Wie können Rotorblätter von Windenergieanlagen Strom in Zukunft noch effizienter produzieren – sowohl in den windstarken Offshore-Gebieten als auch in windschwächeren Regionen im Binnenland? Im Projekt SmartBlades entwickelten und prüften die Forscher des Forschungs-verbundes Windenergie (FVWE) neue Ideen für intelligente Rotorblätter, die sich dem Wind anpassen können. Zum Abschluss des Projektes SmartBlades stellen die Forscher am 3. und 4. Februar 2016 ihre Ergebnisse in Stade bei einer Konferenz mit nationalen und internationalen Gästen aus Wissenschaft und Industrie vor. SmartBlades war ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit rund zwölf Millionen Euro gefördertes dreijähriges Forschungsprojekt.

Ein Rotorblatt einer Windenergieanlage ist inzwischen bis zu 85 Meter lang, die Anlagen reichen in Höhen von über 200 Metern. Das bedeutet, dass Rotorblätter aufgrund der ungleichmäßigen Windverteilung in Bodennähe und im oberen Teil der Anlage einer stark schwankenden Windlast ausgesetzt sind. Die Folge: hohe Belastungen für das Material des Rotorblattes und eine große Herausforderung bei der Regelung der Anlage. Vor allem bei stark böigem Wind kann die Windlast so groß sein, dass die Betreiber ihre Anlagen sogar abschalten müssen, um Schäden zu vermeiden. Wirtschaftlich ist das schlecht, denn starker Wind sorgt für gute Stromerträge. Ideal wären Rotorblätter, die ihre Geometrie an die lokalen Windeinwirkungen anpassen können. Möglich wird dies durch aktive und passive Technologien, mit denen sich die einzelnen Rotor-blätter auf die lokalen Windgegebenheiten einstellen können - sogenannte Smart Blades. Wissenschaftler*innen des FVWE mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Fraunhofer IWES und dem ForWind, dem Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen haben im Projekt SmartBlades die Wirkung dieser Techno-logien untersucht. Entwicklern und Betreibern von Anlagen bieten die Ergebnisse des Projektes neues Know-how und Werkzeuge um effektivere, kosteneffizientere und zuverlässigere Anlagendesigns auf den Markt zu bringen.

Intelligente Strukturen reagieren auf die Windturbulenz

Wenn sich ein Rotorblatt bei starkem Wind verdreht, so dass es dem Wind weniger Angriffsfläche bietet, sprechen die Wissenschaftler von einer Biege-Torsions-Kopplung. Da diese Biegung allein durch die Kräfte des Windes hervorgerufen wird, handelt es sich um sogenannte passive Mechanismen. Dabei wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt, die diesen Effekt bewirken. Zum einen wurde eine sichelförmige Geometrie untersucht, zum anderen eine besondere Struktur der materiellen Bauweise des Rotorblattes. Beim strukturellen Ansatz werden die Glasfasern, aus denen das Rotorblatt aufgebaut ist, so gelegt, dass es sich bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten verdreht und den Anstellwinkel somit lokal anpasst. "Die Vorteile der Mechanismen sind, dass die Blätter weniger massiv und damit leichter gebaut werden können. Beide Verfahren haben das Potenzial die Stromausbeute von Windenergieanlagen zu verbessern," beschreibt Alper Sevinc, SmartBlades-Technologiekoordinator der biegetorsionsgekoppelten Rotorblätter vom Fraunhofer-Institut IWES. In einem zukünftigen Projekt wollen die Forscher die in der Simulation getesteten Mechanismen an bereits entworfenen Demonstrations-Rotorblättern testen.

