In den letzten Jahren hat sich aus der Windenergie ein milliardenschwerer Markt entwickelt, der Sogwirkung auf andere Industriezweige besitzt. Geschichtlich gesehen begann die eigentliche Blütezeit der Windkraft im 10. Jahrhundert. Wegen des vergleichsweise geringen Windaufkommens im Mittelmeerraum nutzten die ersten Turmwindmühlen dort schon zeitgemäßen Leichtbau: Statt Holzflügeln wurden mit Segeltuch bespannte Flügelkreuze verwendet. Zwischen 1600 und 1800 standen in Europa rund 200.000 Anlagen, weltweit waren es sogar mehrere Millionen.
Zum Vergleich: In Deutschland drehen sich derzeit nach Angaben des Fraunhofer Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES, Bremerhaven, knapp 23.300 Windräder mit einer Nennleistung von insgesamt knapp 31.400 MW. Die Windenergie erlebt weltweit eine neue Blütezeit und der deutsche Windmarkt profitiert kräftig. Nach Erhebungen der Deutschen Windguard im Auftrag des Bundesverbandes Windenergie (BWE), Berlin, und VDMA Power Systems (VDMA PS), Frankfurt, wurden 2012 998 Windenergieanlagen – WEA – mit einer Leistung von 2.415 MW neu installiert. Damit ging rund 20 Prozent mehr Leistung ans Netz.
International führend bei der installierten Nennleistung sind seit einigen Jahren China und USA. Die weltweit installierte Windleistung on- und offshore ist von 238 GW (2011) auf über 282 GW (2012) gestiegen.
Dies entspricht einem Kapazitätszuwachs von 18,5 Prozent. Deutsche Unternehmen bauen kontinuierlich die Serienfertigung für Offshore-Anlagen, Fundamente und Großkomponenten vor der deutschen Küste weiter aus. Insgesamt wurden in letzter Zeit Fertigungsstätten, Infrastruktur und Logistik mit einem Investitionsvolumen von weit über einer halben Milliarde Euro aufgebaut. Ein Beispiel ist die Neueröffnung des Rotorblattwerks von Enercon in Haren, einem der führenden Hersteller. Pro Woche werden hier ein bis zwei Blattsätze ausgeliefert, künftig sollen etwa 600 Mitarbeiter jährlich bis zu 300 Rotorblätter des Typs E-101 produzieren.
Hohe Innovationskraft und eine dynamische Entwicklung sind typische Kennzeichen einer noch jungen Technologie. Damit die Windenergie weiter wachsen kann, ist sie auf die Expertise von Spezialisten für Faserverbund-Technologie angewiesen, denn Faserverbundwerkstoffe sind beim Bau moderner Windenergieanlagen unverzichtbar.
CFK und GFK lassen Rotorblätter wachsen
Kompetentes Personal benötigen die Windkrafthersteller vor allem für die Realisierung einer kleinen Technologie-revolution: Windräder mit bis zu 80 m langen Rotorblättern, also 160 m Rotordurchmesser, sollen in Offshore-Windparks zukünftig für maximale Energieausbeute bei minimalen Wartungskosten sorgen.
Wieder ein Vergleich: Heute haben Windkraftanlagen an Land meist Rotorblattlängen zwischen 25 und 50 m, in einzelnen Offshore-Anlagen kommen bereits Blätter mit einer Länge von 65 m zum Einsatz. Dabei nimmt die Länge der Rotorblätter auch im Durchschnitt zu. Waren es vor drei Jahren noch etwa 90 m Rotordurchmesser liegen heute neu installierte Anlagen im Durchschnitt bei 120 m Rotordurchmesser – verbunden mit den entsprechenden erhöhten Anforderungen an das Material der Rotorblätter. Bei der Konstruktion sehr langer Rotorblätter ist die Festigkeit von zentraler Bedeutung. Schließlich müssen die Riesenblätter über 20 Jahre und länger den hohen Belastungen standhalten können. Zur Steigerung der Belastungsfähigkeit werden deshalb auch die kostengünstigen Glasfasern zunehmend durch die leistungsfähigeren Kohlenstofffasern verstärkt. Trotz des weiteren Ausbaus der WEA ist dieser Markt für GFK derzeit rückläufig, wobei die Windkraftbranche noch immer zu den traditionell größten Abnehmern gehört. So konstatieren die Experten des AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe, Frankfurt, in ihrem Composites-Marktbericht nach einer Stagnation Jahr 2011 für 2012 den im GFK-Markt relativ stärksten Einbruch um insgesamt neun Prozent bei den so genannten offenen Verfahren (Handlaminieren, Faserspritzen).
