Innovationen am Rotorblatt

Enercon verblüfft die Theoretiker

Grund genug für die Forschungsabteilung im Hause Enercon, sich dieser Aufgabe zu widmen. Das Ergebnis ist ein überraschend geformtes Rotorblatt, das viel versprechend angekündigt wird: Es ist »geräuschärmer, robuster, muss mit weniger Lasten arbeiten und vor allem erwirtschaftet es deutlich mehr Ertrag«.

Von der Nabe aus gesehen ist das herkömmliche Rotorblatt zunächst nichts anderes als ein Rohr, das erst im Abstand von ein bis zwei Metern von der Blattwurzel beginnt, seine typische aerodynamische Form auszubilden. Wenn sich der Rotor dreht, kann die kleine Kreisfläche rund um die Nabe keine Energie ernten.

Das muss auch nicht sein, sagten die Experten bisher, denn diese Fläche ist klein im Vergleich zur Gesamtfläche, die der Rotor überstreicht. Außerdem ist das Drehmoment dort so gering, dass der Wind dort nicht viel Arbeit leisten kann.

Ungewöhnliche Lösung, ungewöhnlicher Anblick: Das neue Enercon-Rotorblatt, hier an einer E-70 zu sehen, soll den Ertrag deutlich steigern. Foto: Enercon/Jan Oelker

Mit dem nun entwickelten Rotorblatt, das sich zur Nabe hin verbreitert, anstatt sich zu verjüngen, scheint Enercon das Gegenteil zu beweisen. Der Test neuer Rotorblätter an einer E-30 im ostfriesischen Leybuchtpolder ab Ende 2002 erhöhte den Ertrag um 12%, mit dem zusätzlichen Effekt, dass »gleichzeitig die Drehzahl um 5% reduziert wurde«, teilte Enercon durch das eigene Sprachrohr »Windblatt« mit. Die verminderte Drehzahl reduziert generell die Schallabstrahlung. Zugleich seien die Betriebslasten so weit gesunken, dass der Rotordurchmesser von 30 auf 33 m erhöht werden konnte. Mit diesen längeren Blättern erreiche die Anlage einen Mehrertrag von 25%.

Nach der Bewährungsprobe an Enercons kleinster Anlage (300 kW) folgte ein Test der Innovation an der Großen, die 2 MW leistet: Die neuen Blätter der E-70 im ostfriesischen Westdorf erzielten »einen gemessenen und zertifizierten Mehrertrag von 12 bis 15% gegenüber der Nachbaranlage des Typs E-66/20.70 (70 m Rotordurchmesser)«, verkündet der Marktführer nicht ohne Stolz.

Angesichts dieses ermutigenden Ergebnisses, das die herkömmliche Theorie ziemlich grau erscheinen lässt, gibt Enercon die sonst geübte Zurückhaltung auf und verrät das Geheimnis des Erfolges: Die Ertragssteigerung basiert auf der Erkenntnis, dass sich die Strömung des Windes an der Gondel verdichtet und genau dort vom neuen Blatt geerntet wird. Die eifömige Gondel aller Enercon-Anlagen unterstützt diesen Effekt vermutlich noch.

Auch für die überraschende Beobachtung, dass an einem Rotorblatt weniger Lasten auftreten, während es gleichzeitig mehr Ertrag erzielt, gibt es offenbar eine einfache Erklärung: Die Verminderung der Lasten beruhe darauf, dass das Rotorblatt im Außenbereich bis zu 30% weniger tief (also »schlanker«) ist als sein Vorgänger, verrät Enercon.

Das neue Enercon-Rotorblatt wurde nicht nur von der Wurzel bis hin zur Spitze (die nun noch leiser sein soll als vorher) überarbeitet, sondern auch das Fertigungsverfahren änderte sich. Die Glasfasermatten werden nun »trocken« in der Form ausgelegt und erst dann im Vakuumverfahren mit Epoxidharz getränkt – sauber und ohne den üblichen penetranten Geruch, der für die Rotorblattfertigung bisher typisch war.

Auch ein nachwachsender Rohstoff gewinnt wieder an Bedeutung: Zur Stabilisierung der Rotorblattschalen kommt nun neben dem bewährten Schaumstoff zusätzlich Balsaholz zum Einsatz. Durch das Infusionsverfahren entsteht ein Rotorblatt »aus einem Guss« – es besteht aus glasklaren Laminaten mit »so gut wie keinen Lufteinschlüssen und mikroskopischen Poren«, wie Enercon nach Inbetriebnahme der Rotorblattfertigung berichtete. Es ist eine mehrere Millimeter tiefe Sichtprüfung möglich (Windblatt 4/2004).

