Wenig Wind und doch viel Strom Leichtbau-Kleinwindanlagen werden durch Kunststoff-Know-how wahr

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Fraunhofer-Forscher vom IAP und Experten der BBF-Gruppe haben einen Leichtbau-Rotor entwickelt, der bei geringer Windgeschwindigkeit dennoch relativ viel Strom erzeugen kann.

Wer mit Windkraft Strom für den Eigenverbrauch erzeugen will, benötigt laut Aussage der Forscher vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) leistungsstarke Kleinwindanlagen. Das IAP und die BBF-Gruppe haben deshalb einen Rotor in Leichtbauweise entwickelt, der speziell für den Betrieb in Regionen mit geringer Windgeschwindigkeit ausgelegt ist, wie man erfährt. Das neu entwickelte Windrad setze sich bereits bei einer sogenannten schwachen Brise in Bewegung (Windstärke 3 nach Beaufort, 12 bis 19 km/h). Tests im Windkanal beweisen, dass der Rotor bei einer Windgeschwindigkeit von 2,7 Metern pro Sekunde anfängt sich zu drehen – eine maßgebliche Voraussetzung, um Windkraft in Regionen mit schwachen Windverhältnissen effizient zu nutzen. Die Anlaufgeschwindigkeit für vergleichbare Systeme betrage vier Meter pro Sekunde. Die ersten fünf Prototypen wurden sogar schon ausgeliefert, wie man aus Potsdam betont. Diese Anlagen ermöglichten es Privathaushalten, Gewerbetreibenden oder der Katastrophenhilfe eine dezentrale Energieversorgung aufzubauen und dafür erneuerbare Energiequellen effizienter zu nutzen.

So muss man sich den Aufbau der neuartigen Rotorblätter vorstellen:

Die Rotorblätter der Kleinwindanlage sind aus zwei Schalen in Leichtbauweise konstruiert, wie die Forscher weiter ausführen. Sie bestehen aus Faserverbundwerkstoffen (Composites). Im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen, die mit einem Schaumkern aus Polymer ausgestattet sind, bleiben die neu entwickelten Rotorblätter aber innen hohl. Dieses Konzept reduziert das Gesamtgewicht um bis zu 35 Prozent. Faserverbundwerkstoffe werden durch das präzise Einlegen von verstärkenden Streifen aus Glas- oder Carbonfasern (GFK- respektive CFK-Bauteile) oder einem Mix daraus in einer Negativform hergestellt, die anschließend mit flüssigen Harzen oder anderen fließfähigen Kunststoffen durchtränkt werden. Die Harze können thermisch aushärten, heiße Kunststoffschmelzen (bei Thermoplasten) erstarren durch Abkühlung, um dem Bauteil seine nötige Stabilität zu verleihen. Die Form für die Rotorblätter hat man am IAP eigens angefertigt. Die beteiligten Wissenschaftler nutzten dazu einen industriellen 3D-Drucker, mit dem sich Objekte bis zu einer Größe von zwei mal zwei Metern additiv fertigen lassen, wie man weiter erfährt. Das Verlegen der Faserstreifen in die Form übernimmt eine moderne „Automated Fibre Placement“-Anlage. Diese Methode sichere eine hohe Qualität, reduziere im Vergleich zur manuellen Verlegung die Überlappungen und ermögliche es, die Maße der Bauteile zu verringern. Ein spezieller Laminataufbau (Schichtaufbau) sorgt dann dafür, dass der Rotor auch starke Winde aushält. Die einzelnen Schichten des Verbundwerkstoffs seien demnach so gestaltet, dass sich die Rotorblätter bei Sturm elastisch verbiegen und aus dem Wind drehen. Die Anlage drosselt dadurch automatisch die Rotationsgeschwindigkeit und schützt sich so vor Überlastung. Komplizierte Steuertechnik und aufwändige Mechanik seien obsolet.

Kleinwindanlage erreicht fast das Maximum des Wirkungsgrads

Das erklärte Ziel ist es, die Kraft des Winds so wirksam wie möglich für die Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen, betonen Marcello Ambrosio, Leiter Simulation und Auslegung im Forschungsbereich Polymermaterialien und Composite PYCO des IAP. Bei der Entwicklung des Windrads verfolgen die Leichtbauexperten am Standort Wildau einen ganzheitlichen Ansatz, bei dem die aerodynamische Auslegung der Rotorblätter und das Fertigungsverfahren optimiert wurden, wie es weiter heißt. Das Ergebnis ist, dass das Windrad dennoch maximal 450 Umdrehungen pro Minute erreichen kann. Und mit der Leistung von 2.500 Watt bei 10 Metern pro Sekunde Windgeschwindigkeit ist es im Durchschnitt 83 Prozent leistungsstärker als Vergleichssysteme auf dem Markt, wie die Forscher anmerken. Die Anlage erreicht einen Wirkungsgrad von 53 Prozent. Das sei viel, denn physikalisch seien maximal 59 Prozent möglich. Raúl Comesaña M., Geschäftsführer der BBF Gruppe, ergänzt: „Effiziente Kleinwindanlagen leisten einen wichtigen Beitrag für eine unabhängige Energieversorgung. Als Projektentwickler und Bauunternehmen in der Region Berlin-Brandenburg zeigen wir mit diesem Projekt, wie Endverbraucher und Gewerbetreibende dezentrale Energieerzeugung individuell und nachhaltig gestalten können.“ Die nächsten Schritte würden mit Blick auf das Verhalten und die Leistungsfähigkeit der Prototypen die weitere Optimierung der Rotorenform bedeuten. Auch soll die Entwicklung von Leichtbaustrukturen aus sortenreinem Kunststoff statt Verbundwerkstoffen vorangetrieben werden, weil sich das auf die Recycelbarkeit positiv auswirkt.

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