Door geavanceerde materialen en fabricageprocessen kunnen wieken de installatie van hogere torens en grotere windturbines efficiënt en kosteneffectief bijhouden. (Foto: Composites One)

De windindustrie heeft de afgelopen paar jaar installatie-records gevestigd. Die trend kan doorzetten met de wereldwijde windcapaciteit voorspeld te verdubbelen in de komende vijf jaar, volgens de Global Wind Energy Council. Deze groeitrend is deels te danken aan een zich ontwikkelende offshore windmarkt en grotere windturbines met langere bladen.

“De windindustrie heeft de bladlengte de laatste 10 jaar met ongeveer 6,5 voet per jaar vergroot”, zegt Mark Kirk, CCT, Wind Energy Sales Manager bij Composites One. “Deze toename in lengte heeft toegestaan de industrie om de productie te verhogen door het gebruik van grotere turbines en, daarom, lagere de kosten van energie.”

Hoe langer echter het blad, hoe meer betrouwbaarheid en stabiliteit in vraag komen. Kirk schrijft materialen en fabricage toe om turbinebladen gelijke tred te laten houden met de steeds groter wordende torens. “Dankzij composietmaterialen kunnen bladen sneller draaien en wind vangen met een lagere snelheid. Composieten bieden windfabrikanten kracht en flexibiliteit in de verwerking met het extra voordeel van een lichtgewicht materiaal,” zegt hij.

Composieten zijn gemaakt van twee of meer materialen met verschillende fysische of chemische eigenschappen die, wanneer ze worden gecombineerd, niet volledig in elkaar overgaan, maar samen sterker en duurzamer worden. Materialen voor de windturbinebladenmarkt omvatten harsen van glasvezelversterkt polyester, glasvezelversterkt epoxy, en koolstofvezelversterkt epoxy.

“Het combineren van glasvezels met een harsmatrix resulteert in composieten die sterk, lichtgewicht, corrosiebestendig en dimensioneel stabiel zijn. Ze bieden ook een goede ontwerpflexibiliteit en een hoge diëlektrische sterkte, en vereisen doorgaans lagere fabricagekosten”, zegt Kirk, die erop wijst dat composietmaterialen met een hoge sterkte, zoals koolstofvezel en epoxy’s, nu ook worden gebruikt voor hoogwaardige schoepen.

“De turbinebladen en -componenten van vandaag moeten voldoen aan strenge mechanische eigenschappen, zoals een hoge stijfheid en weerstand tegen torsie en vermoeidheid. Naast deze mechanische eigenschappen moet het eindproduct een uitstekende corrosiebestendigheid en een hoge temperatuurtolerantie bezitten. Composietmaterialen kunnen in veel gevallen een grotere stijfheid bieden, en het gewicht van afgewerkte onderdelen verlagen,” voegt hij eraan toe.

Maar dat is niet alles. Door hun flexibiliteit maken composietmaterialen reparaties eenvoudiger voor windtechnici en zorgen ze voor een langere levensduur van de bladen. De materialen kunnen ook voor andere turbineonderdelen worden gebruikt. “De overstap naar composiet gondelafdekkingen, composiet spinners en in sommige gevallen meer geavanceerde close molding van deze composietcomponenten, heeft ook het totale gewicht van de eenheden verminderd ten opzichte van traditioneel staal en aluminium, zodat de turbinekosten omlaag gaan.”

Materialen maken meer dan 90% van de fabricagekosten van een blad uit, dus als turbines met succes in omvang willen groeien, zijn lagere kosten de sleutel. “De uitdaging voor de windindustrie van vandaag is duidelijk,” zegt Alexis Crama, LM Wind Power’s Vice President van Offshore Development. “De industrie moet de jaarlijkse energieproductie verhogen en de kosten verlagen door innovatie in materiaalgebruik en fabricagetechnologieën, en tegelijkertijd rekening houden met betrouwbaarheid en efficiënt onderhoud van turbines tijdens bedrijf.”

Hij zegt dat naarmate turbinebladen langer worden en meer offshore-projecten zich ontwikkelen, de vraag naar hogere betrouwbaarheid en lagere kosten alleen maar zal toenemen van ontwikkelaars van windparken. “Het bouwen van grotere wieken brengt nieuwe ontwerpuitdagingen met zich mee, waarbij in veel opzichten opnieuw moet worden nagedacht over de materialen, de structuur en andere kenmerken. Rotorbladen zijn aantoonbaar een van de meest invloedrijke onderdelen in termen van energiekosten.”

Naast het bouwen van ’s werelds langste blad tot nu toe (88,4 meter – het blad wordt momenteel getest voor productvalidatie in Denemarken), onthulde LM Wind Power onlangs onderzoek naar een modulair blad-vorm concept om de flexibiliteit in de productie te verhogen bij het maken van grotere en langere bladen. Het nieuwe proces breidt de rotordiameter uit door variabele tiplengtes te bevestigen, zonder de extra kosten van het bouwen van een nieuwe blade mold.

Dit proces maakt afzonderlijke productie van het blad en de tip mogelijk, gevolgd door een traditionele verbindingstechniek die een blad permanent in elkaar zet, legt Crama uit. “Door een combinatie van lagere productiekosten, grotere rotorafmetingen en geoptimaliseerde windmolenproductie, zullen deze modulaire producten naar verwachting de energiekosten voor offshore-bladtoepassingen met ongeveer 6 tot 8% verlagen.”

Hij voegt eraan toe: “Uiteindelijk zullen de winnaars van de windindustrie van morgen degenen zijn die zich kunnen aanpassen, innoveren en uitbreiden tegen de laagste kosten.”