Vom Baum zum Blatt

WINDENERGIE
Foto: dieter76/fotolia
FACHAUFSATZ
Wenn man Bäume wie diese
alte Eiche sieht, ahnt man,
wie robust das Material Holz
ist. Vielleicht wird es auch im
Rotorblattbau künftig eine
größere Rolle spielen.
Vom Baum zum Blatt
Einen Holzturm gibt es bereits in der Windkraft. Nun sollen auch
komplette Rotorblätter aus dem Naturprodukt hergestellt werden.
Die Industrie arbeitet aktuell mit Hochdruck daran,
den Rotorblattherstellungsprozess zu automatisieren. Das vom Fraunhofer-Institut für Windenergie
und Energiesystemtechnik (IWES) koordinierte
Forschungsprojekt Blademaker hat beispielsweise
zum Ziel, die Produktionskosten durch Automatisierung um mehr als zehn Prozent zu reduzieren.
Viele Produktionsschritte der Blattfertigung sind
heute nur in Handarbeit möglich. Dies ist kosten- und zeitaufwändig und erhöht das Risiko von
Fertigungsfehlern, welche später zu aufwändigen
Reparaturmaßnahmen führen können. Bei dem
gängigen Verfahren zur Rotorblattherstellung werden zunächst zwei Halbschalen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) produziert. Dies erfolgt
meist im Vakuum-Infusionsverfahren oder alterna-
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tiv unter Verwendung vorimprägnierter Fasermatten, sogenannter Prepregs.
Die Halbschalen werden anschließend zusammengefügt und gemeinsam mit den im Blattinnern
angeordneten Schubstegen verklebt. Die Sicherstellung einer gleichbleibend guten Klebeverbindung gilt als besondere Herausforderung des Verfahrens.
Recycling
Daher werden bereits einige Blattmodelle in integraler Bauweise gefertigt, wodurch die Verklebung
zweier Halbschalen entfällt. Dieses Verfahren birgt
jedoch andere Herstellungsschwierigkeiten. Eine
weitere Problematik von GFK-Rotorblättern zeigt
Noch längere Rotorblätter ließen sich
durch die Kombination von Holz
mit kohlefaserverstärktem Kunststoff
(CFK) konstruieren.
sich erst am Ende ihrer Betriebszeit: die Entsorgung.
Einige der in Deutschland demontierten Windkraftanlagen werden ins Ausland exportiert und erleben
dort eine weitere Nutzungsphase. Ein Großteil der
ausgedienten Blätter wird jedoch zwischengelagert
und wartet auf eine sinnvolle Verwertung oder findet eine Zweitverwendung als Füllstoff im Straßenbau. Ein echtes Recycling von GFK-Rotorblättern
ist nicht möglich. Augenblicklich macht sich das
Entsorgungsproblem noch nicht in vollem Ausmaß
bemerkbar, da viele Anlagen das Ende ihrer Lebensdauer noch nicht erreicht haben.
Natürlicher Faserverbund
Grafik: FH Flensburg
Neue Möglichkeiten bei der Herstellung und der
Verwertung von Rotorblättern könnte ein altbekannter Werkstoff bieten: Holz.
Holz dient verschiedenen Industrien schon
seit Tausenden von Jahren als zuverlässiger Naturwerkstoff. Insbesondere der Bootsbau kann
auf langjährige Erfahrung in der Verarbeitung
von Holz zurückgreifen. Neben den vielfältigen
Möglichkeiten zur Bearbeitung zeichnet sich Holz
durch seine mechanischen Eigenschaften aus. Besonders die Dauerfestigkeit von Holz ist kaum
zu schlagen. Des Weiteren besitzt Holz hervorragende Dämpfungseigenschaften. Es liegt nahe, die
positiven Erfahrungen mit dem Werkstoff Holz für
die Konstruktion von Rotorblättern für Windenergieanlagen zu nutzen.
Damit bei der GFK-Herstellung eine vollkommene Durchnässung der Glasfasern mit Harz
gewährleistet ist, kommen aufwändige Vakuuminfusionsverfahren zum Einsatz. Bei der Nachbearbeitung, insbesondere beim Schleifen, entstehen
Feinstäube und Späne mit glasigen Filamenten. Daher ist bei der Produktion von Rotorblättern besonders auf die Installation von effektiven Absaug- und
Filteranlagen sowie auf das Tragen entsprechender
Schutzkleidung zu achten. Holz ist für seine gute
und einfache Verarbeitung bekannt. Durch die Verwendung von Holz statt GFK könnte das Gesundheitsrisiko bei der Fertigung verringert werden.
