Interview

„Die Materialien, die wir heute einsetzen, stoßen an ihre Grenzen“

Interview: Isaac Bah, 26.04.16
…, sagt Raimund Rolfes, Leiter des Instituts für Statik und Dynamik der Leibniz Universität Hannover-ForWind und Standortleiter am Fraunhofer-Iwes in Hannover, über die Rotorblattfertigung von Windenergieanlagen. Um das weitere Größenwachstum der Riesenflügel zu ermöglichen, entwickeln Wissenschaftler im Forschungsprojekt „LENAH“ Werkstoffe, die eine längere Lebensdauer und verbesserten Leichtbau ermöglichen sollen.

neue energie: Industrie und Forschung arbeiten mit Hochdruck an neuen Lösungen, um das Größenwachstum von Windenergieanlagen speziell im Bereich der Rotorblätter weiterhin wirtschaftlich und technologisch umsetzen können. Welchen Beitrag kann das Forschungsprojekt „LENAH“ in diesem Zusammenhang leisten?

Raimund Rolfes: Wir wollen die Lebensdauer der Rotorblätter erhöhen und wir wollen das Leichtbaupotenzial der Faserverbundwerkstoffe besser ausnutzen – kurz: Wir wollen leichter bauen. Der Hintergrund ist der, dass die Rotorblätter durch die nach wie vor steigende Anlagengröße immer länger, größer und schwerer werden. Die gleichen Materialien, die wir heute einsetzen, stoßen an ihre Grenzen. Damit lassen sich diese immer größeren Strukturen in Zukunft nicht mehr bauen. Deshalb müssen wir die Materialeigenschaften auf eine neue Stufe heben, um weiter effizient Rotorblätter bauen zu können.

neue energie: Welche Ansätze verfolgen Sie in diesem Zusammenhang bei dem Forschungsprojekt?

Rolfes: Wir vertrauen im Projekt „LENAH“ auf die bewährte Zusammenarbeit mit unseren engen Partnern im Forschungsverbund Windenergie.Grundsätzlich verfolgen wir zwei Ansätze. Der erste besteht darin, Nanopartikel in die faserverstärkten Kunststoffe einzubetten. Damit wollen wir insbesondere die Lebensdauer der Blätter beziehungsweise die Ermüdungsfestigkeit der Werkstoffe erhöhen. Dabei geht es weniger um die verschiedenen Fasern, als um den Kunststoff. Egal ob wir ein Blatt mit Glasfasern oder mit Kohlenstoffasern bauen, ist die Matrix immer ein Epoxidharz, ein Kunststoffmaterial. Insbesondere die Eigenschaften dieser Kunststoffe wollen wir durch die Nanopartikel verbessern.  

neue energie: Was versprechen Sie sich vom Einsatz der Nanopartikel?

Rolfes: Die Ermüdung eines Materials geht von Mikrorissen aus. Mit dem Einsatz von Nanopartikeln wollen wir dieses Problem an der Wurzel packen, indem wir die Ausbreitung dieser Risse verzögern. Mit den Partikeln lassen sich die Risse überbrücken oder auch ablenken. Muss ein Mikroriss „mehr Weg“ im Bauteil zurücklegen, weil man ihn ablenkt, bevor er Schaden anrichten kann, dann verlängert das die Lebensdauer des jeweiligen Bauteils.

neue energie: Die meisten Anlagen sind für 20 Jahre ausgelegt. Reicht das nicht aus?

Rolfes: Das ist richtig. Einschränkend muss man aber sagen, dass es sehr viele Rotorblattschäden gibt, auch schon vor Ablauf der 20 Jahre. Wenn ich aber ein Rotorblatt habe, das sich von der Konstruktion her bewährt hat, das wenig Schäden aufweist und 20 Jahre läuft, dann kann ich diese verbesserten Materialien auch einsetzen, um die gleiche Leistungsfähigkeit mit weniger Gewicht zu erreichen. Es gibt zwei Möglichkeiten: Entweder verlängere ich die Lebensdauer oder – wenn diese schon ausreicht – verwende ich weniger Material, um die gleiche Lebensdauer zu erreichen, das heißt, ich kann leichter bauen und Kosten sparen.

neue energie: In welchem Rahmen bewegt sich die Gewichtseinsparung durch Nanopartikel?

