Bau besserer Rotorblätter: Erneute Finanzierung unterstützt Innovationen bei Rotorblättern von Windkraftanlagen

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Durch zusätzliche Forschung kann NREL die Nachhaltigkeit und Effizienz bei der Herstellung von Rotorblättern vorantreiben

Windkraftanlagen werden immer größer, und damit auch die Turbinenblätter, die aus langlebigen Materialien gefertigt sein müssen, wenn sie 20 oder mehr Jahre lang funktionieren sollen. Und am Ende ihrer Lebensdauer ist es wichtig, dass diese Materialien langlebig sind wiederverwendet werdennicht auf einer Mülldeponie entsorgt.

Eine Gruppe von Forschern am National Renewable Energy Laboratory (NREL) stellt sich derzeit der Herausforderung, größere Turbinenschaufeln effizient und kostengünstig herzustellen, idealerweise unter Verwendung wiederverwertbarer Materialien.

A neue Finanzierungsrunde vom Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI) werden dazu beitragen, ihre Forschung in den nächsten fünf Jahren voranzutreiben. NREL ist eine von sechs Institutionen, die einen Teil von 30 Millionen US-Dollar an Forschungsmitteln von IACMI erhalten – einer Partnerschaft zwischen dem Advanced Materials & Manufacturing Technologies Office des US-Energieministeriums und der University of Tennessee Research Foundation. NREL erhält 4,1 Millionen US-Dollar für die Leitung des Bereichs Windenergietechnologie von IACMI, der sich auf die Identifizierung innovativer Verbundwerkstoffe und deren Rationalisierung konzentriert Herstellungsprozess von Rotorblättern für Windkraftanlagen.

„Unsere Hauptziele bestehen darin, die Weiterentwicklung der Technologie rund um längere, leichtere Rotorblätter voranzutreiben, die mehr Energie aufnehmen und so die Stromgestehungskosten der Windenergie senken können“, sagte er Derek Berryleitender Ingenieur für Windtechnologie bei NREL und Direktor von IACMIs Bereich Windenergietechnologie.

Dies ist die zweite Finanzierungsrunde an IACMI, die auf den anfänglichen 70 Millionen US-Dollar aufbaut, die im Jahr 2015 vergeben wurden.

„Unsere Zusammenarbeit mit IACMI hat bereits viel dazu beigetragen, die Rotorblätter künftiger Windkraftanlagen recycelbar zu machen“, sagte er Daniel Laird, der die Forschung als Direktor des National Wind Technology Center am NREL überwacht. „Mit dieser erneuerten Finanzierung wird NREL in der Lage sein, neue, effizientere und nachhaltigere Technologien weiterhin in Richtung Kommerzialisierung voranzutreiben.“

Das Colorado Office of Economic Development and International Trade (OEDIT) hat sich außerdem verpflichtet, die 4,1 Millionen US-Dollar an Bundesmitteln in den nächsten fünf Jahren für die Förderung der Forschung aufzustocken, mit dem Ziel, die Schaffung eines in Colorado ansässigen Ökosystems von Arbeitsplätzen und Industrie zu unterstützen Verbundwerkstoffe, die eine Schlüsselrolle in der sauberen Energiewirtschaft spielen werden.

Einen besseren Verbund schaffen

Obwohl in der Vergangenheit auch andere Materialien für den Einsatz in Turbinenschaufeln getestet wurden, ist sich die Industrie auf die Idee einig, dass Verbundwerkstoffe – definiert als zwei oder mehr Materialien, die in Kombination stärker sind als die einzelnen Materialien – aufgrund ihrer Festigkeit und Leichtgewichtigkeit sind für diese Anwendung am besten geeignet.

Traditionell werden Rotorblätter mit duroplastischen Harzsystemen hergestellt, die zum Aushärten des Verbundmaterials häufig Wärme erfordern. Die daraus resultierende chemische Bindung muss stark genug sein, um einem jahrelangen Einsatz in turbulenten Umgebungen standzuhalten.

Das Ergebnis? Eine Bindung, die am Ende der Lebensdauer der Turbinenschaufel nur sehr schwer zu lösen ist – und eine ganze Reihe von Schaufeln, die schwer zu recyceln sind.

Glücklicherweise, Änderung kommtinmitten eines Wandels in der öffentlichen Meinung über Nachhaltigkeit und dem Wunsch der Hersteller, sicherzustellen, dass ihre „grünen“ Technologien dieses grüne Versprechen einhalten.

„Als wir 2015 unsere Zusammenarbeit mit IACMI begannen, habe ich mich mit Herstellern von Windkraftanlagen und Rotorblättern zusammengesetzt und sie gefragt, ob die Recyclingfähigkeit ihrer Rotorblätter Priorität hat“, sagte Berry. „Sie sagten alle nein. Jetzt steht es ganz oben auf ihrer Liste. Die Art und Weise, wie Hersteller der Nachhaltigkeit Priorität einräumen, hat sich grundlegend verändert.“

NREL-Forscher prüfen nun andere Optionen für Verbundwerkstoffe, darunter a thermoplastisches Harzsystem das ohne den Einsatz zusätzlicher Wärme polymerisiert (oder sich bindet), was die spätere Trennung möglicherweise erleichtert und daher viel besser recycelbar ist.

