Wie Windflügel den Kräften der Natur trotzen

21.04.2010 | Ludwigshafen
Als umweltfreundliche Energiequelle ist die Windenergie auf dem Vormarsch. Dabei verhelfen immer größere Rotorblätter modernen Windkraftanlagen zu immer höherer Leistung. Die Belastungen, denen so ein Rotorblatt in 90 Metern Höhe ausgesetzt ist, sind enorm: Bei Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 300 Kilometern pro Stunde wirken große Kräfte auf die Blattspitzen, die sich dabei um mehr als einen Meter biegen können.

Zusätzlich zehren Witterungseinflüsse wie Schnee, Regen, Hitze und UV-Strahlung an den Flügeln. Mit innovativen Epoxy-Systemen für hoch belastbare, faserverstärkte Bauteile und Beschichtungen für die Windflügel unterstützt BASF die Hersteller dieser Giganten. Die Langlebigkeit der Anlagen ist ein entscheidender Faktor zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Windkraft als klimafreundlicher Energiequelle.

Die Nutzung der Windkraft ist eine Herausforderung für Technik und Material und stellt höchste Anforderungen an die verwendeten Materialien. Damit die Rotorblätter Betriebszeiten von 20 Jahren überstehen, müssen sie sehr stabil und witterungs­beständig sein. Moderne Windflügel bestehen aus Glas- oder Kohlefasermatten, die mit Epoxy-Systemen verklebt werden und so ihre Festigkeit erhalten (siehe Info­kasten). "Das funktioniert im Prinzip wie bei einem Zweikomponenten-Kleber. Die erste Komponente bilden künstlich hergestellte Harze und die zweite ist der Härter. Wenn sie vermischt werden, vernetzen sie miteinander", erläutert Dr. Gregor Daun, Leiter des BASF-Teams zur Entwicklung und Vermarktung von Epoxy-Systemen für Verbundwerkstoffe.

Diese Zweikomponenten-Systeme aus Epoxidharzen und Härtern vermarktet die BASF unter dem Namen Baxxodur â . Der Herstellprozess großer Rotorblätter lässt sich mit ihrer Hilfe deutlich beschleunigen. Damit die Werkzeugformen für die Blätter vollständig und schnell gefüllt werden, reagiert der Härter zunächst langsam. Wenn er nach dem Befüllen der Form erwärmt wird, beschleunigt sich dann das Aushär­tungs­tempo. Damit wird die Form schneller für die Fertigung des nächsten Flügels frei. Auf diese Weise können die Hersteller von Rotorblättern das Tempo bei diesem Fertigungsschritt um bis zu 30 Prozent steigern. Durch die Zeitersparnis sinken die Herstellungskosten bei einer gleichzeitig höheren Produktionsmenge, sodass die Stromerzeugung durch Windkraft kostengünstiger und noch wirtschaftlicher wird. Das innovative System haben Zertifizierungsstellen für Windenergieanlagen, wie die weltweit führende Gesellschaft Germanische Lloyd AG, zugelassen.

Neben der technischen Konstruktion der Rotorblätter spielt es eine große Rolle, wie widerstandsfähig ihre Beschichtung gegen Umwelteinflüsse ist. "Stellen Sie sich ein Auto vor, das ununterbrochen mit 200 Kilometern pro Stunde durch Regen fährt: Nach wenigen Monaten dürften Schäden auftreten. Ein Rotorblatt sollte bei noch härteren Bedingungen zwischen zehn und 20 Jahre durchhalten - ohne Schaden zu nehmen", sagt Dr. Harald Müller, Entwicklungsleiter für Industrielacke bei der Relius Coatings GmbH. Die bei dem Tochterunternehmen der BASF entwickelten Spezial­beschichtungen verhalten sich flexibel, minimieren dadurch die Gefahr von Spannungs­rissen und platzen beim Biegen der Blätter nicht ab. Die Spitzen eines Rotorblattes können immerhin mehr als einen Meter hin- und herschwingen.

"Die High-Tech-Beschichtungen basieren auf dem Spezialkunststoff Polyurethan. Sie sind sehr abriebbeständig, widerstehen der UV-Strahlung und sind lösemittel­frei", zählt Müller die Vorzüge auf. Die eingesetzten Lacke sind matt, um Reflexionen der Sonnenstrahlung auf den Rotorblättern zu verhindern, die zum Beispiel den Flugverkehr stören könnten. Die unter dem Namen Oldodur angebotenen Beschich­tungssysteme bestehen aus mehreren Produkten wie Gelcoat, Spachtelmasse, Kantenschutz und Decklack. Mittlerweile drehen sich über 25.000 Blätter mit Relius-Beschichtungen im Wind und trotzen über Jahre hinweg den Kräften der Natur.