Rolfes: Für eine definitive Bezifferung der Gewichtsersparnis ist es in der jetzigen Projektphase noch zu früh, die Verbesserung der Materialeigenschaften durch Nano-Composites bewegt sich im Bereich von 15 bis 20 Prozent. Dieser Wert lässt sich aber nicht direkt in Materialeinsparungen übertragen.

neue energie: Verfolgen Sie weitere Anwendungsmöglichkeiten für Nanopartikel in der Rotorblattfertigung?

Rolfes: Wir wollen die Nanopartikel in Verbindung mit den Kunststoffmaterialien einsetzen, aus denen die Rotorblätter heute hergestellt werden, aber auch in Verbindung mit den Klebstoffen, mit denen die Ober- und Unterschalen der Blätter verbunden werden. An dieser Stelle könnten Nanopartikel faserverstärkte Klebstoffe in ihren mechanischen Eigenschaften verbessern.

neue energie: Welchen Effekt haben die Nanopartikel auf die Klebstoffe?

Rolfes: Die Klebekante bei einem 70 oder 80 Meter langen Rotorblatt passt in der Regel zwar relativ gut, aber nicht perfekt. Mal gibt es einen Spalt von Millimetern, mal von Zentimetern. Für die Qualität einer Klebung ist das immer schlecht, das Ziel ist eine perfekte, durchgängige Klebenaht. Teilweise nutzt man den Kleber, um diese Fertigungstoleranzen auszugleichen. Das stellt erhebliche Anforderungen an die Materialeigenschaften des Klebers, durch die Nanopartikel lassen sich diese verbessern, da sie eine Festigkeitserhöhung bewirken.

neue energie: Der zweite Forschungsansatz von „LENAH“ befasst sich mit Hybridwerkstoffen. Speziell sollen Edelstahlfolien und Kohlenstofffasern eingesetzt werden, um im Zusammenspiel mit gängigen Kunststoffen auf Glasfaserbasis ein Verbundmaterial herzustellen, das bei gleicher Festigkeit leichter ist.

Rolfes: Hier gibt es zwei verschiedene Bereiche: Die Metallfolien wollen wir einsetzen, um gerade im Bereich des Anschlusses des Rotorblatts an die Nabe eine höhere Lochleibungsfestigkeit zu erhalten und somit an dieser Stelle leichter bauen zu können. Das ist ein kritischer Bereich, weil dort die Kräfte vom Rotorblatt über die Bolzen in die Nabe eingeleitet werden müssen. Im Moment verbaut man dort deshalb sehr dicke Glasfaser-Kunststoff-Laminate. Mit zunehmender Größe der Rotorblätter nimmt auch der konventionelle Materialeinsatz an dieser kritischen Stelle weiter zu. Hier verfolgen wir den Ansatz, jede zweite oder dritte Schicht des Faserverbundmaterials nicht aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) sondern aus Edelstahl herzustellen. Bei diesen hybriden Metall-Faserverbund-Laminaten greifen wir wie bei den Nanopartikeln auf Erfahrungen aus der Luft- und Raumfahrt zurück. Unter anderem hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt bereits mit Titanschichten oder -folien gearbeitet. Wir arbeiten auch deshalb mit Edelstahl, weil dieser Werkstoff im Vergleich zu Titan günstiger ist.

neue energie: Neben Edelstahlfolien untersuchen Sie auch den Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Im Vergleich mit GFK und Edelstahl ist CFK deutlich teurer. Rechnet sich dieser Werkstoff überhaupt?

