„Abnehmen“ von Windkraftanlagen-Flügeln: Wie Carbon die Effizienz erhöht und Kosten in der Windenergie senkt

Während sich Windturbinen weiterhin dahingehend entwickeln, „größer, höher und stärker“ zu werden, ist Ihnen aufgefallen, dass sich die langsam am Himmel rotierenden Rotorblätter einer stillen „Schlankheitsrevolution“ unterziehen? Die Schlüsselwaffe dieser Revolution ist nichts anderes als das als „schwarzes Gold“ bezeichnete Kohlefasermaterial.

Das „Gewichtszunahme-Dilemma“ von Windturbinenblättern

Mit dem Fortschritt der Windenergiebranche haben sich die Längen von Windkraftanlagen-Rotorblättern von einigen zehn Metern auf über 100 Meter verlängert. Die Zunahme der Blattlänge führt direkt zu einer kubischen Zunahme des Gewichts, was eine Reihe von Herausforderungen mit sich bringt:

(1) Ein höheres Blattgewicht führt zu erhöhten Lasten, wodurch stabilere Türme und Fundamentstrukturen erforderlich sind.
(2) Steigende Materialkosten sowie größere Schwierigkeiten beim Transport und bei der Installation.
(3) Beeinträchtigte Ermüdungslebensdauer und höhere Wartungskosten.

Herkömmliche Glasfaserverbundwerkstoffe können die doppelte Anforderung nach Leichtbau und hoher Festigkeit für ultralange Rotorblätter kaum noch erfüllen. Die Branche benötigt dringend eine „Schlanke-Lösung“.

Kohlenstofffaser: Der formgebende Meister der Windkraftanlagen-Rotorblätter

Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe sind 30–40 % leichter als Glasfaser, weisen jedoch 3–5-mal höhere Festigkeit auf. Diese hervorragenden Eigenschaften machen sie zum idealen Material für Windkraftanlagen-Rotorblätter, die „abnehmen und gleichzeitig an Muskelmasse zunehmen“ sollen:

● Deutliche Vorteile bei der Gewichtsreduzierung:
Eine 80 Meter lange Rotorblattkonstruktion mit einem Hauptspar aus Kohlenstofffaser kann im Vergleich zu einer vollständig aus Glasfaser gefertigten Ausführung das Gewicht um 20–30 % reduzieren, was dem „Abwerfen“ mehrerer Tonnen pro Rotorblatt entspricht.

● Umfassende Steigerung von Festigkeit und Steifigkeit:
Dank der hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit ermöglicht Kohlenstofffaser, dass Rotorblätter stärkeren Windlasten standhalten, Verformungen verringert werden und die aerodynamische Effizienz verbessert wird.

● Hervorragende Ermüdungsleistung:
Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe weisen eine überlegene Ermüdungsbeständigkeit gegenüber Glasfasern auf, verlängern die Lebensdauer der Rotorblätter und senken die Gesamtkosten über den Lebenszyklus.

Die doppelten Vorteile von Kostensenkung und Effizienzsteigerung
Die anwendung die Verwendung von Kohlenstofffaser macht Rotorblätter nicht nur leichter, sondern bietet der Windenergiebranche auch greifbare wirtschaftliche Vorteile:

Kostenreduzierung:

(1) Durch die geringere Rotorblattmasse können unterstützende Strukturen wie Türme und Fundamente optimiert und die Gesamtbaukosten gesenkt werden
(2) Geringere Transport- und Installationskosten, insbesondere bei komplexen Standorten wie bergigem Gelände und Offshore-Anlagen
(3) Geringere Wartungshäufigkeit führt zu Einsparungen bei Betriebs- und Wartungskosten

Leistungssteigerungen:

(1) Leichtere Rotorblätter ermöglichen ein schnelleres An- und Abfahren, wodurch die Effizienz der Windenergieerfassung verbessert wird
(2) Ermöglicht längere Rotorblattausführungen, vergrößert die überstrichene Fläche und steigert die Leistung pro Anlage
(3) Steigert die Zuverlässigkeit der Anlage und verringert Ertragsausfälle

Innovative Technologien senken die Kosten

Früher war die hohe Kosten von Kohlenstofffaser das Haupthindernis für eine breite Verbreitung. In den letzten Jahren verändern jedoch verschiedene innovative Technologien diese Situation:

● Großband-Kohlenstofffaser
Im Vergleich zur in der Luft- und Raumfahrt verwendeten Kleinband-Kohlenstofffaser senkt die Großband-Kohlenstofffaser die Produktionskosten um 30 % bis 50 % und ebnet so den Weg für eine großflächige Nutzung in der Windenergie

● Preform-Technologie
Die Verwendung von Preforms anstelle herkömmlicher Gewebeaufbauten reduziert Materialabfall und steigert die Produktionseffizienz.

● Durchbrüche in der Recycling-Technologie
Mit der Reife von Recycling-Verfahren für Kohlenstofffasern wird zukünftig ein Kreislaufwirtschaftsmodell aus „Produktion–Nutzung–Recycling“ erwartet, das die Kosten weiter senken wird.

Zukunftsausblick: Leichter, stärker, intelligenter

Die Anwendung von Kohlenstofffaser in Windturbinenflügeln entwickelt sich kontinuierlich weiter:

● Hybrid-Design-Technologie
Kohlenstofffaser wird nur in hochbelasteten Bereichen der Flügel eingesetzt, während Glasfaser in anderen Abschnitten verbleibt, wodurch eine optimale Balance zwischen Leistung und Kosten erreicht wird.

● Integrierter Formprozess
Neue Verfahren reduzieren Verbindungsnähte und erhöhen so die Integrität und Zuverlässigkeit der Flügel.

● Intelligente Flügel

Durch die Nutzung der Sensoreigenschaften von Kohlenstofffaser können zukünftige Rotorblätter faseroptische Sensoren zur Zustandsüberwachung und intelligenter Steuerung integrieren.

Kohlenstofffaser trägt durch ihre einzigartige „schlümmende Technik“ dazu bei, dass Windturbinenblätter stärker leichtgebaut werden können. Diese Materialrevolution erhöht nicht nur die Stromerzeugungseffizienz einzelner Turbinen, sondern senkt auch die Gesamtkosten über den Lebenszyklus der Windenergieanlagen und treibt so die saubere Energieversorgung in Richtung größerer Wirtschaftlichkeit und Effizienz voran.

Mit fortschreitender Technologie und dem Einsetzen von Skaleneffekten wird Kohlenstofffaser eine breitere Anwendung in der Windenergie finden. In Zukunft werden diese schlanken Rotorblätter in immer mehr Regionen weltweit eingesetzt sein und saubereren sowie kostengünstigeren grünen Strom für die Menschheit liefern.