und Belastungstests, bei denen ein Mehrfaches der später zu erwartenden Last auf die Bauteile einwirkt. Die Belastbarkeit wird außerdem in Dauertests erprobt, um über den Einsatzzeitraum von 20 Jahren hinaus die Funktionsfähigkeit sicherzustellen.

In der Entwicklung spielen natürlich auch Simulationen eine Rolle. Doch die aerodynamische Optimierung erfolgt zusätzlich anhand von praxisnahen Windkanaltests. Die neueste Entwicklung daraus sind windelastische Rotorblätter. Diese werden bei Siemens auch als

Aeroelastic Blades bezeichnet, die bei sehr unterschiedlichen Windbedingungen den jeweils optimalen Wirkungsgrad erzielen. Im Zusammenhang mit dem Einfluss auf die Energieproduktion äußerte Bernd Eilitz von der Siemens AG am Standort Hamburg, dass die Rotorblätter hier eine ganz zentrale Funktion haben.

Eine Herausforderung ist laut Eilitz, einerseits dem Wind eine möglichst große Fläche zu bieten. Dies sind bei 75-Meter-Rotorblättern 18.600 m² und andererseits die Rotorblätter so zu gestaltet, dass sie bei unterschiedlichen Windstärken, also auch Böen und Stürmen, einen einwandfreien Betrieb der Anlage ermöglichen. Das gelingt im Zusammenspiel von perfekt gestalteten Rotorblättern und unterschiedlichen Steuerungssystemen, die den Anstellwinkel der Rotorblätter sowie den Generator kontinuierlich an die jeweils herrschenden Windbedingungen anpassen.

Polyurethane als alternative Harzmatrix

Bei Bayer Material Science setzt man auf Polyurethane (PUR) als Werkstoff für die Rotorblätter. Damit will der Chemiekonzern aus Leverkusen einen besonderen Schwerpunkt in Sachen Windkraft setzen. Das Unternehmen gründete aus diesem Grund bereits im dänischen Otterrup ein Windkraftkompetenzzentrum. Dieses entwickelt neue Verfahren mit alternativen Möglichkeiten zu den bislang meist verwendeten Epoxidharzen und Polyesterwerkstoffen.

Hier soll auch die Verfahrenstechnik zur Produktion von Rotorblättern für die Verarbeiter entwickelt werden. Das Vakuuminfusionsverfahren dient hier auch zur Verarbeitung der alternativen PUR-Werkstoffe. Als Kernmaterial wird ebenfalls Balsaholz verwendet oder den in der Windindustrie gängigen Alternativen Kernwerkstoffen. In das Werkzeug werden die knitterfreien Endlosglasfaser-Gelege, die zuvor mit einem Trennmittel versehen wurden, abgelegt. Außerdem werden entsprechend der Größe und Geometrie des Rotorblattes Infusionskanäle im Werkzeug verteilt.

Der gesamte Aufbau wird dann mit einer Folie hermetisch abgedichtet und Vakuum angelegt, um die Luft zu entfernen. Danach erfogt der Infusionsvorgang bei dem eine Dosiermaschine das flüssige Infusionsharz-Reaktionsgemisch durch den Compositeaufbau drückt. Der Vorteil dieses Vorgehens ist, dass die verstärkenden Glasfasergelege gleichmäßig und blasenfrei durchtränkt werden. Anschließend wird das Werkzeug beheizt wodurch die chemische Reaktion des Infusionsharzes ausgelöst wird, das Harz sich verfestigt und schließlich aushärtet. Zum Schluß werden die Formhälften geöffnet und die Barrierefolie abgezogen.

Ausgehärtet in höchstens drei Stunden

Polyurethane sind für das Infusionsverfahren relativ „junge“ Werkstoffe. Gegenüber den bislang üblichen Epoxidharzsystemem besitzen sie eine höhere Fließfähigkeit, was die Infusion beziehungsweise das Durchtränken der Glasfasergelege vereinfacht und verkürzt. So sind in Abhängigkeit von der Harztemperatur sonst Füllzeiten von 3 h – oft auch weniger – realistisch. Üblicherweise dauert das sonst 16 bis 24 h.

Anders als beim Aushärtevorgang von Polyestersystemen setzt die chemische Reaktion zum Aushärten der Polyurethane kaum Wärme frei. Die Produktivität steigt dadurch deutlich, da rund ein Viertel der Gesamtkosten einer Windkraftanlage auf die Herstellung der Rotorblätter entfällt. Das neue PUR-Harz zeigt außerdem ein gutes „Klebeverhalten“ zu Glasfaseroberflächen was zu den besonders guten mechanischen und dynamischen Eigenschaften des PUR-Verbundes beiträgt.

Generell zeichnet sich das ausgehärtete PUR-Infusionsharz durch hohe Werte unter anderem bei der Zug-, Druck- und Biegefestigkeit und beim Druck- und Zug-E-Modul in Faserrichtung und quer dazu aus. Wegen der guten mechanischen Eigenschaften eignen sich die Rotorblätter nach Aussagen von Bayer Material Science eben auch zur Herstellung der benötigten, sehr langen Rotorblätter. In Zusammenarbeit mit Bayer Material Science hat die in Bocholt ansässige Hübers Verfahrenstechnik Maschinenbau GmbH eine Fertigungstechnik entwickelt und maßgeschneidert, die eine kontrollierte und somit konstante Füllung der Werkzeuge erlaubt.

Das neue PUR-Infusionsharz bewährt sich bereits in der kommerziellen Stromerzeugung. So hat die chinesische Huaye Group in Dezhou in der Provinz Shandong Aufträge über zehn ihrer 100-kW-Windkraftanlagen mit neun Meter langen Rotorblättern mit dem PUR-System.

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