Hightech in der Windindustrie Neue Mater ia l ien und neues Design n e h m e n Einzug in die Windindustr ie . H6here Ertr~ge, Ge- wichtsredukt ion und hohe Qualit i i t sind die Ziele, die sich die Entwick ler gesetz t haben. Die LiJ- becker Firma DeWind, Herste l ler von Windenerg iean langen, setzt Kohlenstof f fasern im Blattbau ein und erziel t dami t ( iberzeugende Ergebnisse.

S. VULLRIEDE

Bl&tter gehSren zu den Schl0sselkomponenten yon Windenergieanlagen: Design, Auslegung und Fertigung ha- ben jeweils weit reichende Auswirkungen. Ihr aerodyna- misches Design ist ein we- sentlicher Faktor for die Er- tragsst&rke der Gesamtanla- ge. Ihre Auslegung und die verwendeten Matedalien ent- scheiden L~ber die Auslegung der Gesamtanlage und ha- ben damit Auswirkungen auf Gewicht, Betriebsfestigkeit und Kosten.

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1. Kohlenstofffaser im Blattbau Der Einsatz yon Kohlenstoff- fasem beim Blattbau wird seit einiger Zeit intensiv in der Windindustrie diskutiert. Kriterien wie Materialeigenschaften, Materialverf0g- barkeit, Kosten, Verarbeitung, Dauerfe- stigkeit, Verhalten im Betrieb spielen fQr die Diskussion eine zentrale Rolle. Die besonderen Materialeigenschaften der Kohlenstofffaser, insbesondere ihre sehr hohe gewichtsspezifische Steifigkeit so- wie die 0berragende Dauerfestigkeit, ma- chen ihren Einsatz attraktiv. Immerhin geh6rt der Rotor zu den mechanisch am st&rksten belasteten Komponenten der Windenergieanlage. Allerdings werden unter anderem die hohen Materialkosten gegen den Einsatz von Kohlenstofffasern ins Feld gefQhrt.

Die Unternehmen der Branche haben unterschiedliche Konsequenzen aus die- ser Sachlage gezogen. Kohlenstofffasern kommen bislang selten zum Einsatz. Das DeWind D8-Blatt war schlieBlich das erste Blatt, in dem Kohlenstofffasern im Serien- bau eingesetzt wurden. Die imponieren- den Kenndaten, die hervorragenden aero- dynamischen Eigenschaften und das hohe Ertragspotenzial sprechen for das Konzept. Damit aber nicht genug hat die DeWind D8 ein geringes Gewicht und ver- gleichsweise kompakte Abmessungen.

Diese Kerndaten wurden durch die Kombination yon neuen Materialien und

Abb. 1. Vergleich Glasfasern und Kohlenstofffasern hinsichtlich Dauerfe- stigkeit; Kohlenstofffasern weisen hier deutliche Vorteile auf

neuem Designkonzept erreicht, in Schlagworten durch die Wahl einer stei- fen Auslegung, vor allem durch den Ein- satz yon Kohlenstofffasern ftir die biege- steifen Gurte des Blattes.

2. Gewicht senken, Kosten senken Die ,,Eliminierung von Gewicht" stand bereits f~Jr Henry Ford zu Beginn des 20. Jahrhunderts im Zentrum der Aufmerk- samkeit, denn Gewichtseinsparung senkt Kosten radikal - durch geringeren Mate- rial-/Verarbeitungsaufwand sinken die Materialkosten und die Betriebskosten. Am Beispiel des DeWind D8-Blattes wird dies sichtbar. Das geringere Gewicht des Rotors und die steife Auslegung des Blattes haben es ermSglicht, den Turm- vorbau der DeWind D8 vergleichsweise kurz zu halten.

Die Gesamtl&nge der Anlage konnte daher klein gehalten werden. Aus dem niedrigen Gewicht resultieren zudem geringere Lasten, die vom Blatt auf die Anlage, Turm und schliei31ich Funda- ment Qbertragen werden. Das spart in allen Komponenten - insbesondere bei den mechanisch hoch belasteten Kom- ponenten wie Triebstrang, Lager, Ge- triebe und Generator - Material und da- mit Kosten, ohne dass es hier zu Qua-

lit&tseinbui3en kommen werde.

