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Rotorblatt-Design

Gigantisch beflügelt

Sascha Rentzing, 03.02.14
Wenn die Windbranche mehr Strom ernten will, muss sie Turbinen mit längeren Rotorblättern einsetzen. Das rechnet sich aber nur, wenn die Blätter flexibler und leichter konzipiert werden. Entwickler stehen vor komplexen Aufgaben.

Samsungs neue Offshore-Turbine wirkt gigantisch. Ihr riesiger Rotor dreht gemächlich seine Runden, obwohl an diesem Februartag kräftige Böen über die Docks der schottischen Küstenstadt Methil fegen. Gerade hat der südkoreanische Konzern den Protoypen seiner neuen Offshore-Maschine S7.0-171 im Methil-Testfeld „Energy Park Five“ in Betrieb genommen. Ab 2015 will Samsung damit kommerzielle Windparks in der Nordsee bestücken.

Mit sieben Megawatt Leistung und 83,5 Meter langen Blättern ist die Turbine der neue Gigant der Meere. Und sie steht für die rasante technische Entwicklung in der Windenergie: 2013 präsentierten Vestas und Mitsubishi für ihre Offshore-Maschinen Blatt-Prototypen mit 80 und 81,6 Metern Länge. Ein Jahr zuvor hatte Siemens mit einem 75-Meter-Blatt für die Offshore-Anwendung der hauseigenen SWT-6.0-174 den alten Längenrekord von Alstom um 1,5 Meter übertroffen (neue energie 07/2012).

Stephan Barth, Geschäftsführer von Forwind – Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Bremen und Hannover, glaubt, dass die Entwicklung auch an Land weiter in diese Richtung geht: „Rotoren mit größeren Durchmessern können mehr Wind abgreifen und damit gleichmäßiger und verlässlicher Energie aus der Luft schöpfen.“ Technische Limits für die Steigerung der Blattlängen sieht Barth nicht. „Bisher haben die Ingenieure vermeintliche Skalierungsgesetze in der Windenergie immer wieder geschlagen.“

Zu viel Manufaktur

Allerdings stellen längere Rotorblätter die Entwickler vor erhebliche Herausforderungen. Mit zunehmendem Gewicht verstärken sich auch die physikalischen Kräfte, die auf das Fundament wirken. Um ihnen entgegenzuwirken, müsste die Turbine insgesamt stabiler gebaut werden, was jedoch unverhältnismäßig hohe Kosten verursachen würde. Die Konstrukteure haben also nur eine Wahl: Sie müssen flexiblere und schlankere Blätter konzipieren, die kritischen Windböen weniger Angriffsfläche bieten und die Gesamtkonstruktion der Turbine entlasten. Es gibt viele Ansatzpunkte: Die Geometrie oder der Material auf bau der Flügel könnten verändert werden. Oder es ließen sich bewegliche Elemente in die Blätter einbauen. Sie lenken die Windströmung per Steuerbefehl um – wie die Klappen an Flugzeugen.

Für Frank Weise, Leiter der Vestas-Rotorblattfertigung in Lauchhammer, ist der weitere technische Fortschritt jedoch an Bedingungen geknüpft: „Bevor wir über intelligente Riesenblätter sprechen, müssen zuerst die Fertigungsprozesse wirklich beherrscht und optimiert werden“. Bisher gibt es in der Flügelfertigung noch viele Schritte, die Handarbeit erfordern. Automatisierte Arbeitsverfahren könnten die Kosten senken. Das sei aber eine große Herausforderung, da Maschinen und Roboter höhere Anforderungen an Form, Lage und Klimabedingungen als Menschen hätten, erklärt Weise. „Sie brauchen für die Automatisierung eine schlüssige Fertigungsstrategie, die das durchgängig berücksichtigt.“ Ebenso wichtig ist es aus Weises Sicht, Materialien klug einzusetzen. Wo zum Beispiel werden Kunstharze besser mit den günstigen, aber schweren Glasfasern oder mit den leichten, aber teureren Kohlenstofffasern verstärkt?

Logistik-Vorreiter Enercon

Turbinenhersteller Enercon zeigt mit seiner neuen E-115-Binnenlandmaschine, in welche Richtung die Entwicklung bei der Logistik gehen könnte. Die 2,5-Megawatt-Anlage verfügt wie die E-126 über ein teilbares Rotorblatt. Ziel sei es, mit dieser Maschine auch schwer erreichbare Standorte zu wirtschaftlichen Kosten zu bedienen, heißt es bei Enercon. Durch das teilbare Blatt verringere sich die Länge der zu transportierenden Komponenten, was wiederum weniger Aufwand und Kosten beim Ausbau der Zuwege bedeute.

Während das äußere Blattsegment auf herkömmliche Art im Vakuuminfusionsverfahren in Sandwich-Bauweise produziert wird, setzt Enercon bei der Herstellung des inneren Segments eine neue Wickeltechnik ein. Dabei werden vorgetränkte Glasfasergelege von einer Maschine um ein Urmodell gewickelt, bis die lasttragende Struktur entsteht. Das Urmodell gibt die Kontur des Bauteils vor, in der es später entstehen soll. Auf der Baustelle werden Außen- und Innenblatt schließlich mit Quer- und Längsbolzen miteinander verschraubt.

Aus Sicht der Forscher und Entwickler sind Blätter mit Karbonholmen oder schlankere Profile jedoch nur die ersten Schritte auf dem Weg zum optimalen Rotorblatt-Design. Zahlreiche Forschergruppen und Spezialfirmen befassen sich mit der Frage, wie sich der Wind besser einfangen lässt oder Blätter länger werden können. Im BMU-geförderten Projekt „Smart Blades“ entwickeln Forscher von Forwind, des Iwes und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) Rotorblätter, die ihre Form verändern, wenn der Wind auftrifft. „Wir modifizieren die Blätter so, dass sie sich exakt an dem Punkt verwinden, wo die Last entsteht“, erklärt Iwes-Forscher Alper Sevinc.

Bewegliche Hinterkante

Die Überlegungen der Wissenschaftler gehen noch weiter: Bei den Großrotoren streicht der Wind nicht gleichmäßig über die Fläche, Richtung und Stärke schwanken kontinuierlich. Bei Sturm kann die Differenz der Windgeschwindigkeit innerhalb der Rotorfläche 20 bis 40 Meter pro Sekunde ausmachen – das pauschale und relativ langsame Verstellen des gesamten Rotorblatts, das so genannte Pitchen, kann diese Unterschiede nicht berücksichtigen. Im Rahmen von Smart Blades erproben die Forscher daher auch bewegliche Vorflügel und Hinterkanten, die die lokale Strömung genauer und schneller beeinflussen können. Das größte Potenzial der Strömungsbeeinflussung verspricht sich Thorsten Spehr, Geschäftsführer des Berliner Turbinenentwicklers Tembra, von der flexiblen Hinterkante. „Sie hält am besten den Umweltbedingungen und hohen Lastwechseln stand“, so der Ingenieur.

Noch ist das Konzept bei Tembra aber im Forschungsstadium. Form, Material, Befestigung und Energieverbrauch gehören zu den Herausforderungen. Zudem muss die flexible Hinterkante  robust und zuverlässig sein, um extremen Umweltbedingungen wie Eis, Schnee und Salz in Kombination mit starkem Wind zu trotzen. „Bis zum fertigen Produkt ist es noch ein großes Stück Arbeit“, sagt Spehr.

 

Dies ist eine gekürzte Version des Artikels – den ausführlichen Text finden Sie in der Ausgabe 02/2014 von neue energie.

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