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Rotorblätter aus Stahl Metall macht Windkraft noch umweltfreundlicher

Rotorblätter könnten wiederverwertbar und billiger werden, wenn man sie aus Stahl baut - zumindest bei kleinen Anlagen.

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Faserverstärkte Kunststoffe sind das Maß aller Dinge. Sie sind leicht, extrem fest, haltbar und flexibel zu verarbeiten. Deshalb findet man sie in Autos, Flugzeugen und auch Rotorblätter von Windkraftanlagen (kurz: WEA) bestehen daraus. Doch diese Kunststoffe lassen sich leider kaum recyceln, die Wiederverwertung ist sehr aufwendig.

Bisher werden in Deutschland ausgediente Mühlen daher meist in andere Länder weiterverkauft. Doch schon länger suchen Unternehmen und Wissenschaftler nach Alternativen. Und Marco Pröhl, Wirtschaftsingenieur beim Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, könnte eine gefunden haben.

Er entwickelte eine WEA mit Rotorblättern aus Stahl. Die ist zwar wesentlich schwerer, kann aber zu gut 90 Prozent wiederverwendet werden. Bei kleineren Anlagen könnte das durchaus sinnvoll sein, während bei größeren Windrädern teurere Leichtmetalle zum Einsatz kommen müssten.

"Mit Metallrotorblättern wird Windkraft daher wirklich umweltfreundlich“, wirbt Pröhl für seine Idee. Und das sieht nicht nur er so: Mit dem dazugehörigen Forschungsprojekt "HyBlade" gewann er bereits den sogenannten Stahlinnovationspreis.

Bis zu 90 Prozent günstigerStahl hat einige Vorteile. "Die Flügel sind schneller produziert. So dauert die Herstellung eines fertigen Rotorblatts nur etwa 30 Sekunden. Bei faserverstärkten Kunststoffen werden dagegen oftmals mehrere Stunden benötigt", erklärt Pröhl.

Das Wichtigste ist jedoch, dass die Anlage im Fertigungsprozess zwischen 80 und 90 Prozent günstiger als vergleichbare Mühlen. Dafür sorgt ein Verfahren aus der Autoindustrie ...

Gemeinsam mit Forschungskollegen der Freien Universität Brüssel entwickelte Pröhl die Aerodynamik sowie die Prozessketten für die Fertigung der Windräder. Zum Einsatz kommt ein Verfahren aus der Automobilproduktion: Das sogenannte Hydroforming. Dabei wird das Metall in eine Form gelegt und mit hohem Druck an diese angepasst, so dass es am Ende deren Aussehen angenommen hat.

Das lässt den Preis für die Herstellung deutlich sinken: „Verglichen mit konventionellen Kunststoffmaterialen senken wir die Fertigungskosten um bis zu 90 Prozent“, so Pröhl. Allerdings sind die WEA nicht horizontal wie die meisten Windmühlen – sie sind als Vertikalachs-Windkraftanlage ausgelegt. Ein Konzept, das sich bisher nicht durchgesetzt hat, da es weniger effizient ist. Es eignet sich eben eher für kleinere Anlagen, für Firmen zur Eigenstromproduktion oder für Kommunen und Ferieninseln. "Allerdings können wir die Flügel wesentlich genauer fertigen, was sich positiv auf die Aerodynamik auswirkt", so Pröhl.

Der Grund für diese Unterschiede liegt in den Fertigungsprozessen. Bei Flügeln aus faserverstärkten Kunststoffen ist oftmals viel Handarbeit notwendig: Zunächst muss eine passende Form für die Flügel hergestellt werden. Je nach Fertigungsvariante legen die Arbeiter Fasermatten in diese Form, injizieren Harz und härten das Teil für mehrere Stunden im Ofen aus. Sie erhalten so zwei Halbschalen, deren Ränder sie zunächst beschneiden und die sie anschließend aufeinander kleben.

Diese Schritte lassen sich zwar auch wie in der Blechteilfertigung zeitgleich durchführen – das ändert jedoch nichts an ihrem hohen Zeitbedarf. Man bräuchte Dutzende gleichzeitig laufende Anlagen, wollte man die Flügel ebenso schnell fertigen wie jene aus Metall, erklärt der Wissenschaftler.

Rotorblätter wie aus der AutoindustrieDie Herstellung von Metallrotoren hingegen lässt sich gut automatisieren, denn die Prozesse entsprechen denen der Automobilindustrie. Sie eignet sich daher für die Serienfertigung. Ausgangsmaterial ist ein flaches Stahlblech. Dieses kanten die Forscher mit einem Biegestempel ab, sodass es bereits die typische Flügelform erhält. Die Ränder verschweißen sie mit einem Laser – ein geschlossenes Profil entsteht und kann mit Hydroforming fertiggestellt werden. "Da wir dabei die Flügel von innen nach außen umformen, können wir alle Ungenauigkeiten aus vorherigen Schritten ausgleichen", erläutert Pröhl.

Ein Flügel mit 15 Zentimetern Breite und 30 Zentimetern Länge war der erste Schritt. Das internationale Interesse war bereits groß: "Mit drei Unternehmen wurden Geheimhaltungsvereinbarungen zur weiteren Entwicklung abgeschlossen", verrät IWU-Sprecher Hendrik Schneider.

Inzwischen ist aus der Mini-Mühle eine vorzeigbare Anlage mit 2,8 Meter Flügellänge geworden. Mit Rotorblättern aus 1,75 mm dickem Stahlblech, einer Nennleistung von 1,5 kW und einem Gewicht von 280 Kilogramm. Dieser Prototyp stellt derzeit an der belgischen Küste seine Betriebsfähigkeit unter Beweis. Ein fertiges Produkt ist das aber nicht: "Wir haben es entwickelt um den Machbarkeitsnachweis der Prozesskette und Technologie zu liefern", betont Schneider. Bei der fertigen Anlage kann man mit besseren Werten rechnen.

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