Fakt ist: Ohne leistungsfähige Rotorblätter können Windkraftanlagen ihre wichtige Rolle bei der Versorgung mit erneuerbaren Energien nicht erfüllen. Wind zählt neben Sonne, Wasser und Geothermie zu den zukunftsweisenden regenerativen Energiequellen. Doch um die gesteckten Klimaziele zu erreichen, müssen sowohl Dimensionierung als auch Leistungsfähigkeit der Windkraftanlagen deutlich gesteigert werden. Welche bedeutende Rolle Nanotechnologie bei Letzterem spielt, schlüsseln wir in diesem Beitrag für Sie auf.

Spitzenreiter Windkraft

Der Klimawandel und die Energiekrise durch Abhängigkeit von Gas- und Öllieferanten verdeutlichen mehr denn je, wie wichtig es ist, von fossilen Energiequellen Abstand zu nehmen. Die Bundesregierung intensiviert gerade ihre Anstrengungen, um unsere Versorgung grundlegend klimaverträglicher und vor allen Dingen autark zu gestalten. Im Bereich der Stromversorgung ist Deutschland hier bereits auf einem guten Weg. 2020 lag die Erzeugung aus erneuerbaren Energieträgern bei rund 46 %. In der Gruppe der „grünen“ Quellen nimmt die Windenergie ohnehin einen Spitzenplatz ein.

Signifikante Fortschritte in der Optimierung von Bauteilen und bei der Herstellung von Windkraftanlagen sind folglich die Gebote der Stunde. Einer der ausschlaggebenden Faktoren für die Ertragssteigerung der Windkraftanlagen sind die Rotorblätter. Je höher die Position der Gondel, desto größer können die Flügelradien und damit die Leistungen sein, die durch die Windkraft gewonnen werden. Die Rotoren sind in ihrer Funktion höchsten Belastungen ausgesetzt. Auf sie trifft die Windkraft in schwankender Stärke. Sie beeinflussen zudem die Nutzungsdauer einer Anlage.

Die Rotorblätter der Windkraftanlage setzen den Standard

Zahlreiche Forschungsinitiativen befassen sich mit der Weiterentwicklung und Optimierung der angestrebten Größenordnungen in der Windkraftbranche. Man kann sagen, mit jeder Innovation wachsen die Rotorblätter der Windkraftanlagen um ein paar Meter. Vom Bund werden dafür Fördergelder in Millionenhöhe zur Verfügung gestellt. Eines der zentralen Ziele: durch verlängerte Rotorblätter dem geforderten Wachstum erneuerbarer Energie zu genügen. Die ursprünglich vom Staat definierten Vergütungen für Strom aus Windkraft sind inzwischen durch Ausschreibungen abgelöst.

Bei der Entwicklung innovativer Anlagenkonzepte muss aber die nötige Dynamik beim Ausbau aufrecht erhalten bleiben. Dazu gibt es Angebote von verschiedenen Instituten wie auch des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme, dass die Einführung von Neuentwicklungen oder Modifikationen per Testung unterstützt. Auf diese Weise können Entwicklungsrisiken auf ein Minimum reduziert werden. Darüber hinaus werden virtuelle Tests in zunehmendem Maße dazu beitragen, die Kosten im Rahmen zu halten.

Leichtbau-Meisterwerke aus Verbundwerkstoffen

Die Materialwissenschaft ist also gefragt, den hohen Ansprüchen an Windenergieanlagen nachzukommen. Die Rotorblätter der Windkraftanlage sind Werkstoffverbünde im wahrsten Sinne des Wortes. Die meisten der derzeit in Betrieb stehenden Windkraftanlagen bestehen zu einem guten Teil aus Kunststoff-/Werkstoffkombinationen mit Glasfaserverstärkungen. Nachdem GFK hier lange als Maß der Dinge galt und meistens Hauptbestandteil ist, werden zunehmend die mit Carbonfasern verstärkten Kunststoffe (CFK) verwendet.

Doch es gibt weitere vielversprechende Ansätze. Immer dem Grundprinzip folgend, die Rotorblätter der Windkraftanlage bestmöglich zu versteifen und zu festigen, ohne sie schwerer werden zu lassen. Der Leichtbau ist ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Effizienzsteigerung eines Systems. Zudem wirkt sich das auf ein Mindestmaß reduzierte Gewicht auf die Transport- und Montagebedingungen vor Ort aus. Verschiedene Projekte befassen sich deshalb intensiv mit:

  • Nanomaterialien für die verwendeten Kleber und Harze,
  • neuartigen Hybridwerkstoffen und Gelegestrukturen,
  • Werkstoffsystemen aus Glasfaser, Carbon, Metall etc.