Die Perspektive

Die Windenergie setzt ihre weltweite Erfolgsgeschichte ungebrochen fort. Ende 2008 waren nach Angaben der World Wind Energy Association (WWEA) rund um den Globus Anlagen mit einer Gesamtleistung von 120 Gigawatt (GW) installiert. Dieses entspricht einem Zuwachs von nahezu 30 Prozent gegenüber dem Vorjahr. Die installierten Anlagen deckten dabei rund 1,5 Prozent des weltweiten Stromver­brauchs. Schätzungen der WWEA zufolge, könnte die Windenergie im Jahr 2020 mindestens zwölf Prozent des globalen Stromverbrauchs abdecken. Bis dahin sinken die Kosten durch technologische Fortschritte voraussichtlich noch weiter, sodass neben die ökologischen Vorteile auch ökonomische Wettbewerbsfähigkeit tritt und die Windkraft im Energiemix mit anderen Energiequellen einen nachhaltigen Beitrag zur Energieversorgung in Deutschland und der Welt leisten kann.

Derzeit beherrschen zwei Trends die Entwicklung der Windenergie: Einerseits werden die Anlagen immer größer, um höhere Leistungen zu erzielen und anderer­seits zieht die Windkraft auf das Meer. Erste Anlagen mit einer Nennleistung von fünf bis sechs Megawatt (MW) Strom pro Stunde sind bereits auf dem Markt. Die Dimensionen sind dabei gigantisch: Rotordurchmesser von rund 127 Metern und Blattlängen von über 60 Metern. Ein Ende ist noch nicht abzusehen: Es gibt Konzepte für 70-Meter-Blätter und Prüfstände für Blätter bis 90 Meter. Die Rotor­blätter werden immer größer, weil ein doppelt so langes Blatt eine viermal so große Fläche überstreicht und der Windströmung viermal so viel Energie entnehmen kann. Als Ziel für das Jahr 2020 gelten Anlagen mit einer Nennleistung von 20 MW. Genau diese Vision verfolgt auch das europäische Projekt "UpWind", das im Jahr 2006 gestartet wurde und noch bis zum Jahr 2011 läuft. "UpWind" ist das wichtigste Projekt der europäischen Forschungszusammenarbeit auf dem Gebiet der Windturbinenentwicklung. Ziel ist es, die Konkurrenzfähigkeit der Windkraft gegenüber anderen Energieträgern weiter zu erhöhen. Hierzu sollen bestehende Technologien weiterentwickelt sowie innovative technische Möglichkeiten und Entwurfsmethoden untersucht werden. Die neuen Riesen sind insbesondere für die Aufstellung in Windparks auf See gedacht, weil hier der Wind stärker und gleichmäßiger weht.

Der Infokasten

Wie entstehen die Blätter von Windrädern?

Die Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen ist aufwendig: Die größten und modernsten Flügel bestehen aus verklebten Glas- und Kohlefasermatten, in die unter Vakuum Epoxidharz injiziert wird. Die Hightech-Bauweise sorgt für die benötigte außergewöhnliche Stabilität und Flexibilität, hält die Flügel aber gleich­zeitig dünn und leicht.

Das Vakuuminfusionsverfahren in sogenannter Sandwichbauweise ist inzwischen eine verbreitete Herstellungsmethode von Rotorblättern. Das Prinzip der Blätterfertigung funktioniert so: Zunächst wird die aus zwei beheizbaren Halbschalen bestehende Werkzeugform mit Trennmittel beaufschlagt. Dann wird die Schale mit Glasfasermatten und anderem Verstärkungsmaterial ausgelegt. Anschließend werden spezielle Schläuche eingelegt, aus denen dann die Mischung aus Epoxidharz, Härtern und Additiven fließen soll. Darauf folgt eine Kunststofffolie, die das Ganze luftdicht verschließt. Im nächsten Schritt wird alle Luft zwischen Werkzeug und Folie herausgezogen. Das so entstehende Vakuum saugt die flüssige Harz- und Härtermischung durch die Schläuche ins Werkzeug und tränkt das Verstärkungsmaterial. Vorteil dieses Verfahrens ist die gleichmäßige Tränkung der Fasern und somit die hohe Qualität der produzierten Bauteile sowie deren Reproduzierbarkeit. Anschließend werden die Rotorblatthälften bei etwa 70 Grad Celsius gehärtet. Danach folgt die sogenannte Hochzeit der beiden Bauteile: das Verkleben beider Blatthälften. Vor der mehrstufigen Lackierung, der Beschichtung, wird die Blattoberfläche zum Entfernen der Trennmittel geschliffen.

Ein Gelcoat, der im ersten Schritt auf das Rotorblatt aufgetragen wird, schützt es

vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und Licht. Kleine Unebenheiten auf der Oberfläche gleicht die Spachtelmasse aus. Vor Verschleiß schützender Kantenschutz sowie Decklack kommen bei der Lackierung der Flügel zuletzt zum Einsatz.

Quelle: Pressemeldung BASF SE

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