Kohlenstofffasern haben in den vergangenen Jahren in der Sportartikelindustrie, aber auch in der Automobil- und Luftfahrtindustrie enorm an Bedeutung gewonnen. Ursache ist das &uBerst ge- ringe Gewicht des Materials bei seinen gleichzeitig sehr hohen Steifigkeiten- und Dauerfestigkeitskennwerten.

Kohlenstofffasern haben eine au6ergew6hnlich hohe Restfestigkeit nach einer de- finierten Anzahl Betriebslas- tenwechseln und werden h6chsten von Edelmetallen oder Titan 0bertroffen. Im direkten Vergleich zur heute meist eingesetzten Glasfa-

ser wird dies deutlich (Abb. 1). h, hnlich deutlich sind die spezifischen Steifheits- und Belastungswerte, die Kohlenstofffa- sern im Vergleich vor allem zur Glasfaser aufweisen (Abb. 2). In allen drei Anforde- rungsbereichen sind die Kohlenstofffa- sern den Glasfasern ~berlegen.

Seitdem die Windindustrie Anlagen im Multimegawattspektrum entwirft und realisiert, sind Kohlenstofffasern deshalb im Gespr&ch. Bei kleineren Bl~ttern ist das Lastniveau vor allem durch die Aero- dynamik bestimmt, das heiBt yon den Einwirkungen, die die Windanstr6mung auf das Blatt ausebt. Mit der GrSI3e der BlOtter w&chst der Anteil, den das Eigen- gewicht des Blattes an den Lasten hat. Je gr61]ere die Anlage und damit auch das Blatt, desto gr5Ser ist der Anteil des Blattgewichts an den GesamUasten der Windenergieanlage.

Ziel der konstruktiven Arbeiten ist deshalb nicht allein die Anpassung s~mt- licher Komponenten an die neuen Lei- stungsstufen, sondern auch die Senkung des Gewichts der BlOtter. Das Ziel mOs- sen leichte, hochsteife und feste Bl&tter sein. Zugleich muss freilich die aerody- namisch beste L6sung realisiert werden. Die erste LSsung, mit cler das Gewicht gesenkt werden kann, ist der Einsatz von

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praxis&wissen

Suction Side Shell

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Pressure Side Shell V ___ il Pressure Side Shell !

I Pressure Side Girder I CFRE UD i i Sandwich: PVC + GFRE +-45 =

Abb. 3. Querschnitt durch das Blatt einer DeWind D8. Es kommen beide Werkstoffe - Glas- und Kohlenstofffasern - zum Einsatz. Die Werkstoffe werden zudem in spezifischen Bauweisen ein- gesetzt. Glasfasern kombiniert mit PVC in Sandwichbauweise werden for die gesamte &ul3ere Oberfl~che und for die Stege verwendet, Kohlenstofffasern hingegen ffir die Gurte, die vor al- lem Zug- und Druckkr&fte auffangen sollen und fLir die Biegesteifigkeit des Blattes sorgen

Leichtbauweisen, das heil3t der Einsatz von leichteren Materialien und von Kon- struktionen, in denen Gewicht ohne Qua- lit&tseinbui3en gespart werden kann.

3. Kombination y o n Glas- und Kohlensto f f fasern Bei Projektstart f0r die Entwicklung des Blatts der DeWind D8 lagen den DeWind-lngenieuren bereits die Erfah- rungen aus der Konstruktion und dem Betrieb des DeWind D6-Blattes zur Aus- wertung vor. Bereits rnit diesem Glasfa- ser-Venylesther-Blatt, das auf den Ein- satz yon Kohlenstofffasern verzichtete, war es m6glich, das Gewicht des Blattes im Vergleich zum Wettbewerbsblatt deut- lich zu senken. Die MSglichkeiten, durch Leichtbauweise in der Struktur des Blattes Gewicht zu sparen, sind freilich begrenzt, da die Geometrie des Blattes aufgrund der aerodynamischen Bedin- gungen den Ertrag der Anlage bestimmt. In den Dimensionen des gr6Beren 2-MW- Blattes musste also nach welter gehen- den L6sungsans&tzen gesucht werden. Damit rOckte dann die Materialfrage wieder starker ins Zentrum der Aufmerksamkeit.

