Durch die Sektorenkopplung wird die künftige Energiebereitstellung zum größten Teil über Strom laufen. Windenergie ist dabei ein zentraler Player. An Material und Design der Rotorblätter für höhere Energieausbeute wird rege geforscht.

Mit jedem Tag, an dem wir der globalen Erwärmung tatenlos zusehen, wird es schwieriger und teurer, die Klimakrise noch aufzuhalten«, bemerkte Stefan Rahmstorf vom Institut für Klimafolgenforschung Potsdam zu Beginn des 13. Österreichischen Windenergie-Symposiums. Veranstaltet wurde die Konferenz im März von der IG Windkraft in Wien.

Bild oben: »Mitgestalten, nicht nur moderieren, muss das Motto Österreichs beim EU-Vorsitz lauten«, fordert Stefan Moidl, IG Windkraft.

Für IG-Geschäftsführer Stefan Moidl beginnt nun eine Bewährungsprobe für das neu geschaffene Nachhaltigkeitsministerium. In Österreich hat der Ausbau erneuerbarer Energieanlagen zuletzt stagniert. Rund 200 Windkraftanlagen mit 650 MW Leistung sind genehmigt, jedoch bis 2023 in einer Warteschlange. Anfang April hat die neue Bundesregierung eine Klima- und Energiestrategie vorgestellt – leider ohne Aussicht auf rasche Verbesserungen. Von der EU-Ratspräsidentschaft Österreichs im zweiten Halbjahr 2018 erwartet sich Moidl ein Mitgestalten, nicht nur Moderieren. »Europa steht vor der Entscheidung, ob Technologien für erneuerbare Energie Teil der heimischen Wirtschaft oder chinesische Importware sein werden.«

Leader Windenergie 

Windenergie ist laut Vestas bei Neuinstallationen global gesehen die wichtigste Stromerzeugungstechnologie. In Österreich könnte die Windenergie mit einer Leistung von 7.400 MW und einer Wind­strommenge von 23 Milliarden kWh mehr als ein Viertel des österreichischen Stromverbrauchs decken. Entscheidend ist dabei vor allem die Größe der Rotorblätter. Ein doppelt so langes Blatt kann der Windströmung viermal so viel Energie entnehmen. Siemens-Gamesa sieht die Nachfrage nach Riesenrotoren im Offshore-Bereich ab Mitte der 2020er-Jahre. Auch im Onshore-Markt gebe es einen steigenden Bedarf an Anlagen mit großem Rotordurchmesser.

»Wir arbeiten mit zusätzlicher Sensorik an den Rotoren von Testanlagen und selbstlernenden Algorithmen in den zentralen Steuerungseinheiten der Windenergieanlagen«, informiert ein Sprecher des Konzerns. Die Steuerungsparameter besser auf unterschiedliche Windbedingungen einzustellen, ist dabei laut Michael Dahl, Abteilungsleiter technische Betriebsführung bei Energie Burgenland, eine zentrale Herausforderung.

Auch Vestas baut technische Raffinessen in das Rotorblatt ein. Vorderkantenbeschichtung schützt die Blätter vor Erosion, aufgeklebte Vortexgeneratoren erzeugen im Bereich der Blattwurzel kleine Wirbel und verzögern so den Strömungsabriss. Gegen Eisansatz bietet Vestas das De-Icing System, mit dem Rotorblätter beheizt werden können. Schallmindernd wirken Hinterkantenkämme an der äußeren Blatthinterkante, die Luftverwirbelungen verringern. Die Schall-Lösung von Siemens-Gamesa: Direct-Drive-Windturbinen, die in einem Lärmschutzmodus betrieben werden können und mit reduzierter Drehzahl, aber erhöhtem Drehmoment arbeiten. Biegemomenten und Vibrationen wirken Epoxy-Systeme von BASF entgegen, so unter anderem das Zweikomponenten-System Baxxodur, der ermüdungsbeständige Vergussmörtel MasterFlow 9500, die Hightech-Beschichtung Oldodur und Relest-Lacke.

Innovatives Design

»Wir setzen für Rotorblätter keine außergewöhnlichen Materialien ein. Aus Kostengründen sind alle bei uns gefertigten Blätter aus Glasfaser-Verbundmaterial. Mit Kohlefasern ließe sich Gewicht sparen, aber die Mehrkosten sind das Problem. Die Innovation in unseren Rotorblättern liegt im Design«, informiert Siemens-Gamesa. So werden mit der ­»Aeroelastic Tailored Blade«-Technologie flexible Rotorblätter hergestellt, die sich den jeweiligen Windverhältnissen anpassen. Dadurch sind längere Flügel möglich, die bei gleicher Lebensdauer mehr Strom produzieren. Weitere wichtige Innovationen in der Rotorblatt-Technologie: Integral­Blade, Quantum Blade sowie das Hybrid-Carbon-Blatt. Beim IntegralBlade-Verfahren werden die Blätter in einem Stück gegossen, um Schwachstellen an Klebeverbindungen zu eliminieren. Quantum-Rotorblätter weisen ein deutlich geringeres Gewicht auf.