Dies sind jedoch genau die Techniken, die bei der Herstellung von Rotorblättern – gerade bei kleineren Unternehmen, die Einzelfertigung betreiben und nur geringe Stückzahlen herstellen – eine wichtige Rolle spielen. „Weiterhin wird die Produktion der immer noch überwiegend aus GFK gefertigten Windkraftflügel teilweise ins Ausland verlagert und es gibt wegen der erforderlichen Materialeigenschaften der immer größer werdenden Rotorblätter teilweise eine Substitution durch CFK, für die diese das Haupteinsatzgebiet sind“, heißt es in dem Bericht weiter. Demnach wird der größte Anteil (23 Prozent) an CFK für Rotorblätter in Windkraftanlagen eingesetzt. Für kohlefaserverstärkte Kunststoffe ist die Windkraftindustrie daher ein Wachstumsmarkt. Bis 2015 wird den Experten zufolge mit einem Jahresbedarf an Carbonfasern von rund 22.700 t, für 2020 gar von rund 54.270 t gerechnet. So sind auch auf der diesjährigen internationalen Fachmesse Composites Europe Einblicke in die Composites-Innovationen für die Windkraftbranche angekündigt. Die Hoffnung: Mehr automatisierte CFK-Verarbeitung im großen Stil, statt mühsamer Handarbeit bei der Herstellung von Rotorblättern aus GFK.
CFK soll Serienfertigung erleichtern
Ein junges Joint Venture scheint diesen Weg zu beschreiten. Im Juni gaben die CFK-Spezialisten der SGL Group, Wiesbaden, eine strategische Partnerschaft mit dem koreanischen Industrie-Giganten Samsung bekannt, der einen Fokus auf die Herstellung von Rotorblättern richten wird. Wie aktiv die Koreaner im Bereich Composites sind, zeigt auch ein Joint Venture zwischen Samsung Heavy Industries und dem dänischen Unternehmen SPP Technology. Im Rahmen dieser Kooperation wurde kürzlich das mit 83,5 m derzeit größte Rotorblatt für Windkraftanlagen entwickelt. Der Rekord-Flügel ist Teil eines Rotors, der später 171,2 m Durchmesser haben wird und eine 7-Megawatt-Turbine antreibt. Nach Tests beim Fraunhofer-Institut IWES soll er ab 2015 in Südkoreas erstem Offshore-Windpark zum Einsatz kommen. Die Kernmaterialien Probalsa 150 und Divinycell H80 liefert die Diab Goup, Laholm, Schweden. Jede Schale wird in einem Werkzeug mit den Verarbeitungsverfahren VARTM (vacuum assisted resin transfer moulding), Prepreg und Handlaminieren produziert.
Eine weitere Kooperation beschäftigt sich mit der Entwicklung von Kernmaterialien für Rotorblätter: Der US-Chemieriese Dow will zusammen mit den Verbundwerkstoff-Spezialisten von 3A Composites, Singen, in einer strategischen Partnerschaft produktivere und zuverlässigere Lösungen für den Windenergie-Sektor entwickeln. Ein weiterer Großkonzern, der sich intensiv mit Materialien für die Windkraftbranche beschäftigt, ist die BASF, Ludwigshafen. Das Unternehmen hat unter dem Handelsnamen Kerdyn einen Hochleistungsschaum auf Basis von PET entwickelt, der im Inneren der Rotorblätter verwendet wird und ihnen zusätzliche Stabilität verleiht. Für die Vakuuminfusion der immer größer werdenden Windflügel wurde das niedrigviskoes Harzsystem Baxxodur 5100 entwickelt. Es führt zu einer schnellen und vollständigen Tränkung der Fasern und lässt sich im Vergleich zu Standardsystemen länger verarbeiten. Der auf Epoxidharz basierende schnelle Strukturkleber Baxxodur 4100 ist vom Germanischen Lloyd für die Rotorblattherstellung zertifiziert.
