Die Rotorblätter von Windkraftanlagen können elegant, ja sogar ballettartig aussehen, wenn sie durch die Luft gleiten. Aber, ähnlich wie beim Ballett, erfordert das Erreichen dieser einfachen Anmut eine komplexe, fortschrittliche Technik.
NREL-Forscher bauen in der CoMET-Anlage von NREL eine 13 m lange thermoplastische Klinge. Foto vom National Wind Technology Center auf dem NREL Flatirons Campus. (Foto von Ryan Beach / NREL)
Ein Team von Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL) entwickelt seine revolutionäre Kombination aus recycelbaren Thermoplaste und additive Fertigung (besser bekannt als dreidimensionale [3D] Druck) zur Herstellung fortschrittlicher Rotorblätter für Windkraftanlagen. Der Vorschuss wurde ermöglicht durch Finanzierung durch das Advanced Manufacturing Office des US-Energieministeriums—Auszeichnungen, die darauf abzielen, technologische Innovationen anzuregen, die Energieproduktivität der amerikanischen Fertigung zu verbessern und die Herstellung von Spitzenprodukten in den Vereinigten Staaten zu ermöglichen.
Unter der Leitung von NREL Senior Wind Technology Engineer Derek Berry könnten die neuartigen Techniken des Teams die Herstellung von Windturbinenblättern revolutionieren.
Winde der Veränderung
Heutzutage haben die meisten Windturbinenblätter im Nutzmaßstab das gleiche Clamshell-Design: Zwei Glasfaserblatthäute werden mit Klebstoff zusammengeklebt und verwenden eine oder mehrere Verbundversteifungskomponenten, die als Scherstege bezeichnet werden. Dieses Herstellungsverfahren wurde in den letzten 25 Jahren auf Effizienz optimiert – aber in Wirklichkeit hat es sich kaum verändert.
Das muss sich ändern.
Um die Rotorblätter von Windturbinen leichter, länger, kostengünstiger und effizienter bei der Gewinnung von Windenergie zu machen – Verbesserungen, die für das Ziel der Biden-Administration entscheidend sind, die Treibhausgasemissionen teilweise durch die Erhöhung der Windenergieproduktion zu senken – müssen Forscher die konventionelle Muschel vollständig überdenken.
Zu Beginn konzentriert sich das NREL-Team auf das Harzmatrixmaterial. Aktuelle Designs beruhen auf duroplastischen Harzsystemen wie Epoxiden, Polyestern und Vinylestern, Polymeren, die nach dem Aushärten wie Brombeersträucher vernetzen.
„Sobald Sie eine Klinge mit einem duroplastischen Harzsystem hergestellt haben, können Sie den Prozess nicht mehr umkehren“, sagte Berry. „Das macht es schwierig, die Klinge zu recyceln.“ Da jedes Jahr immer mehr Windturbinen installiert werden, sollten neue Windturbinenblätter für eine Wiederverwendung oder sogar recycelt um zu verhindern, dass sie die grüne Wirtschaft unterbieten, die sie aufbauen sollen.
Andere Materialien, neue Methoden
Derek Berry und sein Team von NREL-Forschern haben genau das getan. Arbeiten mit dem Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation in NRELs Ausbildungs- und Technologieeinrichtung für Verbundwerkstoffe (CoMET), entwickelte das institutsübergreifende Team Systeme, die Thermoplaste verwenden, die im Gegensatz zu duroplastischen Materialien erhitzt werden können, um die ursprünglichen Polymere zu trennen, was eine Recyclingfähigkeit am Ende der Lebensdauer ermöglicht.
Thermoplastische Klingenteile können auch mit einem thermischen Schweißverfahren verbunden werden, wodurch Klebstoffe – oft schwere und teure Materialien – überflüssig werden und die Recyclingfähigkeit der Klingen weiter verbessert wird.
„Mit zwei thermoplastischen Klingenkomponenten haben Sie die Möglichkeit, sie zusammenzubringen und durch Anwendung von Hitze und Druck zu verbinden“, sagte Berry. „Das geht mit Duroplasten nicht.“
In Zukunft wird NREL zusammen mit den Projektpartnern TPI Composites, Additive Engineering Solutions, Ingersoll Machine Tools, der Vanderbilt University und dem Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation innovative Schaufelkernstrukturen entwickeln, um die kosteneffiziente Produktion von Hochleistungs-, sehr lange Klingen – weit über 100 Meter lang – die ein relativ geringes Gewicht haben.
Durch den Einsatz von 3D-Druck kann das Forschungsteam revolutionäre Designs herstellen, die zur Modernisierung von Turbinenschaufeln mit hochtechnisierten, netzförmigen Strukturkernen unterschiedlicher Dichte und Geometrie zwischen den strukturellen Hüllen der Turbinenschaufeln erforderlich sind. Die Klingenhäute werden mit einem thermoplastischen Harzsystem infundiert.
Wenn dies gelingt, wird das Team das Gewicht und die Kosten der Turbinenblätter um 10 % (oder mehr) und die Produktionszykluszeit um mindestens 15 % reduzieren, ein riesiger Sprung (oder eine Pirouette) für die Windenergietechnologie.
In Ergänzung zu Prime AMO FOA-Auszeichnung für additiv gefertigte thermoplastische Rotorblattstrukturen werden in zwei Unterprojekten auch fortschrittliche Fertigungstechniken für Windkraftanlagen untersucht. Die Colorado State University leitet mit Owens Corning, NREL, Arkema Inc. und Vestas Blades America ein Projekt, das auch 3D-Druck verwendet, um faserverstärkte Verbundwerkstoffe für neuartige interne Windblattstrukturen herzustellen. Das zweite Projekt unter der Leitung von GE Research trägt den Namen AMERICA: Additive and Modular-Enabled Rotor Blades and Integrated Composites Assembly. Partner von GE Research sind das Oak Ridge National Laboratory, NREL, LM Wind Power und GE Renewable Energy.
Erfahren Sie mehr über NRELs fortschrittliche Fertigung und Windenergie recherchiere und erkunde die CoMET-Funktionen.
Artikel mit freundlicher Genehmigung von Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL).
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