Bild oben: In den 80e-Jahren wiesen die ersten Windturbinen einen Rotordurchmesser von 15 Metern auf. Die größten Onshore-Rotoren erreichen 150 m, die größten Offshore Rotoren 180 m.

Hybrid-Carbon ist weniger anfällig für Fertigungsmängel und zudem mit dem Hybrid-Blitzschutzsystem ausgestattet. Das Power-Curve-Upgrade-Paket mit den Elementen DinoTails, Dino­Shells und Vortexgeneratoren bietet noch mehr Effizienz der WKA. Der Forschungsverbund Windenergie  hat im Rahmen des Projekts Smart Blades ein Design für Rotorblätter entwickelt, so dass durch eine Biegetorsions-Kopplung die Blättern in der Lage sind, auf Schwankungen der Windstärke besser zu reagieren. Damit können die Lasten reduziert, der Rotor bei vergleichbaren Lasten vergrößert und der Anlagenertrag erhöht werden. Im Folgeprojekt SmartBlades2 wird nun das Konzept zusammen mit Industriepartnern an Prototypen-Blättern experimentell im Prüfstand sowie an einer Forschungs-Windenergieanlage getestet.

Innovatives Material

Ein Demonstrationsobjekt für Versuche in der breiten Fläche bräuchte auch das Kompetenzzentrum Holz. Beim Projekt »Green2Green« wurde ein umweltfreundlicher Leichtbauwerkstoff aus Hanfpflanzen entwickelt. »Gewebtes Hanfgarn ersetzt Kohlenstoff- bzw. Glasfasern, Hanfsamenöl wurde in biobasiertes Epoxidharz umgewandelt«, erklärt Projektleiter Günter Wuzella. »Wir haben 1,75 m lange Rotorblätter auf mehrere Laststufen bis zum Bruch getestet und mit der geforderten Festigkeit verglichen.« Tests bestätigen die ausreichende Stabilität für eine Klein-Windkraftanlage. »An nachwachsenden Rohstoffen für die Rotorblattfertigung wird intensiv geforscht«, berichtet Johannes Lux, Leiter der ARGE WEA, der Arbeitsgemeinschaft zur Überprüfung von Windenergieanlagen.

Die Windkraftbranche steht neuen Materialien grundsätzlich offen gegenüber. Enercon arbeitet im Sandwich bereits Balsaholz zwischen den Laminaten ein. Michael Dahl von Energie Burgenland: »Wir würden nachwachsende Rohstoffe sehr begrüßen. Es muss aber nachgewiesen sein, dass das Blatt der Torsion über die Lebensdauer von 20, 25 Jahren standhält.« Experimentierfreudig zeigt sich auch Frank Dumeier, Vorstandsvorsitzender der WEB Windenergie: »Grundsätzlich stehen wir nachwachsenden Faserverbundmaterialien offen gegenüber, sie müssen aber zertifiziert sein.«

Der Hersteller muss eine zwanzigjährige Betriebsgarantie übernehmen. Neue Werkstoffe sind auch ein Forschungsschwerpunkt am IWES. »Es geht um gezielte Verbesserung in Richtung der Prozess-  beziehungsweise der mechanischen Eigenschaften«, informiert Florian Sayer. Beispiele für Werkstoffinnovationen sind neuartige Kernwerkstoffe, Klebstoffsysteme Textilien, Faser-Metall-Hybridlaminate oder Nano-Composite. Allerdings rechnet Florian Sayer aufgrund der herausragenden  preisspezifischen Eigenschaften mit keiner schnellen Ablösung der dominierenden Rolle von Glasfasern im Rotorblattmarkt.

Recycling

Recycling ist ein haariges Thema bei Windradflügeln. Trotz vieler Bemühungen existieren erst Ansätze für eine umweltfreundliche Entsorgung. Neocomp heißt das Verfahren von Zajons Logistik und Holcim. Klein geshredderte Rotorblätter werden als Substitut für Brennstoff verwendet. Das Siliziumdioxid, das als fester Rückstand bei der Verbrennung übrigbleibt, kann auch als Bestandteil von Zementklinker genutzt werden. Die Trennung der GFK-Abfälle ist möglich, Verwertungsverfahren sind verfügbar, allerdings ist der Vorgang aufwendig und kostenintensiv. Die einzelnen Komponenten haben nur einen geringen Marktwert, was wirtschaftliches Recycling erschwert.