Aktive Steuerelemente im Rotorblatt

Ein anderer Ansatz, den die Wissenschaftler*innen verfolgt haben, sind aktive Mechanismen, die die Hinterkanten eines Rotorblattes verändern, womit Anlagenbetreiber die aerodynamischen Belastungen an einem Rotorblatt steuern können. Untersucht haben die Wissenschaftler*innen dabei in sich bewegliche (formvariable) Hinterkanten, und starre Hinterkantenklappen. Das Konzept kommt aus der Luftfahrt und lässt sich mit den Klappen an Tragflächen von Flugzeugen vergleichen. Die Untersuchungen ergaben, dass beide Verfahren die Last am Rotorblatt effektiv vermindern. Der Wartungsaufwand bei starren Hinterkantenklappen ist jedoch durch die auftretende Verschmutzung der beweglichen Teile so erheblich, dass die Vorteile von beweglichen Hinterkanten klar überwiegen. Perspektivisch ist auch für diesen Ansatz der Bau von Demonstrationsblättern geplant.

Optimales Profil durch bewegliche Flügel an der Vorderkante

Die Wissenschaftler*innen untersuchten auch, ob ein beweglicher Vorflügel an einem Rotorblatt die Effizienz von Windenergieanlagen unter stark schwankenden turbulenten Windbedingungen verbessern kann. Dieser Mechanismus erlaubt es, ein Rotorblatt in einem großen Windgeschwindigkeitsbereich optimal zu nutzen. "Der Vorteil liegt hierbei in der Reaktionsgeschwindigkeit der Bewegung des Vorflügels, die eine schnelle Beeinflussung der wirkenden aerodynamischen Kräfte bei turbulenten Einströmbedingungen ermöglicht", kommentiert Michael Hölling, SmartBlades-Technologiekoordinator für Rotorblätter mit beweglichen Vorflügeln von ForWind, das Potential des adaptiven Vorflügels. Das Konzept des beweglichen Vorflügels wurde während des Projektes im Windkanal getestet und lieferte vielversprechende Ergebnisse für weitere Entwicklungen. Zusätzlich haben die Forscher die Wirtschaftlichkeit der Technologieentwicklungen bewertet. In Simulationen haben sie alle Mechanismen mit einer State-of-the-Art-Referenz-Anlage mit einem 80 Meter langen Rotorblatt verglichen, mit dem Ergebnis, dass viele der untersuchten Mechanismen Rotorblätter in Zukunft besser machen können. In einem nächsten Schritt hoffen die Forscher, ihre Ergebnisse an Full-Scale-Rotorblättern testen zu können.

Mit dem Projekt SmartBlades wurde eines der ersten großen Forschungsprojekte des 2012 gegründeten Forschungsverbundes erfolgreich zu Ende geführt. "Die hervorragende Zusammenarbeit des Konsortiums spiegelt sich in den vielversprechenden Ergebnissen des Projektes wieder. Das Projekt hat gezeigt, dass sich die unterschiedlichen Kompetenzen der Partner ideal ergänzen und verknüpfen lassen", betont Ceyda Icpinar, SmartBlades-Projektmanagerin vom DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik in Braunschweig. Mit dem erfolgreichen Abschluss des Projektes ist nicht nur der gemeinsame Weg für Folgeaktivitäten im Bereich der intelligenten Rotorblätter geebnet, es wurde auch ein stabiles Fundament gelegt, für weitere Forschungsvorhaben im gesamten Windenergiebereich.

Über den Forschungsverbund FVWE

Der 2013 gegründete Forschungsverbund Windenergie (FVWE) bündelt das Know-how von rund 600 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, um wegweisende Impulse für die Windenergieforschung der Zukunft zu geben. Die drei Partner Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), ForWind - Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen - sowie das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) Nordwest, forschen mit Industrie, Politik und weiteren Forschungspartnern an langfristigen und strategisch wichtigen Großprojekten. Die Kooperation der drei Partner ermöglicht den unkomplizierten Zugriff auf eine weltweit einmalige Test-Infrastruktur, gewährleistet den Technologietransfer aus der Luftfahrt und stellt die Verknüpfung mit der universitären Forschung und Lehre sicher.