Windkraftanlagen: Wie Rotorblätter länger gebraucht und repariert werden

Nach dem Windenergieboom der Jahrtausendwende erreichen die auf eine Lebensdauer von 20 Jahren ausgelegten Windturbinen und Rotorblätter ihr Lebensende, und damit auch jährlich zehntausende Tonnen Verbundmaterialien. Ein Team des Fraunhofer Instituts weiss, Rotorblätter künftig länger in Gebrauch bleiben.

Quelle: Wolfgang Weiser, Unsplash

Je nachdem, wo eine Windturbine steht, leiden die Rotorblätter mehr oder weniger unter Witterungseinflüssen. Im Bild: Windturbinen in Hvide Sande, Dänemark.

Rotorblätter von Windkraftanlagen, wie sie heute üblich sind,  werden nahezu ausschliesslich in einer zweischaligen Bauweise gefertigt. Zuerst werden zwei separate Halbschalen, die später zur geschlossenen Blattstruktur miteinander verklebt werden. Diese Konstruktionsweise ermöglicht Blattlängen von weit über 80 Metern und lässt sich gut mit Faserverbundwerkstoffen umsetzen. Gefertigt werden sie in sehr grossen, beheizten Negativformen, die jeweils eine Halbschale abbilden. In diese Formen werden Glasfaser- und teilweise Carbonfasergelege in mehreren Lagen eingelegt - meist vollständig von Hand. Auch das Kernmaterial der Sandwichstruktur wird manuell positioniert, bevor weitere Faserlagen folgen. 

Danach wird der trockene Faseraufbau unter Vakuum mit Epoxid- oder Polyesterharz infiltriert, gehärtet und aus der Form genommen. Nach umfangreicher Nacharbeiten werden in einer der Schalen Stege beziehungsweise Holme eingesetzt, die beiden Halbschalen exakt ausgerichtet und grossflächig verklebt. Dieser Prozess ist sehr arbeitsintensiv, insbesondere bei der Faserablage, der Kernplatzierung und dem abschliessenden Finish. Eine vollständige Automatisierung ist wegen der extremen Bauteilgrösse und der  komplexen Geometrie bis anhin nur begrenzt möglich. Entsprechend findet die Produktion überwiegend in Ländern mit tiefen Lohnkosten statt. Ein wichtiger Faktor für die Lebensdauer eines Rotorblatts ist die Vorderkante: Sie ist Wind, Staub und Regen ausgesetzt und verschleisst je nach Standort als erstes. Kann die Vorderkante nicht als Modul getauscht werden, lässt sich das gesamte Rotorblatt nicht mehr verwenden. 

Hier setzten Justus von Freeden vom Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) Wolfsburg und seine Partner im Rahmen des EU-Projekts Recreate an: Der Aufbau des Forschungsrotorblatts ist modular: An ihrem Demonstrator sind an einem durchgehenden, tragenden Holm sind alle weiteren Komponenten angeklebt, die Vorderkante aus Thermoplast und Naturfasern kann dank einer lösbaren Klebeverbindung ausgewechselt werden. 

Verschleisst die Vorderkante verringert sich der Wirkungsgrad des Rotorblattes

Quelle: RES-T

Aufbau des Forschungsrotorblatts: Pultrudierter Holm (Spar); die Rippen (Rips) bestehen aus Material, das die Forschenden aus einem ausgedienten Rotorblatt herausgeschnitten haben, als Beispiel für die zumindest teilweise Weiterverwendbarkeit von End-of-Life-Material.

Mit steigendem Verschleiss der Vorderkante verschlechtert sich das Strömungsverhalten und der Wirkungsgrad sinkt. Bei einem rechtzeitigen Tausch kann somit auch der Wirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage über einen langen Betriebszeitraum gesichert werden.

Doch das Design (for Manufacturing) des auf der IFAT München (Fachmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft)  präsentierten Demonstrators verfolgt noch ein weiteres Ziel: In Zukunft sollen Rotorblätter und damit Kernbestandteile von Windkraftanlagen dank eines hohen Automatisierungsanteils auch wieder in Europa wirtschaftlich hergestellt werden können. Einen Beitrag dazu leistet ein schon länger bekanntes Verfahren: die Pultrusion. Dabei werden Endlosfasern durch ein Harzbad gezogen, in einer beheizten Düse gehärtet und zu Profilen geformt. Beispielsweise könnte der Holm als Endlosprofil gezogen und in der benötigten Länge abgeschnitten werden. Für die Vorderkante könnten Organobleche, also faserverstärktes Verbundwerkstoff-Halbzeuge aus Endlosfasern, die in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet sind, erwärmt und in einem hochautomatisierten Prozess umgeformt werden.

Naturfaserverstärkte Thermoplaste (NRFTP) wie sie für das Forschungsrotorblatt verwendet worden sind, eignen sich für R‑Strategien (Reuse, Repair, Refurbish, Remanufacture, Recycle) besser als glasfaserverstärkte Thermoplaste. Dies, weil sie sich über mehrere Nutzungs , Reparatur und Recyclingstufen robuster verhalten und weniger kritische Schadensmechanismen aufweisen. Naturfaser Thermoplaste ermöglichen somit eine wesentlich bessere Integration in Design for Circularity Konzepte und praxisnahe Kreislaufstrategien. Dies gilt insbesondere für mechanisches Recycling. Dabei werden Bauteile am Lebensende zerkleinert, aufgeschmolzen und erneut zu Compounds oder Halbzeugen verarbeitet. Im Vergleich zu glasfaserverstärkten Thermoplasten tolerieren NFRTP die in diesem Zuge unvermeidliche Faserverkürzung besser, weil Naturfasern schrittweise ihre Verstärkungswirkung verlieren und nicht abrupt von «Verstärkung» zu reinem Störstoff degradieren. (mgt/mai)

Den Originalartikel auf www.iwu.fraunhofer.de lesen.