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Stahl-Innovationspreis 2015 für optimiertes Strömungsprofil für Windräder


  

(11.6.2015, Stahl-Innovationspreis) Das vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz realisierte hydrogeformte Strömungsprofil aus Stahl­blech (HyBlade) ist mit dem Sonderpreis des Stahl-Innova­tionspreises 2015 ausgezeichnet worden.

Der weitere Ausbau der Windenergie und das Repowering, d.h. der Ersatz älterer Windkraftanlagen durch moderne leis­tungsstärkere, sind wesentliche Bausteine der Energiewende. Die heute üblichen Windkraftanlagen mit dreiflügeligen, hori­zontal gelagerten Rotoren besitzen einen hohen Wirkungsgrad und leisten ihren Beitrag zur Stromerzeugung aus erneuerba­ren Energien, weisen aber in wirtschaftlicher und ökobilanziel­ler Hinsicht durchaus Nachteile auf.

horizontale vs. vertikale Achse, Kunststoff vs. Stahl,

So werden die bis zu 75 m langen Flügel bzw. Rotorblätter dieser Anlagen mit einem großen Anteil manueller Wertschöpfung aus faserverstärkten Kunststoffen wie GFK oder vereinzelt CFK hergestellt, was einen erheblichen Primärenergieeinsatz erfordert und hohe Fertigungskosten verursacht. Zudem ist das Recycling dieser Rotorblätter, das mit zunehmendem Rückbau älterer Anlagen an Relevanz gewinnen wird, bislang ungelöst.

Als Alternative zu Horizontalachsanlagen gelten kleinere Windkraftanlagen mit vertika­ler Drehachse, die zwar als Einzelanlagen weniger effizient sind, aber deutlich dichter nebeneinander aufgestellt werden können, ohne sich negativ zu beeinflussen. Damit ist es möglich die Energieausbeute bezogen auf die Grundfläche zu erhöhen und den Flächenverbrauch zu verringern. Und für die wesentlich kürzeren Flügel dieser Anla­gen kann der kostengünstigere und ökologisch vorteilhaftere Werkstoff Stahl einge­setzt werden.


Fraunhofer IWU (Bild vergrößern)

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU hat gemein­sam mit der Abteilung „Industrielle Wissenschaft und Technologie“ der Freien Univer­sität Brüssel ein einteiliges Flügelprofil aus höherfestem Stahlblech für Windkraftan­lagen mit vertikaler Achse entwickelt. Während die Arbeitsschwerpunkte des belgi­schen Partners auf der aerodynamischen Optimierung von Flügelprofil und Gesamt­system lagen, hat das Fraunhofer IWU die entsprechende Fertigungsprozesskette zur wirtschaftlichen Herstellung des Profils erarbeitet. Eingesetzt werden bewährte Fertigungstechniken wie ...

  • das Abkanten oder
  • das Walzprofilieren zur Erzeugung der Vorform und das Innenhochdruckumfor­men zur Herstellung der finalen Geometrie bei größeren Stückzahlen..

Das Innenhochdruckumformen, im englischen Sprachgebrauch zugleich Namensgeber des neuartigen „Hydroformed Blade“, stellt durch Kalibrieren die hohe Maßhaltigkeit des Profils sicher, eine der wesentlichen Voraussetzungen für gute Aerodynamik und hohe Energieausbeute der Anlage.

Für eine vergleichsweise kleine Vertikalachsanlage mit einer Nennleistung von 1 kW wurde zunächst ein 370 mm breites und 2,8 m langes Rotorblatt aus 1,75 mm dickem Stahlblech konzipiert. Die Prozesskette ermöglicht es jedoch, auch Flügel mit weitaus komplexeren Geometrien für Systeme mit Leistungen über 100 kW herzustellen. Das neue Strömungsprofil aus Stahl dient damit in zweifacher Hinsicht dem Klimaschutz:

  • Zum einen trägt es mit geringen Material- und Fertigungskosten und langer Le­bensdauer zum wirtschaftlichen Ausbau und Betrieb von Vertikalachsanlagen bei.
  • Zum anderen bietet es sowohl bei der Bauteilherstellung als auch beim späteren Recycling ökologische Vorteile gegenüber den bisherigen Profilen aus faserver­stärkten Kunststoffen.

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