Aufbau und Herstellung der Rotorblätter einer Windkraftanlage sind komplex

Zur Herstellung der Rotorblätter werden, zumeist in Sandwichbauweise, mehrere Faserlagen mit Harzen verschmolzen, weitere Baumaterialien und Schäume kommen zum Einsatz. Eine denkbare Zusammensetzung für die Flügel der oft eingesetzten 3-Rotorblätter-Windkraftanlage könnte aus folgenden Werkstoffen bestehen:

  • Glasfaser
  • Epoxidharz
  • Aluminium
  • Polyamid
  • Polyethylen
  • Polyurethan (PU)-Hartschaum
  • PVC
  • Lack

Abweichungen sind je nach Hersteller möglich. Um dem Ziel, der Optimierung bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung nachzukommen, werden viele der genannten Komponenten unter Zugabe von Nanoadditiven verarbeitet. Die Verwendung von PU-Dispersionen wird zum Beispiel als eine Lösung gesehen, um auf der einen Seite die mechanischen Eigenschaften der Erzeugnisse signifikant zu verbessern, und gleichzeitig die Verarbeitung zu vereinfachen beziehungsweise zu beschleunigen.

Grundsätzlich ist die Produktion von Rotorblättern sehr zeitintensiv und anspruchsvoll. Vieles wird in manueller Arbeit erstellt, lediglich Teilschritte können automatisiert ablaufen. Deshalb befassen sich spezielle Forschungsprojekte vornehmlich mit der Herausforderung, den Anteil der Automatisierung auszubauen. Parallel wird an Neuentwicklungen im Hinblick auf die idealen Blattformen und Querschnitte gearbeitet, ein Faktor, der auch der geforderten Lärmreduzierung für eine Rotorblätter-Windkraftanlage Rechnung trägt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Lagereinheiten auf die mit den wachsenden Maßen steigenden Belastungen auszulegen.

Das Potenzial der Nanoadditive nutzen, um die Herausforderungen zu meistern

Faserverbundwerkstoffe sind die ausschlaggebenden Komponenten bei der Herstellung von Windenergieanlagen. Denn die elementare Funktion, den Wind aufzunehmen und über einen Generator in elektrische Energie umzuwandeln, kommt den Rotorblättern der Windkraftanlage zu. Getragen werden sie von Verstärkungen aus Glas oder Kohlenstoff. Faserverstärkte Kunststoffe sind bei geringem Gewicht hoch belastbar. Wind ist schließlich nicht konstant und Windräder müssen flexibel auf unterschiedliche Wettereinflüsse reagieren können.

Die Summe der angewendeten Materialien, eine ausgeklügelte Konstruktion, die Verklebung mit Harzen und die Weiterverarbeitung wirken auf die Qualität des Enderzeugnisses ein. Es gilt an den möglichen Stellschrauben zu drehen, um das optimale Verhältnis von Gewicht und Stabilität herzustellen. Glasfaserverstärkte Kunststoffe sind derzeit die am häufigsten genutzten Composites. Da sie jedoch mit den zunehmenden Abmessungen der Rotorblätter-Windkraftanlage mit ihren charakteristischen Eigenschaftsprofilen an Grenzen stoßen, sind innovative Materialkombinationen gefragt.

Mithilfe neuer Konditionen und Rezepturen müssen Lösungen gefunden werden, die jenseits der Substitution von GFK durch CFK liegen. Ein Ansatz liegt bei der Verwendung von nanoskaligen Additiven, mit denen signifikante Verbesserungen der Kunststoffmerkmale zu erzielen sind:

Nanoadditive können auf verschiedenen Grundsubstanzen basieren. Mit dem Einsatz wolframhaltiger Nanopulver beispielsweise lassen sich die genannten Eigenschaften oder auch Eigenschaftskombinationen realisieren. Nanoskalige Zusatzstoffe bringen für die Fertigungsbetriebe zudem den Vorteil, dass aufgrund ihrer Dimensionen und Aktivität – gemeint ist das Verhältnis zwischen dem Volumen und der Größe ihrer Oberfläche – in der Regel nur niedrige Füllgrade erforderlich sind, um die gewünschten Effekte zu erzeugen. Sind die Nanopartikel in sogenannte Masterbatches, sprich Nanocomposites, eingebracht, lassen sie sich unkompliziert in bestehende Produktionsprozesse einbringen. Denn das Nanomaterial steht auf diese Weise mit einer stabilen, homogenen Verteilung im Polymer zur Verfügung.