Enercon schenkt der Innovation so viel Vertrauen, dass der Hersteller die Produktlinie komplett umstellt und mit dem neuen Rotorblattdesign ausrüstet. Aus der E-30 (300 kW) wird die E-33 (330 kW), aus der E-40 (600 kW) wird die E-48 mit gleicher Leistung, und E-70 tritt mit 71 m Rotordurchmesser und 2.000 kW Leistung die Nachfolge der E-66 an – jeweils verbunden mit dem Versprechen, dass sich der Ertrag deutlich steigern wird.

Bonus fertigt Rotorblatt in einem Stück

Die Konkurrenz schläft nicht. Bonus stellt seit kurzem ein Rotorblatt her, das in einem Stück gefertigt wird. Viel ist darüber noch nicht bekannt. Die Firma AN Windenergie, der deutsche Partner des dänischen Herstellers, lüftete vor wenigen Wochen, anlässlich des Symposiums Windmesse.de in Hamburg im September, den Schleier ein wenig.

Ursprünglich wurden alle Bonus-Anlagen mit LM-Blättern ausgerüstet. Doch schon 1996 hatten AN und Bonus, beide bereits seit Jahren mit der Blattentwicklung vertraut, das Projekt »Blattfertigung« ins Leben gerufen, um ein eigenes Herstellungsverfahren für große Rotorblätter in einer Qualität zu entwickeln, die mindestens industriellen Standards genügt. Außerdem sollte das Verfahren die Sicherheits- und Gesundheitsrisiken auf ein Minimum beschränken.

Im November 1999 entstand das erste eigene Rotorblatt, und nach einem ausgiebigen Test des neuen Produktes begann die Serienproduktion im April 2001. Seit August 2002 produziert Bonus in einer eigenen Fertigungshalle in Aalborg, und rund ein Jahr später wurde »normal operation« erreicht.

Wie der ungewöhnliche Herstellungsprozess – Fertigung in einem Stück mit Vakuumverfahren ohne Klebenähte – im einzelnen abläuft, gaben AN und Bonus bisher nicht preis. Die Partnerfirmen erklärten lediglich, dass das Glasfaser-Epoxidharz-Laminat ausreichend transparent ist, um »beste Qualitätstests« zu ermöglichen – das ähnelt stark den Angaben aus dem Hause Enercon.

Zurzeit werden in Aalborg Rotorblätter des Typs B30 und B40 für die Anlagen 1,3 MW/62 und 2,3 MW/82 gefertigt. Im Werk stehen drei Teststände für Rotorblätter von 30 bis 52 m Länge zur Verfügung. Die Auslegung biete eine 2,6-fache Sicherheit, teilte AN Windenergie mit.

LM Glasfiber verbessert den Blitzschutz

Die Schadensfälle, die an den Rotorblättern durch Blitzeinschlag verursacht werden, halten sich inzwischen in Grenzen. Der Blitzschutz hat gute Fortschritte gemacht. LM Glasfiber, der weltweit größte firmenunabhängige Hersteller von Rotorblättern, beschäftigt sich bereits seit über zehn Jahren mit diesem Thema. Der erste Blattspitzenrezeptor, 1993 entwickelt, war eine »aus einem harten Aluminiumstück gefertigte Blattspitze«, wie Niels Immerkjaer, Leiter Unternehmensentwicklung der dänischen Firma, in Hamburg rückblickend berichtete.

Blattspitze nach einem Blitzeinschlag: Ein Fall für die Abseil-Spezialisten des Cp.Max-Teams. LM Glasfiber will nun den Blitzschutz erneut verbessern.

Foto: Enercon/Jan Oelker

In den Anfängen des serienmäßig eingebauten Blitzschutzes genügte ein »Knopf« an der Blattspitze, um kleinere Rotorblätter ausreichend zu schützen. Er wurde ab 1995 in über 40.000 Rotorblätter eingebaut. Aber »ausreichend« ist noch nicht gut genug, und die Entwicklung ging weiter. Im Jahr 2000 führte LM den »Multi-Rezeptor I« ein, als Lösung für größere Rotorblätter. Mehrere Rezeptoren wurden nun an beiden seiten des Blattes eingebaut. Ein Jahr später folgte der »Blattspitzen-Rezeptor II«, einsetzbar für Rotorblätter jeder Größe. Ein Ablaufkanal am Ende des Rezeptors lässt das Kondenswasser nach außen abfließen.

Die Rotorblätter werden immer länger, und der Einsatz von Kohlefasern (Carbonfasern, CFK) als zusätzlichem Werkstoff kommt ins Spiel. Da CFK im Gegensatz zu Glasfasern (GFK) den elektrischen Strom leitet, können CFK-Gelege in den Blitzschutz einbezogen werden. LM Glasfiber macht die Kohlefasern nun zum aktiven Bestandteil des Blitzschutzes.

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