Entwicklung eines dynamischen Windkraftflügels

Forschungsprojet mit REHAU Expertise

Von der Natur beflügelt

Alles, was sich mittels Strömung fortbewegt, setzt in der Tierwelt auf Dynamik. Der Vogel spreizt und dreht seine Flügel, Fische drehen und variieren ihre Flossen, um den Auf- oder Vortrieb zu steuern. Mit Hilfe der Bionik hat der Mensch gelernt, die Mechanismen von der Natur in die Technik zu übertragen. Das Flugzeug fährt seine Landeklappen aus, der Spoiler am Auto bewegt sich geschwindigkeitsabhängig.

Das inspirierte Professor Helge Aagaard Madsen von der Technischen Universität Dänemark (DTU), die Dynamik auch auf die Windkraft zu übertragen. Erste Ansätze zur Bionik gibt es bereits von Siemens Gamesa, die ihre Rotorblätter mit sogenannten Dino-Tails ausstatten, um Geräusche, die aufgrund von Luftturbulenzen entstehen, zu verringern. REHAU arbeitet nun an der nächsten Ausbaustufe mit, der Dynamisierung.

Doch der Flügel bleibt letztendlich statisch. In einem Interview erläutert Professor Madsen, welche Potenziale in der Dynamisierung für die Windkraft stecken.

^{Interview mit Prof. Helge Aagaard Madsen, DTU, Denmark}

^{Das Interview führten Peter Michels, Projektleiter und Cornelia Martin, Corporate Communications bei REHAU}

Professor Madsen, die Windkraft ist ein fester Bestandteil im Mix der regenerativen Energien. Welche Potenziale für die Stromversorgung der Zukunft sehen Sie speziell in der Windkraft?

Um den Bedarf an erneuerbaren Energien zu decken, müssen wir noch immense Anstrengungen unternehmen. Allein der Anteil von Solarenergie und Windpower muss von 4,5 % im Jahr 2015 auf zirka 60 % im Jahr 2050 wachsen, gemäß der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien¹ (IRENA).

Von welchen Prozentzahlen für den Strommix sprechen wir heute und in Zukunft, bezogen auf Europa?

Laut dem zentralen Szenario von WindEurope² müssten bis 2030 323 Giga Watt Windenergie-kapazität in der EU installiert sein. Davon knapp drei Viertel On-Shore (an Land) und ein Viertel Off-Shore (im Meer). Das wäre mehr als das Doppelte der Ende 2016 installierten Leistung (160 GW). Mit dieser Kapazität würde man 888 TWh Strom mittels Windenergie produzieren, was 30 Prozent des Strombedarfs der EU entspricht.

Im Jahr 2018 lag die durchschnittliche Quote für erneuerbare Energien in der EU bei 14 %. Dänemark ist mit 41 % Vorreiter, gefolgt von Irland mit 28 % und Portugal mit 24 %. Deutschland liegt aktuell etwa bei 14 %.

Entscheidend wird dabei sein, dass wir parallel die Technologien vorantreiben, die die gewonnene Energie puffern oder speichern. Zum Beispiel über Wasserstoff.

Seit wann liefen Ihre Forschungsarbeiten und wie kam es zu dieser Zusammenarbeit von DTU, Siemens Gamesa und REHAU?

Von 2006 bis 2009 befassten wir uns an der Technischen Universität Dänemark am Campus Risø in Roskilde mit der Grundlagenforschung der Flügeltechnologie. Am Ende der Forschungsreihe konnte im Windkanal nachgewiesen werden, dass die Dynamisierung zu einer Effizienzsteigerung beitragen wird. Wir konnten im Labor beweisen, dass durch eine variable Flügelform die Gesamtenergieausbeute einer Windkraftturbine gesteigert werden kann.

Über einen Zeitungsartikel wurde Martin Heisterberg, Länderchef REHAU Nordic, so auf das Projekt aufmerksam und suchte den Kontakt zu mir. Ein perfekter Zeitpunkt. Denn unser Projekt hatte gerade neuen Rückenwind erhalten. Mit 1,2 Millionen Euro des dänischen Förderprogramms EUDP ausgestattet, waren wir auf der Suche nach industriellen Partnern, um die technische Machbarkeit nachweisen zu können.

Haben sich auch andere Firmen mit dieser Thematik beschäftigt?

Ja. Es gab einige theoretische und experimentelle Ansätze seit 2000. Doch bei der technischen Umsetzung kapitulierten die Forschungskollegen.

