Reparaturfähige Rotorblätter für Windenergieanlagen: Vermeidung von Umweltbelastungen durch nachhaltigen Klimaschutz
Windkraftanlagen und deren Rotorblätter sind für eine Betriebsdauer von etwa 20 Jahren ausgelegt, mit einem Austauschbedarf spätestens nach 30 Jahren. Seit Beginn des Jahrtausends hat der Ausbau von Windenergieanlagen stark zugenommen, sodass in Europa jährlich mehrere zehntausend Tonnen glasfaserverstärkter Verbundwerkstoffe das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Die Entsorgung dieser ausgedienten Rotorblätter stellt die Kreislaufwirtschaft vor erhebliche Herausforderungen, da thermische Verwertung oder das Zerkleinern zur Beimischung in Zement keine nachhaltigen Lösungen darstellen. Zudem ist die Deponierung in der Europäischen Union verboten.
Innovative Ansätze für zukünftige Windkraftanlagen
Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU entwickelt gemeinsam mit Partnern im Rahmen des EU-Projekts RECREATE neue Konzepte hinsichtlich Materialauswahl, Verbindungstechniken und Design. Ziel ist es, verschleißanfällige Bauteile austauschbar zu gestalten und Rotorblätter aus recyclingfähigen Werkstoffen herzustellen.
Herstellung und Aufbau heutiger Rotorblätter
Moderne Rotorblätter werden überwiegend in einer zweischaligen Bauweise gefertigt. Dabei entstehen zwei separate Halbschalen, die anschließend verklebt werden, um die geschlossene Blattstruktur zu bilden. Diese Bauweise ermöglicht Blattlängen von über 80 Metern und ist gut mit Faserverbundwerkstoffen umsetzbar. Die Produktion erfolgt in großen, beheizten Negativformen, in die Glas- und teilweise Carbonfasern manuell in mehreren Lagen eingelegt werden. Das Kernmaterial der Sandwichstruktur wird ebenfalls manuell positioniert, bevor weitere Faserschichten folgen. Anschließend wird das trockene Fasergewebe unter Vakuum mit Epoxid- oder Polyesterharz getränkt, gehärtet und aus der Form genommen. Nach umfangreichen Nacharbeiten werden Stege oder Holme in eine der Schalen eingesetzt, die Halbschalen präzise ausgerichtet und miteinander verklebt. Aufgrund der Größe und Komplexität der Bauteile ist eine vollständige Automatisierung bislang nur eingeschränkt möglich, weshalb die Fertigung häufig in Ländern mit niedrigeren Lohnkosten stattfindet.
Modulare Klebeverbindungen für den Austausch verschlissener Komponenten
Ein wesentlicher Verschleißpunkt ist die Vorderkante des Rotorblatts, die durch Wind, Staub und Regen stark beansprucht wird. Ist diese nicht austauschbar, muss das gesamte Rotorblatt ersetzt werden. Das Fraunhofer IWU hat deshalb ein modular aufgebautes Forschungsrotorblatt entwickelt, bei dem alle Komponenten um einen durchgehenden Holm angeordnet sind. Die Vorderkante besteht aus einem Thermoplast-Naturfaser-Verbund und ist mittels lösbarer Klebeverbindungen austauschbar.
Erhalt des Wirkungsgrads durch rechtzeitigen Austausch
Mit zunehmendem Verschleiß der Vorderkante verschlechtert sich das Strömungsverhalten, was den Wirkungsgrad der Anlage mindert. Ein rechtzeitiger Austausch der Vorderkante ermöglicht es, den Wirkungsgrad und somit die Wirtschaftlichkeit der Windkraftanlage über einen längeren Zeitraum auf hohem Niveau zu halten.
Automatisierungspotenziale durch pultrudierte Holme
Das Design des Demonstrators, der auf der IFAT vorgestellt wurde, verfolgt das Ziel, die wirtschaftliche Fertigung von Rotorblättern mit hohem Automatisierungsgrad wieder nach Europa zu verlagern. Ein bewährtes Verfahren dafür ist die Pultrusion, bei der Endlosfasern durch ein Harzbad gezogen, in einer beheizten Düse gehärtet und zu Profilen geformt werden. So könnte der Holm als durchlaufendes Profil hergestellt und auf die gewünschte Länge zugeschnitten werden. Für die Vorderkante bieten sich Organobleche an – faserverstärkte Halbzeuge aus Endlosfasern in thermoplastischer Matrix –, die in einem automatisierten Prozess umgeformt werden können.
Vorteile naturfaserverstärkter Thermoplaste für Recyclingstrategien
Im Vergleich zu glasfaserverstärkten Thermoplasten weisen naturfaserverstärkte Thermoplaste (NFRTP) eine höhere Eignung für Wiederverwendungs- und Recyclingstrategien auf. Sie zeigen über mehrere Nutzungs-, Reparatur- und Recyclingzyklen eine robustere Materialperformance und geringere Schadensanfälligkeit. Besonders im mechanischen Recycling, bei dem Bauteile zerkleinert, aufgeschmolzen und zu neuen Werkstoffen verarbeitet werden, sind NFRTP vorteilhaft, da die unvermeidliche Faserverkürzung weniger stark die Verstärkungseigenschaften beeinträchtigt.
Das EU-Projekt RECREATE
Im Rahmen des EU-Projekts RECREATE arbeiten rund 20 Partner aus Forschung und Industrie unter der Koordination des Politecnico di Milano an innovativen Recyclingtechnologien für faserverstärkte Verbundwerkstoffe. Neben dem Fraunhofer IWU und Fraunhofer WKI sind unter anderem die INVENT GmbH, RES-T und RESCOLL Applus an der Entwicklung des Demonstrators für wiederverwendbare Rotorblattstrukturen beteiligt.
Das Projekt wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 101058756 unterstützt. Weitere Partner sind unter anderem die Tampere University (Finnland), ICAM Ouest (Frankreich), University of Patras (Griechenland) sowie zahlreiche weitere europäische Forschungseinrichtungen und Unternehmen.
Kontakt für wissenschaftliche Anfragen
M.Sc. Justus von Freeden
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Telefon: +49 371 5397 1026
E-Mail: Justus.Freeden@iwu.fraunhofer.de
