Windkraft – wie Rotorblätter nachhaltig werden
Windkraftanlagen sind vor allem wegen der schlecht recyclebaren Rotorblätter in Verruf geraten. Diese bestehen oft aus schwer trennbaren Verbundstoffen. Dass es auch anders geht, demonstriert das Fraunhofer IWU: Das Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik hat für künftige Windkraftanlagen neue Wege bei Materialauswahl, Fügeverfahren und Design aufgezeigt – damit Verschleisskomponenten austauschbar gemacht und aus recyclingfähigen Materialien gefertigt werden können.
Windturbinen und Rotorblätter sind auf eine Lebensdauer von etwa 20 Jahren ausgelegt, nach spätestens 30 Jahren steht ein Austausch an. Kurz nach der Jahrtausendwende setzte ein Boom bei Windkraftanlagen ein, sodass in Europa schon bald mehrere Zehntausend Tonnen Verbundmaterialien ihr Lebensende erreichen – pro Jahr. Dabei stellen ausgediente Rotorblätter aus glasfaserverstärktem Kunststoff die Kreislaufwirtschaft vor erhebliche Herausforderungen: Thermische Verwertung oder Schreddern zur Beimischung kleinster Faserreste in Zement sind keine nachhaltigen Optionen; eine Deponierung ist in der Europäischen Union und der Schweiz aus guten Gründen untersagt.
Heutige Rotorblätter von Windkraftanlagen werden nahezu ausschliesslich in einer zweischaligen Bauweise gefertigt. Dabei entstehen zunächst zwei separate Halbschalen, die später zur geschlossenen Blattstruktur miteinander verklebt werden. Diese Konstruktionsweise ermöglicht sehr grosse Blattlängen von weit über 80 Metern und lässt sich gut mit Faserverbundwerkstoffen umsetzen. Die Fertigung beginnt in sehr grossen, beheizten Negativformen, die jeweils eine Halbschale abbilden. In diese Formen werden Glasfaser- und teilweise Carbonfasergelege in mehreren Lagen eingelegt, meist vollständig von Hand. Auch das Kernmaterial der Sandwichstruktur wird manuell positioniert, bevor weitere Faserlagen folgen. Anschliessend wird der trockene Faseraufbau unter Vakuum mit Epoxid- oder Polyesterharz infiltriert, gehärtet und aus der Form entnommen. Nach umfangreicher Nacharbeit werden in einer der Schalen Stege beziehungsweise Holme eingesetzt, die beiden Halbschalen exakt ausgerichtet und grossflächig verklebt. Dieser Prozess ist sehr arbeitsintensiv, insbesondere bei der Faserablage, der Kernplatzierung und dem abschliessenden Finish, da die extreme Bauteilgrösse und die komplexe Geometrie eine vollständige Automatisierung bislang nur begrenzt zulassen. Entsprechend findet die Produktion überwiegend in Ländern mit niedrigen Lohnkosten statt.
Lösbare Klebeverbindungen
Ein wichtiger Faktor für die Lebensdauer eines Rotorblatts ist die Vorderkante. Sie ist Wind, Staub und Regen ausgesetzt und verschleisst je nach Standortbedingungen als Erstes. Kann die Vorderkante nicht als Modul getauscht werden, ist das gesamte Rotorblatt nicht mehr verwendbar. An dieser Stelle setzten Justus von Freeden vom Fraunhofer IWU Wolfsburg (D) und seine Partner an: Der Aufbau des Forschungsrotorblatts ist modular; um einen durchgehenden, tragenden Holm sind am Demonstrator alle weiteren Komponenten angeklebt, die Vorderkante aus Thermoplast und Naturfasern ist dank einer lösbaren Klebeverbindung austauschbar.
Austausch Vorderkante: ohne Wirkungsgradverlust
Mit steigendem Verschleiss der Vorderkante verschlechtert sich das Strömungsverhalten, und der Wirkungsgrad sinkt. Bei einem rechtzeitigen Tausch kann also auch der Wirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage über einen langen Betriebszeitraum gesichert werden.
Chance für automatisierte Fertigung
Doch das Design (for Manufacturing) des kürzlich auf der Messe IFAT gezeigten Demonstrators verfolgt ein weiteres, ehrgeiziges Ziel. Rotorblätter und damit Kernbestandteile von Windkraftanlagen sollen künftig dank eines hohen Automatisierungsanteils auch wieder in Europa wirtschaftlich hergestellt werden können. Einen wichtigen Beitrag dazu leistet ein Verfahren, das seit vielen Jahren bekannt ist: die Pultrusion. Dabei werden Endlosfasern durch ein Harzbad gezogen, in einer beheizten Düse gehärtet und zu Profilen geformt. Beispielsweise könnte der Holm als Endlosprofil gezogen und in der benötigten Länge abgeschnitten werden. Für die Vorderkante könnten Organobleche, also faserverstärkte Verbundwerkstoff-Halbzeuge aus Endlosfasern, die in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet sind, erwärmt und in einem hochautomatisierten Prozess umgeformt werden.
Naturfaser-verstärkte Thermoplaste besser geeignet
Naturfaserverstärkte Thermoplaste (NRFTP), wie beim Forschungsrotorblatt eingesetzt, sind für R-Strategien (Reuse, Repair, Refurbish, Remanufacture, Recycle) besser geeignet als glasfaserverstärkte Thermoplaste, weil sie sich über mehrere Nutzungs-, Reparatur- und Recyclingstufen robuster verhalten und weniger kritische Schadensmechanismen aufweisen. Naturfaser-Thermoplaste ermöglichen somit eine wesentlich bessere Integration in «Design-for-Circularity»-Konzepte und praxisnahe Kreislaufstrategien. Dies gilt insbesondere für mechanisches Recycling. Dabei werden Bauteile am Lebensende zerkleinert, aufgeschmolzen und erneut zu Compounds oder Halbzeugen verarbeitet. Im Vergleich zu glasfaserverstärkten Thermoplasten tolerieren NFRTP die in diesem Zuge unvermeidliche Faserverkürzung besser, da Naturfasern schrittweise ihre Verstärkungswirkung verlieren und nicht abrupt von «Verstärkung» zu reinem Störstoff degradieren.
Über das EU-Projekt
Im EU-Projekt «Recreate» arbeiteten rund 20 Partner aus Forschung und Industrie, koordiniert vom Politecnico di Milano (I), an Recyclingtechnologien für kreislauffähige Faserverbundkunststoffe. An der Gestaltung und Fertigung des Demonstrators für wiederverwendbare Faserverbundstrukturen eines Windkraftrotorblatts waren neben den Instituten Fraunhofer IWU und Fraunhofer WKI die Invent GmbH, RES-T und Rescoll Applus beteiligt. Auch aus der Schweiz gab es mit der EDAG Engineering Group AG eine Beteiligung.