Das Unternehmen Zoltek, Nyergesujfalu, Ungarn, ein Spezialist für CFK hat Laminate entwickelt, die als pultrudierte Profile zur strukturellen Verstärkung moderner Windflügel-Schalen zum Einsatz kommen. Mit dem Zwischenprodukt will das Unternehmen, einen Trend bei der Herstellung setzen und die Serienfertigung erleichtern, indem „vorgehärtete“ oder „produktionsfertige“ CFK-Materialien als Strukturbauteile angeboten werden. Und Bayer Material Science, Leverkusen, treibt die Entwicklung Polyurethanbasierter Infusionsharze für die industrielle Fertigung voran, mit deren Hilfe die Zykluszeit verkürzt werden soll. Das Unternehmen geht davon aus, dass eine automatisierte Fertigung von Rotorblättern mit Robotern möglich ist. „Durch die Verwendung von PUR-Harzen könnte die Zykluszeit pro Blatt von aktuell 16 bis 24 Stunden auf sieben bis acht Stunden gesenkt und dadurch die Produktivität deutlich gesteigert werden“, erläutert Kim Harnow Klausen, Leiter des globalen Windkraft-Kompetenzzentrums von BMS.
Rund ein Viertel der Gesamtkosten einer WEA entfällt auf die Rotorblätter, so eine Studie von Mentor Consulting, Durban, Südafrika, was auch auf den hohen manuellen Anteil bei der Fertigung zurückzuführen ist. Die Senkung dieser Kosten ist deshalb ein wichtiger Treiber für Entwicklungen. Verstärkt wird dies durch auf den Weltmarkt drängende asiatische Hersteller.
Kosten- und Wettbewerbsdruck treibt Automatisierung
Der Kosten- und Wettbewerbsdruck ist sogar so hoch, dass keiner der drei angefragten Rotorblatthersteller sich in einem Interview zu den spezifischen Herausforderungen in der Produktion äußern wollte, um nicht wettbewerbsrelevantes Know-how preiszugeben. In seinen neuen Rotorblattwerken setzt Enercon beispielsweise auf halbautomatisierte Fertigungsverfahren. So wurde die Fließfertigung durch einen höheren Automatisierungsgrad beschleunigt. Beispielsweise werden Druck- und Saugseite der Rotorblätter automatisch mit Hilfe eines Verklebeportals verbunden. Auch die mechanische Bearbeitung der Blattflansche sowie die Lackierung der Blattrohlinge wurden durch ein Fräszentrum bzw. durch Lackierroboter automatisiert.
Im Projekt „BladeMaker“ arbeitet das Fraunhofer Institut IWES zusammen mit 17 weiteren Partnern an einer automatisierten Rotorblattfertigung und nimmt dabei die gesamte Fertigungskette in den Fokus. Das Projekt läuft seit Oktober 2012 und noch bis Ende 2017. Ziel sind Automatisierungslösungen, um die großen Komponenten kostengünstiger, schneller und in besserer Qualität herstellen zu können – durch eine Umstellung von Kleinserienfertigung auf großindustrielle Produktion. Dazu werden im Projekt aber nicht nur die Fertigung an sich, sondern auch das Rotorblattdesign und die Werkstoffe betrachtet. Am Ende der fünfjährigen Laufzeit soll ein „Blade-Maker-Blatt“ entworfen werden, das für eine automatisierte Fertigung optimiert ist. „Das Blade-Maker-Design gibt einen Ausblick auf das, was man automatisiert erreichen kann“, erläutert Florian Sayer, Abteilungsleiter des Kompetenzzentrums Rotorblatt, das Vorhaben.
Rotorblätter werden künftig mitdenken
Vor dem Hintergrund einer kostensenkenden hohen Verfügbarkeit werden auch die Rotorblätter selbst und ihre Funktion weiter optimiert. Smart Blades – mitdenkende Rotorblätter – sollen künftig eine Stromerzeugung auch bei starken Windböen ermöglichen. Die Herausforderung dabei ist, dass die Rotorblätter durch die aktiven Mechanismen fehleranfälliger, teurer, schwerer und wartungsintensiver werden könnten. Ziel des Forschungsprojektes ist es daher, die Machbarkeit und die Effizienz von Smart Blades unter Beweis zu stellen. Daran arbeiten gemeinsam im Forschungsverbund Windenergie das Fraunhofer IWES, ForWind – Zentrum für Windenergieforschung sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die Forscher erwarten, dass durch die Anpassungsfähigkeit der Smart Blades die Last auf das Rotorblatt gemindert wird. Sie wollen ein aerodynamisch optimiertes und leichteres Design umsetzen. Dadurch sollen die Lebensdauer der Anlage erhöht und Material- und Logistikkosten eingespart werden. Die Windenergie muss mittel- bis langfristig einen großen Teil unseres Energiebedarfs decken – und das zu möglichst geringen Kosten. Im Sog des Windes wird daher an unterschiedlichen Themen mit Hochdruck gearbeitet.
