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Innovative Materialien + intelligentes Design: die Formel für effiziente, wirtschaftliche Windkraft

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Obwohl die Windenergie als saubere Energiequelle erhebliche Vorteile bietet, ist ihre flächendeckende Einführung noch mit Problemen verbunden, weil der Kostenfaktor hoch und die Energieausbeute recht niedrig ist. Wir helfen, diese Probleme zu lösen, indem wir Polyurethanwerkstoffe entwickeln, mit denen die Turbinenschaufeln leichter und größer gemacht und die Energieerträge erhöht werden können. Da wir die Welt etwas besser machen wollen, beweisen wir gern mit Hilfe unserer Materialien, dass die Windenergie als Energiequelle noch viel konkurrenzfähiger werden kann, als sie es heute ist.

Mit unseren Partnern geben wir der Windenergie neue Impulse.

Zusammenarbeit ist über die ganze Wertschöpfungskette im Windenergiebereich enorm wichtig, um zu erreichen, dass Windenergie im Vergleich mit herkömmlichen Energiequellen wettbewerbsfähiger wird. Deshalb hat sich Covestro mit WINDnovation zusammengetan, einem führenden Entwickler von Rotorblättern für Multimegawatt-Windkraftanlagen, um festzustellen, ob es Sinn macht, Polyurethan als Schichtstoffmatrix in Turbinenschaufeln einzusetzen. Gemeinsam haben wir eine Studie durchgeführt, um herauszufinden, ob diese Materialien auch für Anwendungen geeignet sind, bei denen die Schaufeldrehgeschwindigkeit und der Ertrag höher sein müssen, um die Wirtschaftlichkeit der Windkrafterzeugung zu steigern.

Diese Studie hatte zwei Schwerpunktbereiche:

  • die Entwicklung leichterer Schaufeln, die weniger Rohstoffe ‚verschlingen‘ und zu einer höheren Produktleistung führen, und
  • die Verringerung der Fertigungsdauer dank einer kürzeren Tränkungs- und Härtungsphase mit einer einhergehenden Senkung des Energieverbrauchs.

Diese Verbesserungen können zu einer Senkung der nivellierten Energiekosten (lower levelized cost of energy, kurz LOCE) führen – einem Messwert für Energiequellen, der den Vergleich von verschiedenen Methoden der Energieerzeugung auf einer konstanten Basis erlaubt. Wenn die Fertigungskosten von Schaufeln um 10 bis 15 Prozent sinken würden, wenn sich das Schaufelgewicht verringern würde, und wenn eine gleichbleibende Leistung mit einer höheren Schaufellänge verbunden werden würde, könnten die Kosten (als LOCE ausgedrückt) weiter gesenkt werden.

Moderne Materialien für zukunftsweisende Windturbinenschaufeln

Da die Windkraftindustrie immer längere Rotorblätter einsetzt, werden neue Materialien gebraucht, um den veränderten Konstruktionsanforderungen Rechnung zu tragen. Zu diesen neuen Produkten gehört ein innovativer Polyurethan-Infusionsharz von Covestro, der gegenüber herkömmlichen Glas-/Epoxid-Laminaten mehrere Vorteile hat.

Der neue Polyurethanharz ermöglicht beispielsweise eine Verkürzung der Tränkungs- und Härtungsphase bei der Herstellung der sehr großen Faserverbundstoffe, die zur Formung der Blätter verwendet werden. Da die Anfangsviskosität des Polyurethanharzes erheblich geringer ist als die des Epoxidharzes, kann der Tränkungsprozess bei der Rotorblattherstellung stark verkürzt werden. Dank seiner geringeren Anfangsviskosität verfügt der PUR-Harz auch über eine bessere Durchflusscharakteristik als das Epoxidharz, was die Tränkungsgeschwindigkeit ebenfalls erhöhen kann.

Das Härtungsverhalten von Polyurethanharz bietet weitere Vorteile und führt dazu, dass fast der gesamte Härtungsprozess in weniger als vier Stunden durchlaufen werden kann. Die Vorhärtungszeit kann sogar noch kürzer sein, wodurch möglicherweise wertvolle Verarbeitungszeit gespart wird und die Fertigungskapazitäten besser genutzt werden können.

Polyurethanharz macht einen großen Unterschied

Im Rahmen einer Benchmarkstudie von WINDnovation wurden mehrere Rotorblatteigenschaften überprüft, um den Einsatz von Polyurethanharz zu analysieren und herauszufinden, wie man das Blattdesign verbessern kann, indem man die Eigenschaften von Polyurethanen gewinnbringend nutzt.  

Die Studie basierte auf zwei Szenarien der Entwicklung von Rotorblättern:                                                                                                                

  • einer einfachen Ersetzung des Epoxidharzes durch Polyurethanharz ohne irgendeine Form der Optimierung und
  • einem polyurethanoptimierten Design zur Nutzung der Vorteile, die Polyurethan aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften bietet.

Aus den Berechnungen ging hervor, dass eine einfache Ersetzung von Epoxidharz durch Polyurethanharz in einem 1:1-Szenario das Gewicht der Blätter geringfügig um 1,1 Prozent verringert. Demgegenüber verbesserten sich die Werte im Hinblick auf den Zwischenfaserbruch (interfiber failure), einen kritischen Messwert für Mängel bei der Rotorblattkonstruktion, und die Biegungssicherheitsmargen erheblich.

Bei der polyurethanoptimierten Konstruktion wurde die Rotorblattstruktur nach Maßgabe der neuen Festigkeitseigenschaften des Materials verändert. Dabei wurde die Anzahl von Schichten im Holmgurtbereich des Blatts verringert und die Anzahl von Schichten am Fuß des Blattes angepasst. Durch die Verringerung der Schichtzahl kann der Tränkungsprozess verkürzt und erleichtert werden.

Bei der polyurethanoptimierten Blattkonstruktion verringerte sich darüber hinaus das Gewicht der Schaufel erheblich: um 5 Prozent. Diese Masseverringerung führt zu einer Reduktion der Ermüdungsbelastung, vor allem bei großen Windkraftanlagen. Das ermöglicht es Rotorblattentwicklern von WINDnovation und anderen Unternehmen, nicht nur die Masse der Schaufel weiter zu verringern, sondern auch im Verhältnis dazu die Masse anderer Windturbinenteile (vor allem der Nabe).

 

Auch wenn die Windkraft eine brauchbare Alternative zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen ist, müssen noch größere Effizienzen erreicht werden, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen. An der Seite von Branchenexperten wie WINDnovation zeigen wir, dass es möglich ist, diese Hindernisse zu überwinden – durch einen kurzen, kosteneffizienten Fertigungsprozess, der bewirkt, dass die Schaufeln leichter und länger werden und zu einer höheren Windenergieausbeute führen. Dieser frische Wind für die Windkraft ist ein wichtiger Impuls im Bemühen, diese nachhaltigere Energiequelle in größerem Umfang zu nutzen.

Dirk Soontjens

Globaler Programmleiter Wind, Covestro

  • PUR-Harz verbessert die Herstellung von Windturbinenschaufeln durch eine Verkürzung der Tränkungs- und Härtungsphasen
  • Durch eine schnellere, effizientere Produktion sinken die Produktionskosten
  • Der Einsatz von PUR-Harz ermöglicht die Herstellung von leichteren, längeren und stärkeren Rotorblättern mit einer höheren Energieausbeute

Downloads

Wind_Baydur Desmodur_ Fortschrittliches polyurethanharz für die rotorblätter von windkraftanlagen_Whitepaper_DE

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