Dank fortschrittlicher Werkstoffe und Herstellungsverfahren können Rotorblätter effizient und kostengünstig mit der Installation höherer Türme und größerer Windturbinen Schritt halten. (Foto: Composites One)

Die Windindustrie hat in den letzten Jahren Installationsrekorde aufgestellt. Dieser Trend könnte sich fortsetzen, denn nach Angaben des Global Wind Energy Council wird sich die weltweite Windkraftkapazität in den nächsten fünf Jahren verdoppeln. Dieser Wachstumstrend ist zum Teil dem sich entwickelnden Offshore-Windmarkt und größeren Windturbinen mit längeren Rotorblättern zu verdanken.

„Die Windindustrie hat die Länge der Rotorblätter in den letzten 10 Jahren um etwa 1,5 Meter pro Jahr erhöht“, so Mark Kirk, CCT, Wind Energy Sales Manager bei Composites One. „Dieser Längenzuwachs hat es der Industrie ermöglicht, die Produktion durch den Einsatz größerer Turbinen zu steigern und damit die Energiekosten zu senken.“

Jedoch, je länger die Blätter sind, desto mehr werden Zuverlässigkeit und Stabilität in Frage gestellt. Kirk macht Materialien und Fertigung dafür verantwortlich, dass die Turbinenschaufeln mit den immer größer werdenden Türmen mithalten können. „Dank der Verbundwerkstoffe können sich die Blätter schneller drehen und Winde mit geringerer Geschwindigkeit einfangen. Verbundwerkstoffe bieten den Windkraftanlagenherstellern Festigkeit und Flexibilität bei der Verarbeitung mit dem zusätzlichen Vorteil eines leichten Materials“, sagt er.

Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen physikalischen oder chemischen Eigenschaften, die sich bei der Kombination nicht vollständig vermischen, sondern zusammen stärker und haltbarer werden. Zu den Materialien für den Markt der Windturbinenblätter gehören Harze aus glasfaserverstärktem Polyester, glasfaserverstärktem Epoxidharz und kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz.

„Die Kombination von Glasfasern mit einer Harzmatrix führt zu Verbundwerkstoffen, die stark, leicht, korrosionsbeständig und formstabil sind. Sie bieten auch eine gute Designflexibilität und eine hohe Durchschlagsfestigkeit und erfordern in der Regel niedrigere Herstellungskosten“, sagt Kirk, der darauf hinweist, dass hochfeste Verbundwerkstoffe wie Kohlefasern und Epoxidharze jetzt auch für Hochleistungsschaufeln verwendet werden.

„Die heutigen Turbinenschaufeln und -komponenten müssen strenge mechanische Eigenschaften erfüllen, wie hohe Steifigkeit, Torsions- und Ermüdungsfestigkeit. Zusätzlich zu diesen mechanischen Eigenschaften muss das fertige Produkt eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Temperaturtoleranz aufweisen. Verbundwerkstoffe können in vielen Fällen eine höhere Steifigkeit und ein geringeres Gewicht der fertigen Teile bieten“, fügt er hinzu.

Aber das ist noch nicht alles. Aufgrund ihrer Flexibilität erleichtern Verbundwerkstoffe den Windkrafttechnikern die Reparatur und sorgen für eine längere Lebensdauer der Rotorblätter. Die Materialien können auch für andere Turbinenkomponenten verwendet werden. „Der Übergang zu Gondelabdeckungen aus Verbundwerkstoffen, Spinnern aus Verbundwerkstoffen und in einigen Fällen zu fortschrittlicherer Formgebung dieser Verbundwerkstoffkomponenten hat auch zu einer Verringerung des Gesamtgewichts der Anlagen im Vergleich zu herkömmlichem Stahl und Aluminium geführt, so dass die Turbinenkosten sinken.“

Materialien machen mehr als 90 % der Herstellungskosten eines Rotorblatts aus, so dass eine Kostenreduzierung der Schlüssel zu einer erfolgreichen Vergrößerung der Turbinen ist. „Die Herausforderung für die heutige Windindustrie ist klar“, sagt Alexis Crama, LM Wind Power’s Vice President of Offshore Development. „Die Branche muss die jährliche Energieproduktion steigern und die Kosten durch Innovationen bei der Materialverwendung und den Fertigungstechnologien senken, und das alles unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit und der effizienten Wartung der Turbinen während des Betriebs.“

Er sagt, dass mit immer längeren Turbinenblättern und der Entwicklung weiterer Offshore-Projekte die Nachfrage nach höherer Zuverlässigkeit und niedrigeren Kosten seitens der Windparkentwickler nur noch steigen wird. „Der Bau größerer Rotorblätter stellt neue Herausforderungen an die Konstruktion, die in vielerlei Hinsicht ein Überdenken der Materialien, der Struktur und anderer Merkmale erfordert. Neben dem Bau des bisher längsten Rotorblatts der Welt (88,4 Meter – das Blatt wird derzeit in Dänemark für die Produktvalidierung getestet) hat LM Wind Power vor kurzem die Erforschung eines modularen Blattformungskonzepts vorgestellt, um die Flexibilität bei der Herstellung größerer und längerer Blätter zu erhöhen. Das neue Verfahren vergrößert den Rotordurchmesser durch das Anbringen variabler Spitzenlängen, ohne dass zusätzliche Kosten für den Bau einer neuen Blattform anfallen.

Dieses Verfahren ermöglicht die getrennte Herstellung von Blatt und Spitze, gefolgt von einer traditionellen Verbindungstechnik, die ein Blatt dauerhaft zusammenfügt, erklärt Crama. „Durch eine Kombination aus reduzierten Produktionskosten, größerem Rotor und optimierter Windparkleistung werden diese modularen Produkte die Energiekosten für Offshore-Blattanwendungen voraussichtlich um etwa 6 bis 8 % senken.“

Er fügt hinzu: „Letztendlich werden die Gewinner der Windindustrie von morgen diejenigen sein, die sich anpassen, innovieren und zu den niedrigsten Kosten expandieren können.“