Zu den guten Materialeigenschaften von Holz
kommt der offensichtliche Vorteil eines nachwachsenden Rohstoffs. Er lässt sich lokal produzieren
und recyceln. Holz kommt selbst in vielen Rotorblättern aus GFK vor. Aufgrund seiner geringen
Dichte bei gleichzeitiger Formstabilität wird Balsaholz als Kernmaterial von Sandwich-Strukturen
eingesetzt und verhindert so das Ausbeulen und
Einknicken der Rotorblattschale unter Druckbelastung. Zur Tragfähigkeit des Rotorblatts trägt das
Balsaholz allerdings kaum bei.
Aber auch die Idee, Holz als tragenden Werkstoff in der Rotorblattherstellung zu verwenden,
ist nicht neu. In Vollkörperbauweise werden auch
heute noch Propeller für Sportflugzeuge oder Rotoren für Kleinwindkraftanlagen aus Holz gefräst.
Aufgrund der hohen Massen kommt diese Bauweise aber für große Rotorblätter nicht infrage.
Auch in klassischer Holzbauweise sind schon
Rotorblätter durch Beplankung formgebender Rippengerüste gebaut worden. Deutlich erfolgreicher
allerdings war die Holz-Epoxid-Bauweise, die an
die Verfahren aus dem Bootsbau angelehnt ist. Die
Kontur des Rotorblatts wurde hier durch das Verkleben von in Epoxid-Harz getränkten Holzfurnieren
erzeugt. In dieser Bauart wurden einige Tausend Rotorblätter, zum Teil für Windenergieanlagen mit Rotordurchmessern von mehr als 60 Metern, hergestellt.
Noch längere Rotorblätter ließen sich durch die
Kombination von Holz mit kohlefaserverstärktem
Kunststoff (CFK) konstruieren. Ähnlich zu heutigen Verfahren wurden Holzfurniere zusammen mit
Streifen aus CFK in einer Negativschale in Form
gebracht und über einen Vakuum-Infusionsprozess
miteinander verbunden. Auch in diesem Verfahren
wurden mehrere Tausend Rotorblätter produziert.
Holzrotorblätter zeichnen sich durch ihre guten Dämpfungseigenschaften sowie eine hohe Stei-
Am Institut für Windenergietechnik (WETI) der Fachhochschule Flensburg werden
mögliche Holzbauweisen für
ein Rotorblatt untersucht.
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more than resources
Entwicklung kommt von Freiheit
Wachstum ist ein Prozess der Entwicklung. Erfolgreiche
Unternehmen leben davon, dass sich ihre Mitarbeiter
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Das Design eines Rotorblatts ist
immer durch einen Kompromiss
aus aerodynamischer
und struktureller Effizienz
gekennzeichnet.
ständig weiterentwickeln. Sie wissen: Entwicklung muss
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figkeit und Stabilität aus. Dennoch werden heute
keine Rotorblätter mehr aus Holz gebaut. Aufgrund der Inhomogenität des Baustoffs Holz musste man bislang bei der Auswahl des Holzes sehr
stark selektieren, um durchgehend gleiche Materialeigenschaften zu garantieren. Dies schränkte die
Verfügbarkeit der Holzerzeugnisse ein. Das Wind
Energy Technology Institute (WETI) der Fachhochschule Flensburg forscht in Zusammenarbeit
mit PHI Blades an einem Rotorblatt, das weitestgehend aus Furnierschichtholz (FSH) bestehen soll.
Furnierschichtholz besteht aus mehreren Lagen
Schälfurnier, welches faserparallel verklebt wird.
Furnierschichtholz erreicht durch seine ausgleichende Wirkung auf Fehlstellen im Holz eine höhere Festigkeit als andere Holzerzeugnisse. Es gibt
mehrere europäische Hersteller, die diesen Prozess
komplett industrialisiert haben. Holz ist zu einem
modernen Industriewerkstoff geworden.
Materialien und Auslegung
Ausschreibung
Potentielles Windeignungsgebiet Falkenwalde
(BB73-2800-137814)
Kreis Uckermark, Brandenburg
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•
ca. 16 km östlich der Stadt Prenzlau,
an die A11 angrenzend
Gesamtfläche ca. 9,3 ha
innerhalb des derzeit rechtsgültigen
Windeignungsgebietes
landwirtschaftlich bis 30.09.2020 verpachtet
Orientierungswerte:
18.715 EUR (Optionspreis), Ablösebetrag nach Gebot
Angeboten wird die Option auf Abschluss eines Gestattungsvertrages zur Errichtung und zum Betrieb von WEA befristet
auf 24 Monate, ein Jahr Verlängerung möglich.
Ansprechpartnerin: Alexandra Wetz (NL Brandenburg/Berlin)
Tel.: 030/47704-179, E-Mail: [email protected]
Endtermin Ausschreibung: 31.03.2015, 8 Uhr
Weitere Informationen zu diesem und anderen Objekten und die Ausschreibungsbedingungen finden Sie unter www.bvvg.de.
