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StartseiteForschung aktuellNanopartikel schützen Rotorblätter vor Erosion14.10.2015

WindenergieanlagenNanopartikel schützen Rotorblätter vor Erosion

Rotorblätter von Windenergieanlagen sind extremen Wetterbedingungen ausgesetzt. Regentropfen beispielsweise greifen die Rotorblätter sehr stark an. Gerade an den Spitzen entstehen Risse und die Oberfläche wird erodiert. Um das zu verhindern, tragen die Hersteller Beschichtungen auf die Rotorblätter auf. Norwegische Forscher haben diese jetzt getestet – mit verheerenden Ergebnissen.

Von Monika Seynsche

Der Propeller eines Windrades wird am 31.03.2014 nahe Visselhövede (Niedersachsen) montiert. (picture alliance / dpa / Daniel Reinhardt)
Die Rotorblätter bestehen aus faserverstärktem Polyester- oder Epoxidharz. Wenn die Oberfläche angegriffen wird, kann Wasser in die Blätter eindringen und sie beschädigen. (picture alliance / dpa / Daniel Reinhardt)
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20 Jahre. So lange sollte eine handelsübliche Windenergieanlage Wind und Wetter trotzen und Strom liefern. Nach wenigen Jahren allerdings sehen die Rotorblätter oft schon aus, als hätten Mäuse an den Rändern genagt, sagt Astrid Bjørgum von der norwegischen Forschungsorganisation SINTEF in Trondheim.

"Wenn Regentropfen auf die Anlage treffen haben sie eine gewisse Geschwindigkeit und Masse. Und die Rotorblätter selbst bewegen sich ja auch. Besonders an den Flügelspitzen ist die Rotationsgeschwindigkeit sehr hoch, etwa 70 bis 80 Meter pro Sekunde. Dadurch prallen die Tropfen und das Rotorblatt mit großer Wucht aufeinander und das kann zur Erosion der Oberfläche führen."

Die vormals glatten Oberflächen der Rotorblätter werden dadurch rau und leisten dem Wind mehr Widerstand, sodass die Leistung der Anlage zurückgeht. Und das ist nicht das einzige Problem.

"Die Rotorblätter bestehen aus faserverstärktem Polyester- oder Epoxidharz. Wenn die Oberfläche angegriffen wird, kann Wasser in die Blätter eindringen und sie beschädigen."

Risse und Brüche

Durch das Wasser ändert sich die Gewichtsverteilung im Flügel. Unwuchten und Vibrationen sind die Folge, die das Getriebe belasten und die Lebensdauer der gesamten Anlage verkürzen. Sobald das Wasser in den Rotorblätter darüber hinaus gefriert, dehnt es sich aus, und verursacht Risse und Brüche im Material. Um all das zu verhindern tragen die Hersteller Beschichtungen auf. Genau diese Beschichtungen wollten sich Astrid Bjørgum und ihre Kollegen genauer ansehen.

"Wir haben einen einfachen Test in unserem Labor, mit dem wir solche Beschichtungen prüfen können. Also ließen wir Wassertropfen und die kommerziellen Beschichtungen mit hohen Geschwindigkeiten aufeinanderprallen. Das Ergebnis: Diese Beschichtungen erodieren sehr schnell. Natürlich lassen sich unsere Laborergebnisse nicht eins zu eins auf die Rotorblätter draußen übertragen. Wir mischten dann Nanopartikel in die Beschichtungen. Und dadurch konnten wir zumindest in unserem Labor die Lebensdauer der Beschichtungen deutlich verlängern."

Windkraftanlagen werden immer größer

Die Forscher nutzten dafür je nach Beschichtung unterschiedliche Nanopartikel, wie Kohlenstoffnanoröhrchen oder Partikel aus Siliziumdioxid. Diese Zusätze machten die Beschichtungen härter, sodass sie dem Aufprall der Wassertropfen länger widerstanden. Astrid Bjørgums Ansicht nach müssten die kommerziellen Beschichtungen dringend verbessert werden. Denn das Problem werde in Zukunft noch größer werden, sagt die Forscherin.

"Die Windkraftanlagen werden immer größer. Die Rotorblätter werden länger und dadurch erhöht sich ihre Rotationsgeschwindigkeit. Das heißt, die Flügelspitzen sausen immer schneller durch die Luft und dadurch wird der Aufprall der Regentropfen heftiger. Das wird die Situation noch verschlimmern."

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