Produktionstechnologien und Materialentwicklungen und das gewonnene Know-how der Fachleute können in der Folge für andere Branchen nutzbringend eingesetzt werden.
Technik im Detail
Die Rotorblattproduktion
Stand der Technik in der Rotorblattproduktion ist das so genannte Vakuuminfusions-Verfahren. Zu diesem Zweck werden zwei Formen bzw. Blatthälften mit Glas- oder Kohlenstofffaser-Bahnen belegt. Dieser Arbeitsschritt ist fast vollständig manuell. Anschließend unter Vakuum ein Harz injiziert, das die Bahnen verklebt. Nach dem Aushärten werden die Hälften zusammengefügt und lackiert. (Quelle: Fraunhofer Institut IWES).
Nachgehakt
Welche Werkstoffeigenschaften werden in den unterschiedlichen Bauteilen ausgenutzt?
Daun Die meisten Rotorblätter bestehen aus drei Arten von Bauteilen: Einem ringförmigen, massiven Wurzelsegment zur Anbindung an die Nabe, einer tragenden Struktur aus zwei massiven Gurten, die in Längsrichtung durch ein bis zwei Stege verbunden sind, und einer Hüllstruktur in Sandwichbauweise, die die aerodynamische Aufgabe übernimmt. Für die massiven glasfaserverstärkten Elemente der immer größer werdenden Rotorblätter müssen moderne Epoxidsysteme zunächst langsam aushärten, um die Bauteile gut füllen zu können. Das gilt insbesondere für die Tränkung der nun häufiger eingesetzten Kohlefaser, die aufgrund ihrer geringen Faserstärke schwerer zu durchdringen ist. Die Systeme müssen zudem den hohen mechanischen Anforderungen genügen – insbesondere bei mehrjähriger schwingender Beanspruchung. Strukturschäume beispielsweise aus Polyethylenterephthalat (PET) werden als Kernmaterialien für die Sandwichstrukturen in der Schale und im Steg eingesetzt. Dort müssen sie insbesondere hohe Scherkräfte übertragen und ebenfalls bei dynamischer Belastung eine hohe Lebensdauer erreichen.
Welche Anforderungen werden an die Werkstoffe gestellt?
Daun Die Kunststoffe müssen in Verbindung mit den Fasern hohe statische und dynamische Lasten aufnehmen. Gerade bei Rotorblättern mit ihrer typischen schwingenden Belastung bei jeder einzelnen Umdrehung müssen sie über mehr als zwanzig Jahre ermüdungsarm sein. Die Anforderungen ändern sich je nach Position und Element im Rotorblatt. Daher passen die Designer Materialdicke und Ausrichtung der Fasertextilien dem Bedarf an, da die Fasern die Kräfte aufnehmen. Ändert sich die Kraftrichtung im Blatt, so muss sich auch die
Faserrichtung anpassen. Die Kunststoffe vernetzen diese mehrdimensional ausgerichteten Fasern effektiv, sind aber meist im ganzen Blatt dieselben. Bei den Kernmaterialien hingegen gibt es Unterschiede. Hier werden belastungsabhängig unterschiedliche Werkstoffe ein-
gesetzt.
Welche spezifischen Herausforderungen gibt es bei der Herstellung der Rotorblätter?
Daun Moderne Reaktivsysteme für die Vernetzung der Fasern oder das Verkleben von Bauteilen sollen eine lange Verarbeitungszeit haben, da die Blätter immer größer werden und die zu tränkenden und zu verklebenden Oberflächen stetig wachsen. Nach der Verarbeitung sollten die Systeme bei etwa 70°C in wenigen Stunden aushärten, um die Bauteile entformen und die Form für das nächste Rotorblatt frei machen zu können.
Gibt es zukunftsweisende neue Materialentwicklungen?
Daun Zurzeit steht die Branche vor allem unter einem hohen Kostendruck: Wir arbeiten an Neuentwicklungen, die die Rotorblattfertigung effizienter machen. Das können Systeme sein, die kürzere Zykluszeiten ermöglichen, aber auch Systeme, die eine definierte Leistung zu niedrigeren Kosten erbringen und damit variable Kosten senken. Materialien mit verbesserten Kennwerten ermöglichen darüber hinaus Chancen, bereits beim Design Material einzusparen.