Gebote sind, gekennzeichnet mit der Objektnummer, zu richten an:
BVVG
Bodenverwertungs- und -verwaltungs GmbH
Ausschreibungsbüro
Schönhauser Allee 120, 10437 Berlin
Tel.: 030/4432-1099, Fax: 030/4432-1210
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Das Design eines Rotorblatts ist immer durch einen Kompromiss aus aerodynamischer und struktureller Effizienz gekennzeichnet. Neben den aerodynamischen und strukturellen Anforderungen
müssen zudem mögliche Einschränkungen durch
den Herstellungsprozess beachtet werden. Dieser
Kompromiss ist von den verwendeten Materialien
und Fertigungsverfahren abhängig und kann für
ein Holzrotorblatt anders ausfallen als bei herkömmlichen Rotorblättern.
Im Hinblick auf die Rotorblattstruktur gibt es
drei wesentliche Bemessungskriterien: Extremlastfestigkeit, Steifigkeit und Betriebsfestigkeit. Extremwertfestigkeit bedeutet, dass das Rotorblatt
kurzzeitig auftretenden Maximalbelastungen – beispielsweise verursacht durch Extremwindereignisse
– unbeschadet standhält. Die Forderung nach ausreichender Biegesteifigkeit des Rotorblatts ergibt
sich aus dem sogenannten Turmfreigang. Es muss in
jedem Betriebszustand gewährleistet werden, dass
das durchgebogene Rotorblatt den erforderlichen
Sicherheitsabstand zum Turm einhält. Auch nach einer Betriebszeit von 20 Jahren muss das Rotorblatt
den auftretenden Belastungen standhalten. Diese
Eigenschaft wird als Betriebsfestigkeit bezeichnet.
Aktuelle Rotorblätter aus GFK werden meist
durch die erforderliche Biegesteifigkeit und die
Betriebsfestigkeit der Laminate dimensioniert. Anders verhält sich die Blattauslegung für Holzrotorblätter. Hier ist der dimensionierende Faktor in der
Regel die Extremwertfestigkeit des Holzes.
Erste Ergebnisse
Die erste kritische Belastung großer Rotorblätter
ist das Biegemoment in Schlagrichtung. Dieses er-
gibt sich aus den aerodynamischen Kräften, die auf Kooperationspartner inhaltlich und finanziell. PHI
das Rotorblatt wirken, und kann schon am Beginn Blades will sich in den kommenden Jahren als Andes Auslegungsprozesses aus der Blattgeometrie bieter innovativer Holzrotorblätter für Windenerund der Anlagenkonfiguration abgeleitet werden.
gieanlagen positionieren. W
Auf der Basis dieser Belastung sind am Institut
für Windenergietechnik der Fachhochschule Flensburg mögliche Holzbauweisen für das Rotorblatt
der NREL-Referenzanlage untersucht worden. Die
theoretische Windenergieanlage wurde 2009 vom
amerikanischen National Renewable Energy Laboratory (NREL) entworfen, um Forschungsprojekten
1
2
3
einheitliche Anlagenparameter zur Verfügung zu
stellen. Mit einem Rotordurchmesser von 126 Me- Prof. Dr. Torsten Faber1
tern entspricht die Fünf-Megawatt-Referenzanlage
Rasmus Borrmann, M.Eng.2
den größten serienmäßig produzierten WindenerInstitut für Windenergietechnik, Fachhochschule Flensburg
gieanlagen.
Die Untersuchungen zeigen, dass die Ausle- Nicolas Hoyer3
gung des Rotorblatts der NREL-Referenzturbine PHI blades
für die aerodynamische Belastung auch in
reiner Holzbauweise
möglich ist. Als Materialparameter werZZZEDFKPDQQLQIR
den die mechanischen
Eigenschaften
von
Furnierschichtholz
Bachmann Automatisierungslösungen überzeugen heute durch eine
angesetzt. Während
nachgewiesene Systemverfügbarkeit von mehr als 99,96 Prozent.
die Ausführung des
Und setzen zukunftsweisende Akzente für die Herausforderungen von
Rotorblatts in Vollmorgen – rund um den Globus, rund um die Uhr.
körperbauweise noch
etwa 140 Tonnen
wiegen würde, lässt
sich das Blattgewicht
durch einen einfachen
Hohlkörper
bereits
auf 36 Tonnen reduzieren. Das ist zwar
noch etwa das Doppelte eines Rotorblatts
aus GFK, bietet aber
Potenzial zur weiteren Gewichtssenkung,
beispielsweise durch
einen
optimierten
Materialeinsatz. Die
Entwicklung eines solchen Rotorblatts aus
FSH ist das Ziel eines
Forschungsprojekts,
das seit April 2014 am
WETI
durchgeführt
wird.
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Die Zukunft im Blick.
Forschungsförderung
Das
Forschungsprojekt wird durch das
Förderprogramm
HWT Energie und Klimaschutz der Gesellschaft für Energie und
Klimaschutz
Schleswig-Holstein (EKSH)
finanziert. Das Startup-Unternehmen PHI
Blades begleitet die
Fragestellungen
als
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