Mit Carbon Nanotubes lassen sich Vereisung und Verschmutzung verhindern

Eine Problematik, von der eine Rotorblätter-Windkraftanlage betroffen sein kann, ist die Eisbildung. In extremen Situationen geht damit eine deutliche Verminderung des Wirkungsgrades einher. Da es mit der Vereisung zur Unwucht der Rotorblätter kommen kann, werden die Windkraftanlagen in der Regel abgeschaltet, bis die Außentemperaturen wieder steigen. Deshalb sind viele Hersteller dazu übergegangen, eine Beheizung für die Flügel vorzusehen.

Forscherteams arbeiten zudem daran, der Eisbildung und ebenso der Verschmutzung der Rotorblätter von vornherein entgegenzuwirken. Dazu testen sie den Einfluss von Carbon Nanotubes in Oberflächenbeschichtungen. Darüber hinaus werden diese speziellen Nanomaterialien als Sensoren zur Messung mechanischer Belastungen gesehen. Durch das rechtzeitige Abschalten der Anlagen bei Sturm soll eine Überlastung verhindert werden.

In der Nutzung der Kohlenstoffnanoröhren für die Produktion der Rotorblätter ist ein weiterer Ansatz zur gewünschten Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig erhöhter Stabilität erkennbar. Über die Forschungsarbeit an entsprechenden Composites mit CNTs wurde unter anderem vom Umweltbundesamt berichtet. Des Weiteren haben sich verschiedene Projekte formiert, die mögliche Optimierungen in Bezug auf die Konstruktion der Rotorblätter und die zur Herstellung verwendeten Materialien untersuchen.

Im Bereich Windenergie haben Innovationen höchste Priorität

Neben dem Kernthema, der Effizienzsteigerung der Rotorblätter von Windkraftanlagen, gibt es aber noch andere Komponenten, die bei der Windenergie eine Rolle spielen – allein die Flügel können noch keinen Strom erzeugen. Ein Bauvorhaben für die Windenergie-Gewinnung ist ein aufwendiges Projekt. Es umfasst folgende Einheiten:

  • Fundament, Transformator/Netzanschluss,
  • Turm mit Aufstieg und Verkabelung,
  • Generator und Getriebe, Messinstrumente, Windrichtungsnachführung,
  • Gondel mit Nabe und Rotorblättern,
  • Bremse, gegebenenfalls Blattverstellung.

Außer der Optimierung der Windflügel gibt es auch Potential bei den anderen Bauelementen, die Effizienz zu erhöhen und zu optimieren. Um nur einige Punkte zu nennen – die Steuerung der Auslastung (bei wenig/ viel Wind) muss mit Bremsen angepasst werden und die Energie muss effizient zwischengespeichert werden können.

Windenergie als wichtiger Faktor für die Energiewende

Anlagen mit rund 160 Metern Rotordurchmesser und einer Leistung von über 6 MW gehören bereits heute zum Portfolio führender Hersteller. Die Prognose in einem vom Umweltbundesamt beauftragten Bericht geht für neue Offshore-Anlagen (2030) von Rotorblättern mit 230-Meter-Durchmessern aus. Der Hintergrund: Mit den Installationen auf See kann ca. dreimal mehr Strom erzeugt werden als mit Onshore-Windkraftanlagen. Allerdings sind auch die Kosten der Offshore-Anlagen im Vergleich zu Anlagen auf dem Festland um Einiges höher. Sie können sich aber schnell amortisieren. Das seit über 20 Jahren bestehende Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ist das Instrument, mit dem alle Maßnahmen in diesem Bereich geregelt werden. Das EEG 2021 steckt die Rahmenbedingungen für Neuanlagen neu ab und soll unter anderem dafür Sorge tragen, dass die Planungs- und Genehmigungsverfahren möglichst beschleunigt werden. Weiter geht es darum, die Akzeptanz dieser Form der Energiegewinnung zu erhöhen und mögliche Stolpersteine zu beseitigen.

Verschiedene Studien zeigen, dass zwischen 30 und 60 Tausend neue Windkraftanlagen benötigt werden, um den prognostizierten Bedarf an Strom decken zu können. Die Diskussion um die verfügbaren Flächen, die für die Erzeugung der Energie aus Wind benötigt werden, können fast täglich verfolgt werden. Fest steht, dass für die Erreichung der Klimaziele der Ausbau der Windenergie vorgetrieben werden muss.

Die Nutzung dieser erneuerbaren Energiequelle ist eine der Grundvoraussetzungen für das Gelingen der Energiewende. Doch ohne leistungsfähige Werkstoffe lassen sich die gesteckten Ziele der Effizienzsteigerung kaum erreichen. Nanomaterialien gelten deshalb auch hier zurecht als Schlüsseltechnologie, auf die der Fokus gelegt werden sollte.

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