Im Vorfeld starteten die De- Wind-Entwickler Untersuchungs- reihen for den Einsatz von Glasfa- sern und Kohlenstofffasern. Dabei arbeiteten sie eng mit Forschern der VIRO Engineering (Niederlan- de) und Entwicklern der renom- mierten Netherlands Energy Re- search Foundation ECN in Petten (Niederlande) zusammen. Das Er- gebnis sprach for die Verwendung von Glas- und Kohlenstofffasern in Kombination als Hybridbau- weise.

Bis zu einer Gr613enordnung von 40 Metern Blattl&nge sind yon technischer und von der Kostenseite her beide Werk- stoffe einsetzbar. Denkbar w~ire f0r den Einsatz der 2-MW-Anlage auch ein ,,kon- ventionelles" Glasfaser-Blatt gewesen. DeWind entschied sich im Jahre 2001, nach Abschluss der Voruntersuchungen, dazu, im Blatt der DeWind D8 beide Werkstoffe einzusetzen. DafLir sprachen zum einen KostengrLinde. Kohlenstofffa- sern sind trotz der gesteigerten Lieferka- pazit&ten, die Liber den Einsatz in der Sportartikelindustrie aufgebaut wurden, noch immer vergleichsweise teuer. AIs optimaler Kompromiss erwies sich des- halb der Einsatz von Kohlenstofffasern an strategischen Stellen des Blattes.

4. Funk t ion ie rendes B l i t zschutz - k o n z e p t Carbonfasern sind im Gegensatz zu Glasfasern leitf&hig - wenn auch nur ge- ringfCigig. Gelangt der Strom in die Car- bonfasergurte, werden diese durch den

Mild steel Alurrunium "r"daniurn Carbon / Glass I Kevlar I alloy 2024 alloy Epoxy Epoxy Epoxy

Vf=0,6 Vf=-0,6 Vf=0,6

Abb. 2. Spezifische Steifigkeitswerte unterschiedlicher Materia- lien; auch hier sind die Vorteile von Kohlenstofffasern schlagend

hohen Widerstand erheblich aufgeheizt, so dass das die Fasern verbindende Epoxydharz verbrennen k6nnte. F0r die Anforderung an ein funktionierendes Blitzschutzkonzept kommt erschwerend hinzu, das bei sehr langen Rotorbl~ittern von L~ber 30 Metern L&nge die Blitze nicht immer sicher mit dem Rezeptor in der Blattspitze eingefangen werden k6n- nen, zum Tell schlagen sie dann auch in Bereiche bis Radius R=20 Metern ein.

Die Auslegung des Blitzschutzkon- zepts des DeWind D8-Carbonfaserblat- tea erfolgte daher in Anlehnung und auf der Basis der Erfahrungen insbesondere des milit&rischen Flugzeugbaus, wo ein sehr groSes Know-how zu diesem The- ma existiert: Alle Carbonfasergurte wer- den durch spezielle Kupferdrahtgitter ab- gedeckt, die so dimensioniert sind, dass sie alle Blitzeinschl~.ge (Jblicher Gr613en- ordnungen sicher ableiten k6nnen, ohne dass es zu Besch&digungen an der Car- bonfaserstruktur kommt. Die Erfahrun- gen nach fast zwei Jahren Betriebszeit der ersten DeWind D8-Anlagen best~ti- gen das Designkonzept.

5. K o m p a k t e r e B a u w e i s e mSgl ich Mit zu der Entscheidung, Kohlenstofffa- sern beim DeWind D8-Blatt einzusetzen, hat zudem die 0berlegung gefiJhrt, dass damit die Weichen ffJr die zu erwarten- den Anlagendimensionen der kommen- den Jahre gestellt werden kSnnen, da mit den Blattl&ngen die Vorteile beim Einsatz von Kohlenstofffasern wachsen. Insbe- sondere die Folgekosten for die Konzep- tion der gesamten Windenergieanlage fallen durch die reduzierten Lasten.

Ein exemplarischer Wert kann das il- lustrieren: Die maximale Durchbiegung des DeWind D8-Blattes liegt bei unter 3 Metern - ein Wert, der auf die spezifi- schen Steifheitswerte der Kohlenstofffa- sern zuri~ckzufLihren ist. Glasfaserbl&tter dieser Gr613e anderer Hersteller weisen hier Werte auf, die ca. um 50 % h6her

sind. Das bedeutet, dass der ge- samte Vorbau der DeWind D8 kLirzer ausgelegt werden konnte. Der Rotor konnte n~her an den Turm platziert werden. Bereits bei der Auslegung der Nabe konnte Material eingespart wer- den.

