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Sonderforschungsbereich 1463
 
Sonderforschungsbereich 1463 - Integrierte Entwurfs- und Betriebsmethodik für Offshore-Megastrukturen Forschung Projektbereich B
Teilprojekt B3

B3 – Nachhaltiger Entwurf und Designverifikation von ultraschlanken Rotorblättern

Rotorblätter von Windenergieanlagen werden üblicherweise aus Faserkunststoffverbunden hergestellt. Diese Materialien sind energie- und C02-intensiv in der Herstellung. Die Aushärtung des Harzes ist irreversibel, was die Wiederverwendung der Materialien erschwert. Daher wurden demontierte Rotorblätter in der Vergangenheit häufig auf Deponien entsorgt, was umweltschädlich und in den meisten Ländern inzwischen verboten ist. Um die Nachhaltigkeit von Rotorblättern zu steigern, hat Siemens-Gamesa vor kurzem die ersten recycelbaren Rotorblätter installiert, die auf einem auflösbaren Harzsystem zur Faserrückgewinnung basieren. Andere Hersteller entwickeln ebenfalls eigene Lösungen. Allerdings gibt es bei diesen Entwicklungen keine erkennbare Zusammenarbeit, so dass jeder Hersteller auf seine eigenen recycelbaren Materialien und Recyclingverfahren zurückgreift. Dies stellt Betreiber und Partner-Unternehmen vor die große Herausforderung, mit der Vielzahl an unterschiedlichen Materialien und Recyclingverfahren umzugehen. Es besteht Zweifel daran, dass die recycelbaren Rotorblätter nach ihrer Nutzungsdauer auch wirklich recycelt werden. Wahrscheinlicher ist es, dass sie zu minderwertigeren Waren downgecycelt werden, was dem Prinzip der Kreislaufwirtschaft widerspricht. Alternativ können bio-basierte Materialien verwendet werden, die biologisch abbaubar sind. Damit kann eine umweltfreundliche Deponierung und die Umsetzung einer mittel- bis langfristigen Zero-Waste-Strategie ermöglicht werden.   

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Windenergie zu einer äußerst wettbewerbsfähigen Branche entwickelt, die sehr niedrige Energiegestehungskosten bietet. Um die Energiewende weiter voranzutreiben, müssen weiterhin kosteneffiziente und zuverlässige Produkte angeboten werden, die eine Lebensdauer von mindestens 20-30 Jahren und eine hohe technische Verfügbarkeit aufweisen. Für diese Rotorblatt-Megastrukturen sind daher Auslegungsverfahren erforderlich, die alle physikalischen Effekte, die sich auf ihre Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit auswirken können, berücksichtigen. Dazu gehören aero-servo-elastische Kopplungen und die damit verbundenen Schwingungen und Verformungen (z. B. Blattspitzendurchbiegung und Querschnittsverformungen) sowie das Materialverhalten während der gesamten Betriebsdauer (z.B. Ermüdung). 

Vorangegangen sind Arbeiten, bei denen bereits einige dieser Aspekte mit dem Ziel untersucht wurden, die Kosteneffizienz und Zuverlässigkeit zu verbessern. Dafür wurde ein zweistufiger aero-strukturell-gekoppelter Entwurfsprozess entwickelt. Dieser basiert auf einer gradientenbasierte Formulierung eines multidisziplinären Optimierungsproblems. Das Ziel ist es, einen Kompromiss aus möglichst niedrigen Kosten und hoher jährlicher Energieproduktion (AEP) zu finden. Mit Hilfe dieses Entwurfsprozesses wurden zwei Turbinenmodelle der 20 MW-Klasse, einschließlich der Rotorblattentwürfe, in enger Zusammenarbeit mit TP B02 entwickelt. Querschnittsverformungen (das sogenannte Blattatmen) zeigen aufgrund der aero-strukturellen Kopplung eine Auswirkung auf die mechanische Belastung, für die das Blatt ausgelegt werden muss. Die sich daraus ergebenden Folgen für den Entwurf wurden ebenfalls untersucht
Visualisierung der Forschungsidee

Um die Nachhaltigkeit von Windkraftanlagen zu verbessern, müssen klassische Faserverbundwerkstoffe in Rotorblättern so weit wie möglich durch bio-basierte Verbundwerkstoffe ersetzt werden. Die geringere mechanische Leistungsfähigkeit bio-basierter Verbundwerkstoffe muss durch innovative Verbundwerkstoff-Konzepte kompensiert werden, die weiter an die Grenzen der Belastbarkeit des Materials heranreichen und dabei auch die Ermüdung berücksichtigen, um das gleiche Maß an Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Derartige technologische Veränderungen bergen erhebliche Risiken, denen mit dem Einsatz des digitalen Zwillings begegnet werden muss, um die Überprüfung und Validierung der Entwurfsannahmen zur Blattkonstruktion während des Betriebes zu ermöglichen. Diese betriebsbegleitende Entwurfs-Verifikation und -Validierung muss schnell und hochpräzise sein und muss daher auf einem High Fidelity Digitalen Zwilling des Rotorblattes basieren, um Effekte wie die Blattatmung und ihre Auswirkungen auf die strukturelle Integrität des Blattes zu erfassen.

Im Allgemeinen besteht das Forschungsziel darin, die Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit von Rotorblättern für Windkraftanlagen zu verbessern. Es leiten sich die folgenden Forschungsfragen ab:

  • Wie viel kann von der Struktur eins Rotorblattes durch biobasierte Verbundwerkstoffe ersetzt werden? Können innovative und unkonventionelle Laminatkonzepte die Einbußen in der reinen Materialtragfähigkeit kompensieren?
  • Wie können Aspekte der Nachhaltigkeit in die Zielfunktion des Optimierungsverfahrens integriert werden, um eine kombinierte Bewertung des Entwurfs bezüglich Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz zu ermöglichen?
  • Wie kann die betriebsbegleitende Entwurfs-Verifikation und -Validierung durch Co-Simulationen realisiert werden, indem ein High Fidelity Digitaler Zwilling vom Rotorblatt mit dem realen Zwilling gekoppelt wird?
  • Kann künstliche Intelligenz dazu beitragen, die High Fidelity Co-Simulation zu beschleunigen, um die Strategie der betriebsbegleitende Entwurfs-Verifikation und -Validierung für reale offshore-Windenergieanlagen praktikabel und anwendbar zu machen?

Publikationen

Teilprojektleitung

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Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik | Funktionsleichtbau
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38108 Braunschweig
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Projektmitarbeit

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Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik | Funktionsleichtbau (FA-FLB) | c/o ZAL TechCenter Hein-Saß-Weg 22
21129 Hamburg
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Letzte Änderung: 20.02.25 Druckversion

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