NREL innoviert nachhaltige Windturbinenblatt-Produktion durch additive Fertigung

Ein Team von Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL, Golden, Colorado, USA), geleitet von NREL Senior Wind Technology Engineer Derek Berry, setzt seine neuartigen Techniken zur Herstellung fortschrittlicher Windturbinenblätter fort, indem es die Kombination von recycelbaren Thermoplasten und additiver Fertigung (AM) weiter vorantreibt. Der Fortschritt wurde durch Finanzierung vom U.S. Department of Energy's Advanced Manufacturing Office ermöglicht – Auszeichnungen, die darauf abzielen, Technologieinnovation zu stimulieren, die Energieproduktivität der US-Fertigung zu verbessern und die Herstellung hochmoderner Produkte zu ermöglichen.

Heute haben die meisten großmaßstäblichen Windturbinenblätter dasselbe Klappenschalen-Design: Zwei Glasfaser-Blatthäute werden mit Klebstoff verbunden und nutzen ein oder mehrere Verbundwerkstoff-Versteifungselemente, sogenannte Schubstege, ein Prozess, der in den letzten 25 Jahren für Effizienz optimiert wurde. Um Windturbinenblätter jedoch leichter, länger, kostengünstiger und effizienter bei der Windenergieernte zu machen – Verbesserungen, die entscheidend für das Ziel sind, Treibhausgasemissionen teilweise durch Erhöhung der Windenergieproduktion zu senken – müssen Forscher das konventionelle Klappenschalen-Design vollständig neu denken, was der primäre Fokus des NREL-Teams ist.

Als Anfang konzentriert sich das NREL-Team auf das Harzmatrix-Material. Aktuelle Designs basieren auf duroplastischen Harzsystemen wie Epoxiden, Polyestern und Vinylestern, Polymeren, die nach dem Aushärten wie Brombeeren vernetzen.

„Sobald man ein Blatt mit einem duroplastischen Harzsystem produziert, kann man den Prozess nicht umkehren“, sagt Berry. „Das macht das Blatt auch schwer recycelbar.“

In Zusammenarbeit mit dem Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tennessee, USA) in NRELs Composites Manufacturing Education and Technology (CoMET) Facility entwickelte das multi-institutionelle Team Systeme, die Thermoplaste nutzen, die im Gegensatz zu duroplastischen Materialien erhitzt werden können, um die ursprünglichen Polymere zu trennen, was End-of-Life (EOL) Recyclingfähigkeit ermöglicht.

Thermoplastische Blattteile können auch durch einen thermischen Schweißprozess verbunden werden, der den Bedarf an Klebstoffen eliminieren könnte – oft schwere und teure Materialien – was die Recyclingfähigkeit der Blätter weiter erhöht.

„Mit zwei thermoplastischen Blattkomponenten hat man die Fähigkeit, sie zusammenzubringen und durch Anwendung von Wärme und Druck zu verbinden“, sagt Berry. „Das kann man mit duroplastischen Materialien nicht.“

Vorwärtsgehend werden NREL zusammen mit Projektpartnern TPI Composites (Scottsdale, Arizona, USA), Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, USA), Ingersoll Machine Tools (Rockford, Illinois, USA), Vanderbilt University (Knoxville) und IACMI innovative Blattkernstrukturen entwickeln, um die kosteneffiziente Produktion von hochleistungsfähigen, sehr langen Blättern – weit über 100 Meter Länge – zu ermöglichen, die relativ leicht sind.

Durch den Einsatz von 3D-Druck kann das Forschungsteam die Art von Designs produzieren, die nötig sind, um Turbinenblätter mit hochentwickelten, netzgeformten strukturellen Kernen variierender Dichten und Geometrien zwischen den strukturellen Häuten des Turbinenblatts zu modernisieren. Die Blatthäute werden mit einem thermoplastischen Harzsystem infundiert.

Wenn sie Erfolg haben, wird das Team das Turbinenblattgewicht und die Kosten um 10 % (oder mehr) und die Produktionszykluszeit um mindestens 15 % reduzieren.

Zusätzlich zum primären AMO FOA Award für AM-thermoplastische Windturbinenblattstrukturen werden zwei Subgrant-Projekte auch fortschrittliche Windturbinenfertigungstechniken erforschen. Die Colorado State University (Fort Collins) leitet ein Projekt, das ebenfalls 3D-Druck nutzt, um faserverstärkte Verbundwerkstoffe für neuartige interne Windblattstrukturen herzustellen, mit Owens Corning (Toledo, Ohio, USA), NREL, Arkema Inc. (King of Prussia, Pa., USA) und Vestas Blades America (Brighton, Colo., USA) als Partnern. Das zweite Projekt, geleitet von GE Research (Niskayuna, N.Y., USA), heißt AMERICA: Additive and Modular-Enabled Rotor Blades and Integrated Composites Assembly. Partner von GE Research sind Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tenn., USA), NREL, LM Wind Power (Kolding, Dänemark) und GE Renewable Energy (Paris, Frankreich).