Was war das Besondere an diesem Projekt?

Alles. Material, Mechanik und Fertigung mussten neu gedacht werden. Es gab nichts, woran man hier anknüpfen konnte. Doch das REHAU Team bewies Forschergeist, sich auch mit einer „unlösbaren“ Aufgabe auseinanderzusetzen.

Die neue Flügelfläche sollte dynamisch werden, 25 Jahre halten, weder Metalle, mechanische Teile, elektrische Leitungen noch Elektronik enthalten. Zudem muss das gesamte System enormen Hitze- und Kälteschwankungen standhalten. Die Anforderungen an die modernen Windmühlen sind immens.

Im Herbst 2014 gelang mit REHAU der technische Durchbruch mit einem Klappenmodell. Die extremen Anforderungen wurden über eine flexible Schlauch-Profil-Kombination gelöst. Diese besteht aus einem aufblasbaren und somit dynamischen Profil und integrierten Schlauchleitungen, die die Klappe rein mechanisch über Druckluft bewegen. Steuerungseinheit und Druckluftgenerator können so in die Nabe der Rotorblätter verlagert werden.

Der Prototyp der Klappe wurde auf einem Außenprüfstand im holländischen Delft installiert, der im Rahmen des Projekts entwickelt wurde. Hier konnte die neue Klappen-Technologie praxisnah erprobt werden. Die Tests belegten, dass der Klappenprototyp den realen Betriebsbedingungen standhielt. So war beispielsweise die hohe Zentrifugallast oder die Reduktion der schwankenden Luftlasten Teil der Forschung.

Gab es auch Rückschläge?

Wir waren begeistert, dass REHAU tatsächlich ein Material gefunden hatte, das den extremen Bedingungen standhält. Jedoch fehlte anfangs der passende Kleber, der die Verbindung zu den mächtigen Siemens-Flügeln herstellte. Über die Die Co-Extrusion des Profils konnte das Haftungsproblem schließlich gelöst werden.

Endlich waren wir 2018 auf der großen Testanlage für die Feldtests und haben die ersten Erfahrungen mit der Umsetzung der Technologie auf einer Großanlage gesammelt. Unglücklicherweise zerstörte ein Blitzeinschlag den Testflügel, was das Projekt noch mal um ein halbes Jahr verzögerte.

Worin liegen die Vorteile der im Projekt entwickelten Technologie?

Das kann ich an vier entscheidenden Kriterien festmachen:

Robust und langlebig – bei Wind und Wetter. Ohne mechanischen Verschleiß
Einfache Integration – auch in bestehende Flügel
Skalierbar – für die unterschiedlichen Flügellängen (von 60 bis 100 Meter)
Wirtschaftlich attraktiv – mit verlässlichen Amortisationszeiten

Warum war die Kompetenz von REHAU hier so ausschlaggebend?

Das REHAU Team hat es verstanden, ganz tief in unsere Forschungen einzutauchen. Unser Projekt wurde auch zu ihrem Projekt. Die Kompetenz auf den Feldern Werkstoffe, Rezepturen oder Verfahren habe ich bislang kein zweites Mal erlebt. Forschung und Entwicklung scheinen fest verwurzelt in der REHAU DNA zu sein.

Wie geht es weiter?

Im Herbst 2019 ging das Projekt Windkraft für REHAU in die dritte Stufe. Unter dem Lead von SIEMENS GAMESA stehen die Hauptaktivitäten unter dem Fokus der Erprobung und der Kommerzialisierung im großen Maßstab. Ziel ist eine Steigerung der Energieeffizienz (errechnet aus einer Kombination von Produktionssteigerung und reduzierter Belastung) der Windkraftanlagen um etwa 8 Prozent. Die Markterwartungen für Offshore-Turbineninstallationen einschließlich der dynamischen Klappentechnologie liegen für die Jahre 2022 und 2023 in der Größenordnung von einem Gigawatt. Diese kann auf 3 bis 4 Gigawatt innerhalb eines Zeitraums von 3 Jahren, hauptsächlich für den europäischen Markt, hochgefahren werden.

^{1) IRENA 2019: INNOVATION LANDSCAPE FOR A RENEWABLE-POWERED FUTURE: SOLUTIONS TO INTEGRATE VARIABLE RENEWABLES
2) Wind energy in Europe: Scenarios for 2030, September 2017, Wind Europe}