NREL erkundet einen neuartigen Herstellungsansatz für Windturbinenblätter der nächsten Generation

Ein Team von Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL, Golden, Colorado, USA) unter der Leitung von NREL Senior Wind Technology Engineer Derek Berry entwickelt seine neuartigen Techniken zur Herstellung fortschrittlicher Windturbinenblätter weiter, indem es seine Kombination aus recycelbaren Thermoplasten und Additive Fertigung (AM). Der Fortschritt wurde durch die Finanzierung des Advanced Manufacturing Office des U.S. Department of Energy ermöglicht – Auszeichnungen, die darauf abzielen, technologische Innovationen anzuregen, die Energieproduktivität der US-amerikanischen Fertigung zu verbessern und die Herstellung hochmoderner Produkte zu ermöglichen.

Heutzutage haben die meisten Windturbinenblätter im Utility-Maßstab das gleiche Clamshell-Design:Zwei Glasfaserblatthäute werden mit Klebstoff zusammengeklebt und verwenden eine oder mehrere Verbundversteifungskomponenten, sogenannte Scherstege, ein Verfahren, das in den letzten 25 Jahren auf Effizienz optimiert wurde. Um die Rotorblätter von Windkraftanlagen jedoch leichter, länger, kostengünstiger und effizienter bei der Gewinnung von Windenergie zu machen – Verbesserungen, die entscheidend für das Ziel sind, die Treibhausgasemissionen teilweise durch die Erhöhung der Windenergieproduktion zu senken – müssen Forscher die herkömmliche Clamshell vollständig überdenken der Hauptfokus des NREL-Teams.

Zu Beginn konzentriert sich das NREL-Team auf das Harzmatrixmaterial. Aktuelle Designs basieren auf duroplastischen Harzsystemen wie Epoxiden, Polyestern und Vinylestern, Polymeren, die sich nach dem Aushärten wie Brombeeren vernetzen.

„Sobald Sie eine Klinge mit einem duroplastischen Harzsystem hergestellt haben, können Sie den Prozess nicht mehr umkehren“, sagt Berry. „Das erschwert [auch] das Recycling der Klinge.“

In Zusammenarbeit mit dem Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tennessee, USA) in der Composites Manufacturing Education and Technology (CoMET) Facility von NREL entwickelte das institutsübergreifende Team Systeme, die Thermoplaste verwenden, die im Gegensatz zu duroplastischen Materialien hergestellt werden können erhitzt, um die ursprünglichen Polymere zu trennen, was eine Recyclingfähigkeit am Ende der Lebensdauer (EOL) 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 zusammenzuführen und durch Anwendung von Hitze und Druck zu verbinden“, sagt Berry. „Das geht nicht mit duroplastischen Materialien.“

In Zukunft wird NREL zusammen mit den Projektpartnern TPI Composites (Scottsdale, Arizona, USA), Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, USA), Ingersoll Machine Tools (Rockford, Illinois, USA), Vanderbilt University (Knoxville) und IACMI , wird innovative Schaufelkernstrukturen entwickeln, um die kosteneffiziente Produktion von leistungsstarken, sehr langen Schaufeln – weit über 100 Meter Länge – bei relativ geringem Gewicht zu ermöglichen.

Das Forschungsteam sagt, dass es mithilfe von 3D-Druck die Arten von Designs herstellen kann, 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 Turbinenschaufeln um 10 % (oder mehr) und die Produktionszykluszeit um mindestens 15 % reduzieren.

Neben dem erstklassigen AMO FOA Award für AM thermoplastische Windturbinen-Blattstrukturen werden in zwei Sub-Grant-Projekten auch fortschrittliche Herstellungsverfahren für Windturbinen untersucht. Die Colorado State University (Fort Collins) leitet mit Owens Corning (Toledo, Ohio, USA), NREL, Arkema Inc. (König von Prussa, PA, USA) und Vestas Blades America (Brighton, Colorado, USA) als Partner. Das zweite Projekt unter der Leitung von GE Research (Niskayuna, N.Y., USA) trägt den Namen AMERICA:Additive and Modular-Enabled Rotor Blades and Integrated Composites Assembly. Partner von GE Research sind das Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, USA), NREL, LM Wind Power (Kolding, Dänemark) und GE Renewable Energy (Paris, Frankreich).