Rolfes: Die Durchbiegung eines langen Rotorblatts liegt im Bereich mehrerer Meter. Das kann im schlimmsten Fall dazu führen, dass es während der Drehung den Turm touchiert. Um das zu verhindern, bedarf es daher eines entsprechenden Vorbaus. Das ist ein Kostenfaktor, den man in diesem Zusammenhang bedenken muss. Deshalb ist es wichtig, die Steifigkeit der Blätter zu erhöhen. Dazu dienen einige Kohlenstofflagen im Bereich der Gurte. Auch das ist ein Teil des Forschungsvorhabens. In die Gurte, das heißt in die außenliegenden Schichten des Rotorblattträgers, werden gezielt CFK-Schichten eingebaut. Dort ist eine hohe Steifigkeit nötig, und dort ist es daher am effektivsten, Kohlenstofffasern einzusetzen.

neue energie: Die Einführung neuartiger Werkstoffe und damit verbundene Änderungen an Produktionsabläufen ziehen in der Regel höheren Kosten nach sich. Wie stellt sich der Einsatz neuer Materialien insgesamt kostenseitig dar?

Rolfes: Wenn wir Technologien von der Luft- und Raumfahrt auf die Windenergie übertragen, haben wir oft das große Problem, dass diese bei vergleichbarer Funktionalität wesentlich günstiger sein müssen. Kein Hersteller ist bereit, eine Anlagenstruktur so teuer herzustellen, wie in der Luft- und Raumfahrt. Kostenersparnis ist hier eine der Prämissen, deshalb müssen wir sehr auf Kosten achten. Das ist einer der Hauptgründe für den vorwiegenden Einsatz von Glasfasern. Ein Hybrid-Laminat aus GFK und Edelstahlfolie liegt, was die Kosten anbelangt, zwischen GFK und CFK. Die Frage ist aber auch, was sich durch die Materialverbesserung erreichen lässt. Marginale Erfolge allein rechnen sich in der Regel nicht. Gleichzeitig ist es häufig so, dass durch einen neuen Werkstoff eine technologische Weiterentwicklung erst möglich wird, beispielsweise ein längeres Rotorblatt. In Bezug auf den Herstellungsvorgang lässt sich sagen, dass der Einsatz von Hybridlaminaten nicht wesentlich komplexer ist als bei herkömmlichen Verfahren.

neue energie: Das Projekt „LENAH“ läuft noch bis 2019. Wann sind die neuen Materialien einsatzbereit?

Rolfes: In der Rotorblattfertigung werden die Materialien, mit denen wir uns beschäftigen, bislang noch nicht eingesetzt. Aus der Luft- und Raumfahrt haben wir aufgrund der Kooperation mit dem DLR aber schon erhebliche Vorerfahrungen. Zum Beispiel, was die Einbringung der Nanopartikel in das Material angeht oder wie sich die Fließeigenschaften der Klebstoffe verändern. Wir verfügen schon jetzt über viel Wissen, das wir übertragen können und das bei einer schnellen Markteinführung helfen müsste. Ein genauer Zeitpunkt für die Marktreife lässt sich schwer abschätzen. Ein Zeitraum von fünf bis zehn Jahren scheint mir aber realistisch.

neue energie: Wo liegen angesichts des andauernden Trends zu immer längeren Rotorblättern die Grenzen dieses Größenwachstums?

Rolfes: Man wird auch mit den jetzt vorhandenen Werkstoffen noch ein 100-Meter-Blatt bauen können. Aber es wird immer unwirtschaftlicher, weil nicht nur am Blatt selbst größere Kosten entstehen, sondern auch in anderen Anlagenbereichen wie Turm oder Nabe. Deshalb ist es schwierig, eine genaue Grenze zu benennen. Es ist daher unumgänglich, die Materialeigenschaften zu verbessern. Speziell geht es bei dieser Optimierungsaufgabe um die spezifischen Materialeigenschaften. Gelingt es, diese zu verbessern, gelingt auch der Leichtbau. Das ist unser Ziel.

 

Kommentare (0)

Kommentar verfassen»

Kommentar verfassen

Anzeige