Aus dem kCirzeren Vorbau er- gab sich eine kompaktere Bau- weise der gesamten Gondel. Maschinentr&ger und Rotorwelle konnten kLirzer ausgelegt wer- den - mit entsprechenden Ein- sparungen beim Material. Das niedrige Gewicht der DeWind D8 von ca. 90 Tonnen (Gondel plus Rotor) und eine Gesamtl&nge

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von lediglich 12 Metern ist im Wesentli- chert das Resultat des optimierten und leichten Rotorbiatts. Damit liegt das Gondel- und Nabengewicht der DeWind D8 nur unwesentlich [3ber den Werten der DeWind D6. Bei der Gesamtl&nge konnte das Niveau der kleineren Anlage gehalten werden, und das bei einem um 50 % hOheren Ertrag.

Daraus ergibt sich eine f0r das Unter- nehmen strategisch entscheidende und weit reichende Konsequenz: Hersteller m0ssen die Blattkonstruktion ins Haus holen, denn das Rotorblatt muss, gerade wenn Kohlenstofffasern zum Einsatz kommen, mit der gesamten Anlage zu- sammen entwickelt werden. Bei der nicht abgestimmten Entwicklung von Blatt und Gondel k5nnen die Materialvorteile des Werkstoffs Kohlenstofffaser nicht voll wirksam werden. Der Einsatz von Stan- dard-Bl&ttern f0hrt zu suboptimalen Er- tr&gen und zu einer vSIlig anderen Ausle- gung tier Anlage insgesamt.

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Abb. 4. Das Gewicht des Blattes der DeWind D8 liegt ca. 2 Tonnen unter dem Gewicht eines herk6mmlichen Blattes mit 80 Meter Rotordurchmesser

6 . A u f b a u in S a n d w i c h - B a u w e i s e Ein Schnitt durch das DeWind D8-Blatt zeigt die LSsungen, die for das Aufga- benprofil gefunden wurden (Abb. 3). Die Rotorbl&tter werden in einer beulsteifen Sandwich-Konstruktion mit einem leith- ten PVC-Schaumkern gefertigt, um Ge- wicht zu sparen. Zwischen 2 und 130 Schichten befinden sich je nach Position in den Wandungen des Blattes 0berein- ander - das Blatt wird in Richtung Ver- bindungsstelle zur Gondel immer dicker. Im Wurzelbereich bilden Glasfaser- und Kohlenstofffaserlagen eine spezielle ent- wickelte Hybridstruktur.

Insbesondere im Blattwurzelbereich treten extreme Belastungen auf. Die Las- ten, die 0ber das Gewicht des Blattes, die aerodynamischen Einfl0sse und den Betrieb auf das Blatt wirken, werden Qber die Blattwurzel zur Nabe und auf den Triebstrang 0bertragen. Die Blatt- wurzel muss diesen Belastungen auch im Langzeitbetrieb standhalten k6nnen.

Wie die Vergleichsgrafik zeigt (Abb. 4), liegt das DeWind D8-Blatt ca. 25 % unter den Werten eines Standardbiattes, alas auf dem freien Markt erh~.ltlich ist und das gegebenenfalls auf der DeWind D8 einsetzbar w&re. Die Entwicklung wird aber weiter fortgesetzt, bis zu einer Zielmarke von 5,2 Tonnen.

7. Q u a l i t ~ t in d e r F e r t i g u n g Die Fertigungsverfahren und die Qualit&t der Fertigung spielen insbesondere bei der Haltbarkeit der BlOtter eine zentrale Rolle. Qualit&tsm&ngel in der Blattferti- gung fQhren zu ErtragseinbuBen und Re- paraturaufwendungen. Die Aufwendun- gen fL~r den Rotor liegen etwa bei 20 %

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Abb. 5. Die schematische Ubersicht zeigt de- tailliert die Fertigungsstufen des DeWind D8- Blattes

der Gesamtkosten der Anlage. Bei Ersatz sind neben diesen Kosten und den Er- tragsausf~llen zudem Lohn-, Transport und Krankosten zu ber0cksichtigen. Qualit~t in der Fertigung ist ein zentraler Faktor for die Wirtschaftlichkeit der Windenergieprojekte. Bei der Neuent- wicklung yon Bl~.ttern sind also gleicher- maSen die Ertragsseite, die Lastseite und die Qualit&tsseite zu ber0cksichtigen.