Die Dinge beschleunigen

Ein weiterer entscheidender Aspekt der Bemühungen des NREL-Teams besteht darin, das Potenzial für eine stärkere Automatisierung in verschiedenen Phasen des Turbinenschaufelherstellungsprozesses zu untersuchen. Der derzeitige Ansatz ist arbeitsintensiv und erfordert, dass die Arbeiter in der Klingenfabrik häufig schwierige Arbeiten, manchmal in der Höhe, ausführen müssen. Durch die Automatisierung einiger dieser Produktionsschritte, insbesondere der Endbearbeitungsprozesse Trimmen, Schleifen und Schleifen, könnten die Kosten gesenkt, die Herstellungszykluszeit verkürzt und eine gleichbleibendere Qualität erzielt werden.

„Wir wollen sicherstellen, dass die Qualität jedes Rotorblatts, das aus der Tür kommt, die bestmögliche ist“, sagte Berry, der fest davon überzeugt ist, dass die Automatisierung ihnen dabei helfen wird, dieses Ziel zu erreichen.

In der Vergangenheit sei die Automatisierung zu teuer und zu langsam gewesen, aber es mache nach und nach Fortschritte, sagte er. „Erst in letzter Zeit konnten wir in Sachen Automatisierung deutliche Fortschritte machen“, sagte Berry. „Aber es gibt noch viel Forschungsbedarf.“

Erweiterung der Produktionsforschungskapazität von NREL

Die erste Finanzierungsrunde des IACMI hat nicht nur die Forschung zur Automatisierung, sondern auch in anderen Bereichen der Fertigung angekurbelt. Berry sagte, die Finanzierung sei zusammen mit der Unterstützung von NREL und Colorados OEDIT der Schlüssel zum Erfolg und zur Erweiterung der Fähigkeiten von NREL Einrichtung für Bildung und Technologie zur Herstellung von Verbundwerkstoffen (CoMET)..

„Alles, was Sie in CoMET sehen, wurde durch unsere IACMI-Finanzierung katalysiert“, sagte Berry. „In den ersten Jahren wurden die meisten Arbeiten im Gebäude für IACMI-Projekte durchgeführt. Jetzt wird es auch um Wasserkraft und andere Produktionsprojekte erweitert.“

CoMET, ein langes Gebäude im Stil einer Quonset-Hütte, das sich auf dem weitläufigen Flatirons-Campus des NREL etwas außerhalb von Boulder, Colorado, befindet, ist voller Verbundwerkstoffproben, Maschinen und natürlich Turbinenschaufeln.

Seit seiner ersten Finanzierung im Jahr 2015 hat sich CoMET zu einem Zentrum der Partnerschaft entwickelt, da Industrieforscher mit NREL-Forschern zusammenarbeiten, um ihre Prototypen zu skalieren und dabei zu validieren und zu verfeinern. Nachdem sie neue Technologien bei CoMET erfolgreich skaliert haben, kehren NREL-Forscher häufig zur eigenen Anlage des Industriepartners zurück, um mit ihnen zusammenzuarbeiten, während sie Produktionsprototypen und innovative Materialien in Prozesse und Turbinenschaufeln im Originalmaßstab umwandeln.

„Eines der wichtigsten Dinge an CoMET sind die öffentlich-privaten Partnerschaften, die es ermöglicht“, sagte Berry. Durch diese Kooperationsbeziehungen, sagte er, „reduzieren wir das Risiko des Einsatzes fortschrittlicher Materialien und Herstellungsverfahren und bieten einen wirklich wichtigen Weg zur Kommerzialisierung.“

Nächste Schritte

Sobald die neuen Mittel verfügbar sind, arbeiten Berry und sein Team daran, herauszufinden, welche Forschungsprojekte für die US-amerikanische Windenergiebranche am wertvollsten sind. Egal, wo die neuen Projekte ihren Schwerpunkt haben, die Qualität der Windturbinenblätter wird immer Priorität haben.

Qualität ist laut Berry der Schlüssel zur Kostensenkung, da widerstandsfähigere Turbinenschaufeln natürlich weniger Betriebs- und Wartungsarbeiten erfordern (dh weniger Zeit für die Überwachung und Reparatur der Schaufeln vor Ort).

Dies ist besonders wichtig, da das Land immer mehr Einsätze vornimmt Offshore-Wind Turbinen, für deren Wartung Boote, Lastkähne und Kräne erforderlich sind ihre massiven Klingen. Daher wird ein Teil des Schwerpunkts dieser nächsten Iteration der IACMI-Forschung darauf liegen, sicherzustellen, dass die NREL-Forschung auch auf Offshore-Anwendungen übertragen werden kann.

Letztendlich besteht die Rolle von NREL bei IACMI darin, dazu beizutragen, den Einsatz von Windenergie überall zu beschleunigen, indem die Produktion der dafür erforderlichen Turbinen rationalisiert wird. „Alles läuft darauf hinaus, die Stromgestehungskosten der Windenergie zu senken“, sagte Berry.

Erfahren Sie mehr über NRELs Forschung zur Herstellung von Turbinenschaufeln Und Windenergieforschung, sowie Möglichkeiten für Partnerschaft mit NREL über CoMET.

Von Tiffany Plate, Artikel mit freundlicher Genehmigung von NREL.

Ausgewähltes Bild: Quelle: ShellASP/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0