Mit neuen Blatt-Ideen immer hart am Wind

Technik

Forschung - Wie können Rotorblätter von Windenergieanlagen Strom in Zukunft noch effizienter produzieren – sowohl in den windstarken Offshore-Gebieten als auch in windschwächeren Regionen im Binnenland? Eine Lösung hierfür könnten intelligente Rotorblätter, sogenannte Smart Blades, sein. Forscher untersuchten das Potenzial.

07. September 2016

Das Rotorblatt einer Windenergieanlage ist inzwischen bis zu 85m lang, die Anlagen reichen in Höhen von über 200m. Das bedeutet, dass Rotorblätter aufgrund der ungleichmäßigen Windverteilung in Bodennähe und im oberen Teil der Anlage einer stark schwankenden Last ausgesetzt sind.

Das Material des Rotorblattes sowie der lastübertragenden Komponenten ist dadurch hohen Belastungen ausgesetzt, zudem ist es eine große Herausforderung, die Anlagen optimal zu regeln. Vor allem bei stark böigem Wind kann die Windlast so groß sein, dass Betreiber ihre Anlagen abschalten müssen, um Schäden zu vermeiden. Wirtschaftlich ist das von Nachteil, denn starker Wind sorgt für besonders gute Stromerträge.

Ideal wären daher Rotorblätter, die ihre Geometrie an die lokalen Windeinwirkungen anpassen können: Smart Blades. Im Forschungsverbund Windenergie (FVWE) wurden im Projekt ›Smart Blade‹ die Wirkungen, Potenziale und konkrete Realisierungsoptionen dieser Technologien untersucht. Der 2013 gegründete Verbund bündelt das Know-how von rund 600 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. 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.

Smart Blades arbeiten mit aktiven oder passiven Technologien, mit denen sich einzelne Rotorblätter auf die jeweiligen Windgegebenheiten einstellen können. Verdreht sich etwa ein Rotorblatt bei starkem Wind und bietet so dem Wind weniger Angriffsfläche, sprechen die Wissenschaftler von einer Biege-Torsionskopplung.

Passive Technologien

Da diese Verformungen alleine durch die Kräfte des Windes hervorgerufen werden, handelt es sich um sogenannte passive Mechanismen. Zwei verschiedene Ansätze bewirken diesen Effekt: Zum einen untersuchten die Wissenschaftler eine sichelförmige Blattstruktur. Zum anderen galt das Augenmerk einer speziellen Bauweise.

Bei diesem zweiten Ansatz werden die Glasfasern, mit denen das Rotorblatt gebaut wird, so gelegt, dass es sich bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten verdreht und den Anstellwinkel somit an die gegebenen Windverhältnisse anpasst. Durch diese Mechanismen können zukünftige Rotorblätter weniger massiv und damit leichter sowie kostengünstiger gebaut und die Stromausbeute von Windenergieanlagen verbessert werden.

Aktive Steuerung

Einen anderen großen Part bilden die aktiven Mechanismen, die die Hinterkanten eines Rotorblattes verändern. So können Anlagenbetreiber die aerodynamischen Belastungen an einem Rotorblatt gezielt steuern. Hierzu schauten sich die Wissenschaftler eine Praxis aus der Luftfahrt ab und orientieren sich an den Klappen der Tragflächen von Flugzeugen.

Mit Erfolg: Sowohl flexibel bewegliche Hinterkanten als auch starre Hinterkantenklappen vermindern effektiv die Last am Rotorblatt. Aufgrund des Wartungsaufwandes, der bei den starren Hinterkantenklappen durch die Verschmutzung der beweglichen Teile um einiges höher ist, konzentrieren sich die Wissenschaftler zukünftig mehr auf die flexiblen Hinterkanten.

Außerdem untersuchten die Forscher, ob ein beweglicher Vorflügel an einem Rotorblatt die Effizienz von Windenergieanlagen unter stark schwankenden turbulenten Windbedingungen verbessern kann. Dieser Mechanismus erlaubt, ein Rotorblatt in einem großen Windgeschwindigkeitsbereich optimal zu nutzen. Der Vorteil liegt in der Reaktionsgeschwindigkeit der Bewegung des Vorflügels, die eine schnelle Beeinflussung der wirkenden aerodynamischen Kräfte bei turbulenten Einströmbedingungen ermöglicht.

Das Konzept des beweglichen Vorflügels wurde während des Projekts im Windkanal getestet und lieferte vielversprechende Ergebnisse. So konnte durch Messungen eindeutig gezeigt werden, dass die unterschiedlich große Windlast mit solchen Vorflügeln gezielt gedämpft oder verstärkt werden kann.

Simulationen zur Wirtschaftlichkeit

Die Forscher haben auch die Wirtschaftlichkeit der aus dem Projekt hervorgegangenen neuen Entwicklungen bewertet. In Simulationen haben sie alle Mechanismen mit einer State-of-the-Art-Referenzanlage mit einem 80m langen Rotorblatt verglichen. Das Ergebnis: Alle untersuchten Technologien besitzen ein signifikantes Potenzial, um Rotorblätter zu optimieren.

Wie groß diese Potenziale sind, soll in den kommenden Projekten untersucht werden, damit industrielle Hersteller wirtschaftliche Vorteile bei der Verwertung erzielen können. Einzelne Maßnahmen können durchaus Effekte im mittleren einstelligen Prozentbereich zeigen.

Wie geht es weiter?

Mit dem Projekt ›Smart Blade‹ wurde eines der ersten großen Forschungsprojekte des FVWE im Februar 2016 abgeschlossen. Die in der gesamten Kette von Entwurfs- bis zu Produktionsaspekten durchgeführten Untersuchungen sind nun der Ausgangspunkt für vielfältige weitere Forschungsarbeiten. In einem nächsten Schritt möchten die Wissenschaftler ihre Ergebnisse unter realen Einsatz- und Umweltbedingungen testen. Dabei werden auch alle typischen Komponenten der Windräder, wie das Pitch-System, die Rotorblätter und -lager, die Steuer-, Regel- und Schutzeinrichtung, der Blitzschutz und die Gesamtsteuerung berücksichtigt.

Hierdurch kann das real ausschöpfbare Potenzial der neuen Technologien zuverlässiger bewertet werden. Darüber hinaus werden besondere Details wie etwa die strukturelle Biege-Torsionskopplung und das aeroelastische Stabilitätsverhalten solcher großen Rotorblätter vertieft weiter analysiert.

Die unterschiedlichen Schritte von Entwicklung, Tests und Fertigung können durch die enge Vernetzung der Forscher – nicht zuletzt auch durch ihre räumliche Nähe in Niedersachsen und Bremen – schnell und effizient durchgeführt werden. Die Forscher können so die an den Schnittstellen oft auftretenden Probleme und Zeitverzögerungen minimieren und durch interdisziplinäre Arbeiten optimal Lösungen für eine industriell attraktive Produktionsreife finden.

Bei allen Forschungsaktivitäten bleibt derzeit noch die Frage offen, ob der gewonnene Nutzen den Aufwand, der durch die höhere Komplexität entsteht, kompensieren kann. Mehr Volllaststunden, höhere Lebenserwartung, minimale Lärmauswirkungen, geringe Produktions- und Wartungskosten, das alles sind Kriterien, an denen sich die Entwicklungen im Weiteren messen lassen müssen. Letztendlich handelt es sich also um eine komplexe Mehrzieloptimierung, die den individuellen Belangen und Einsatzbedingungen im realen Einzelfall angepasst werden muss.

Dr. Jan Teßmer (DLR)

Erschienen in Ausgabe: 07/2016