OptiMUm: Optimale Materialkennwerte für Rotorblätter unter extremen Umweltbedingungen

Auf einen Blick

• Rotorblätter einer Windenergieanlage sind vielfältigen Belastungen ausgesetzt. Gleichzeitig sind die Anforderungen hinsichtlich Energieeffizienz und Herstellungskosten hoch.
• Windturbinen werden vermehrt in Gegenden mit extremen Temperaturbedingungen errichtet. Unter diesen Bedingungen ist das Werkstoffverhalten bislang nicht umfänglich charakterisiert.
• Im Projekt OptiMUm des Fraunhofer IWES sollen daher neue Materialmodelle entwickelt werden, die auch unter außergewöhnlichen Umweltbedingungen eine zuverlässige Optimierung des Blattgewichts erlauben.

Herausforderung

Rotorblätter einer Windenergieanlage müssen komplexen Anforderungen genügen. Einerseits sollen sie möglichst lang sein, um die Effizienz und damit die Stromerzeugungsleistung der Anlage zu erhöhen. Gleichzeitig dürfen sie nicht zu schwer werden, um Herstellungs- sowie Transportkosten im Rahmen zu halten und das System aus Gondel und Turm der Windenergieanlage nicht zu sehr zu belasten. Zusätzlich bestehen wegen der Beanspruchung durch Wind und Wetter hohe Anforderungen an ihre Stabilität. Bei der Herstellung von Rotorblättern kommen seit Jahren Faserverbundstoffe zum Einsatz, die diese hohen Anforderungen am besten erfüllen.

Die Tragfähigkeit dieser Faserverbundwerkstoffe ergibt sich aus der Kombination der Herstellungs- und Betriebsbedingungen. Entscheidend ist an diesem Punkt allerdings nicht nur die Haltbarkeit der eingesetzten Fasern, sondern auch die des umgebenden Verbundstoffes, der so genannten Matrix. Rotorblatthersteller versuchen ihre Kosten zu senken, indem sie in der Herstellung auf möglichst hohe Härtungstemperaturen setzen, um die Produktionszeit zu verkürzen. Die Folge kann eine Beeinträchtigung des Materials sein. Zudem werden Windenergieanlagen künftig verstärkt an Orten mit extremen Wetterbedingungen errichtet, etwa in der Arktis oder der Subsahara. Bisherige Normen und Berechnungsverfahren in der Herstellung der Faserverbundstoffe und der Rotorblätter sind indes nicht auf derart extreme Temperaturen, wie sie an solchen Orten herrschen, ausgelegt.

Lösung

An diesem Punkt setzt das Forschungsprojekt OptiMUm an. Ziel ist die Implementierung von neuartigen Materialmodellen zur Beschreibung der mechanischen Werkstoffleistung unter erweiterten Umgebungsbedingungen wie Hitze oder Kälte. Der Schwerpunkt liegt auf der Charakterisierung der Matrixfestigkeit, so dass das Blattgewicht optimiert werden kann, ohne Risiken bei der Zuverlässigkeit einzugehen.

Mehrwert  

Dazu wird im Projekt unter anderem untersucht, wie sich die Werkstoffe unter verschiedenen Temperaturbedingungen in Abhängigkeit von Aushärtegrad und Betriebstemperatur verhalten. Bei den Materialprüfungen werden daher extreme Temperaturbedingungen von -40 °C bis 60 °C evaluiert.