Heutige Rotorblätter von Windkraftanlagen werden nahezu ausschließlich in einer zweischaligen Bauweise gefertigt. Dabei entstehen zunächst zwei separate Halbschalen, die später zur geschlossenen Blattstruktur miteinander verklebt werden. Diese Konstruktionsweise ermöglicht sehr große Blattlängen von weit über 80 m und lässt sich gut mit Faserverbundwerkstoffen umsetzen.
Die Fertigung beginnt in sehr großen, beheizten Negativformen, die jeweils eine Halbschale abbilden. In diese Formen werden Glasfaser- und teilweise Carbonfasergelege in mehreren Lagen eingelegt, meist vollständig von Hand. Auch das Kernmaterial der Sandwichstruktur wird manuell positioniert, bevor weitere Faserlagen folgen. Anschließend wird der trockene Faseraufbau unter Vakuum mit Epoxid- oder Polyesterharz infiltriert, gehärtet und aus der Form entnommen. Nach umfangreicher Nacharbeit werden in einer der Schalen Stege beziehungsweise Holme eingesetzt, die beiden Halbschalen exakt ausgerichtet und großflächig verklebt.
Dieser Prozess ist sehr arbeitsintensiv, insbesondere bei der Faserablage, der Kernplatzierung und dem abschließenden Finish, da die extreme Bauteilgröße und die komplexe Geometrie eine vollständige Automatisierung bislang nur begrenzt zulassen. Entsprechend findet die Produktion überwiegend in Ländern mit niedrigen Lohnkosten statt.
Lösbare Klebeverbindungen erlauben den rechtzeitigen Austausch
Ein wichtiger Faktor für die Lebensdauer eines Rotorblatts ist die Vorderkante. Sie ist Wind, Staub und Regen ausgesetzt und verschleißt je nach Standortbedingungen als erstes. Kann die Vorderkante nicht als Modul getauscht werden, ist das gesamte Rotorblatt nicht mehr verwendbar. An dieser Stelle setzten Justus von Freeden vom Fraunhofer IWU Wolfsburg und seine Partner an: Der Aufbau des Forschungsrotorblatts ist modular; um einen durchgehenden, tragenden Holm sind am Demonstrator alle weiteren Komponenten angeklebt, die Vorderkante aus Thermoplast und Naturfasern ist dank einer lösbaren Klebeverbindung austauschbar.
Mit steigendem Verschleiß der Vorderkante verschlechtert sich das Strömungsverhalten und der Wirkungsgrad sinkt. Bei einem rechtzeitigen Tausch kann also auch der Wirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage über einen langen Betriebszeitraum gesichert werden.
Chance für automatisierte Fertigung
Doch das Design (for Manufacturing) des auf der IFAT gezeigten Demonstrators verfolgt ein weiteres, ehrgeiziges Ziel. Rotorblätter und damit Kernbestandteile von Windkraftanlagen sollen künftig dank eines hohen Automatisierungsanteils auch wieder in Europa wirtschaftlich hergestellt werden können. Einen wichtigen Beitrag dazu leistet ein Verfahren, das seit vielen Jahren bekannt ist: die Pultrusion.
Dabei werden Endlosfasern durch ein Harzbad gezogen, in einer beheizten Düse gehärtet und zu Profilen geformt. Beispielsweise könnte der Holm als Endlosprofil gezogen und in der benötigten Länge abgeschnitten werden. Für die Vorderkante könnten Organobleche, also faserverstärktes Verbundwerkstoff-Halbzeuge aus Endlosfasern, die in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet sind, erwärmt und in einem hochautomatisierten Prozess umgeformt werden.
Thermoplaste mit Naturfasern statt Glasfasern
Naturfaserverstärkte Thermoplaste (NRFTP) wie beim Forschungsrotorblatt eingesetzt sind für R‑Strategien (Reuse, Repair, Refurbish, Remanufacture, Recycle) besser geeignet als glasfaserverstärkte Thermoplaste, weil sie sich über mehrere Nutzungs-, Reparatur- und Recyclingstufen robuster verhalten und weniger kritische Schadensmechanismen aufweisen. Naturfaser Thermoplaste ermöglichen somit eine wesentlich bessere Integration in Design for Circularity Konzepte und praxisnahe Kreislaufstrategien.
Dies gilt insbesondere für mechanisches Recycling. Dabei werden Bauteile am Lebensende zerkleinert, aufgeschmolzen und erneut zu Compounds oder Halbzeugen verarbeitet. Im Vergleich zu glasfaserverstärkten Thermoplasten tolerieren NFRTP die in diesem Zuge unvermeidliche Faserverkürzung besser, da Naturfasern schrittweise ihre Verstärkungswirkung verlieren und nicht abrupt von „Verstärkung“ zu reinem Störstoff degradieren.
RECREATE: wegweisende Lösungen für eine nachhaltige Wasser- und Rohstoffwirtschaft
Im EU-Projekt RECREATE arbeiteten rund 20 Partner aus Forschung und Industrie koordiniert vom Politecnico di Milano (Italien), an Recyclingtechnologien für kreislauffähige Faserverbundkunststoffe. An der Gestaltung und Fertigung des Demonstrators für wiederverwendbare Faserverbundstrukturen eines Windkraftrotorblatts waren neben den Instituten Fraunhofer IWU und Fraunhofer WKI das Unternehmen Invent, RES-T und Rescoll Applus beteiligt.