Kohlenstofffasern erfordern bei der Produktion eine hohe Aufmerksamkeit. Kohlenstofffaser-Bauteile streuen mitun-

ter sehr stark in der Qualit&t, denn erst im Fertigungsprozess for das Bauteil wird auch der Werkstoff im Aush&rtungs- prozess unter Druck und Temperatur her- gestellt. Fehler haben aber groBe Auswir- kungen in der maximalen Festigkeit des Blattes und damit for die gesamte Be- triebssicherheit. Daher ist for die Pr0duk- tion eine akkurate Qualit&tssicherung er- fordedich.

Generell werden Rotorbl&tter in nur wenigen Arbeitsschritten ausgeh&rtet. Das macht es schwierig, Fehier etwa im Laminat zu erkennen und - falls n5tig - auszubessern. Daraus sind for die Pro- duktion Konsequenzen zu ziehen. Das DeWind D8-Blatt wird deshalb in Seg- menten vorgefertigt und anschlieBend zusammengef0gt.

Die Hauptsegmente aus Kohlenstoff- fasern werden segmentiert gefertigt und komplett ausgeh&rtet. AnschlieSend wird deren Qualit~t detailliert kontrolliert. Dar- aus resultieren deutlich engere Ferti- gungstoleranzen als 0blich, auch das ist ein Erfolg der Entwicklungsarbeit und der Erfahrungen, die DeWind mit dem Koh- lenstofffasernblatt machen konnte.

7.1 P r e p r e g - V e r f a h r e n Begonnen wurde die Produktion voll- st&ndig im Prepreg-Verfahren, das ge- genOber dem Einlegeverfahren, das kon- vendonell eJngesetzt wird, deutliche Vor- teile hat, Vorgefertigte Expoxy-Halbzeu- ge werden dabei in die Form einge- bracht, ohne dasses zu den im Nass- verfahren h&ufigen gesundheitlichen Be- eintr~chtigungen der Fertigungsmitar-

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praxis wissen

beiter kommt. Nachteile des Prepreg- Verfahrens sind h6here Kosten im Ver- gleich zum Nasseinlegeverfahren oder auch dem Vakuum-lnfusionsverfahren und die eingeschr&nkte Kompaktierbar- keit, wenn sehr gro6e Wanddicken oder sph&risch anspruchsvolle Geometrien nur unter Vakuum ausgeh~rtet werden sollen - und nicht wie im Flugzeugbau ~)blJch unter hohem Druck mit Hilfe eines Autoklaven.

7 . 2 K o m b i n i e r t e V e r f a h r e n s t e c h n i k FOr die Serie hat DeWind schlieSlich eine kombinierte Ver fah rens techn ik ent- wickelt. Die Kohlenstofffasergurte wer- den weiter im Prepreg-Verfahren gefer- tigt. Der Rest des Blattes - das heist die Sandwichpartien, die 0berg&nge und vor allem die Blattwurzel - wird im Vaku- uminjektionsverfahren hergestellt. Auf diese Weise kann auf die sehr unter- schiedlichen Anforderungen der ver- schiedenen Blattbereiche eingegangen und zugleich eine hohe Produktqualit&t erreicht werden. Unterschiedliche Fer~i- gungstechniken erf011en damit auch f~r die konstruktive Seite essentielle Aufga- ben (Abb. 5).

Mit dem neuen D8-Rotorblatt in Car-

Abb. 6. Das DeWind D8-Blatt (Foto: DeWind/Jan Oelker)

bon-Leichtbauweise hat DeWind die Ent- wicklung weiter entscheidend vorange- trieben, was sich in hoher Wirtschaftlich- keit nicht zuletzt durch die ausgefeilte Aerodynamik zeigt. Ein weiteres Plus ist die hohe Solidit&t der Anlage generell und speziell des Rotorblatts aufgrund

der besonderen Haltbarkeit der verwen- deten Werkstoffe.

Autor- Siegfried Vullriede, DeWind GmbH, Seelandstra6e 1, D-2356g UJbeck, E-Mail: siegfried.vullriede@dewind.de Internet: www.dewind.de

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