Die aerodynamischen Eigenschaften der Rotorblätter von Windenergieanlagen sind ganz entscheidend für deren mögliche Energieausbeute. Das wissen die beteiligten Forscher von gleich 7 Projektpartnern eines EU-Projekts, das sich die Optimierung der Rotorsysteme auf die Fahnen geschrieben hat. Zu Hilfe kam ihnen dabei nicht das Federkleid der Flügel von Vögeln, sondern ausgerechnet die beängstigend raue Haut der Haie. Was steckt dahinter?
Um der Energiewende endlich frischen Wind in die Segel zu blasen, müssen nicht nur mehr Anlagen installiert werden, sondern jede einzelne von ihnen muss auch noch deutlich effizienter arbeiten. Dies gilt umso mehr vor dem Hintergrund, dass die Zahl der möglichen Standorte immer weiter eingegrenzt wird, weil die Auflagen hinsichtlich des Abstandes zur nächsten Wohnsiedlung und die ständige Ausweisung von Natur- und Wasserschutzgebieten diesbezüglich einen zunehmend restriktiven Charakter annehmen.
„Riblet-Surfaces for Improvement of Efficiency of Wind Turbines“
Bei dem mit „Riblet4Wind“ abgekürzten EU-Projekt, das im Juni 2015 begann und im Februar 2019 abgeschlossen wurde, ging es genau darum, dass sich die Form der Rotorblätter kaum noch weiter optimieren lässt, wohl aber deren Oberflächenbeschaffenheit. Aus dem Flugzeugbau ist bekannt, dass „Riblet-Lack“, eine funktionelle Beschichtung aus mikroskopisch winzigen Rillen, den Luftwiderstand vermindert und dadurch Treibstoff einzusparen hilft. Entwickelt wurde dieses Verfahren übrigens am Fraunhofer IFAM. Die Idee lässt sich ohne Weiteres auf Rotorblätter von Windkraftanlagen übertragen, wenn man gewisse Anpassungen vornimmt.
Was hat das Ganze nun mit einem Hai zu tun?
Haie sind in der Lage, mit minimalem Energieaufwand hohe Geschwindigkeiten im Wasser zu erreichen. In der Tat hat die Natur diese zuweilen umstrittenen Wesen so optimiert, dass sie unseren Planeten bereits seit dem Devon (400 Mio. Jahre) mit großem Erfolg bevölkern. Ihre Haut ist bei genauer Betrachtung mit mikroskopisch kleinen Rillen (Riblets) übersät. Diese Mikrostruktur verfügt deshalb über reibungsminimierende Eigenschaften, weil sie Turbulenzen quer zur Strömungsrichtung unterdrückt. Längsrillenstrukturen sind übrigens in der Strömungsmechanik schon lange en vogue.
Da die feinen Oberflächenstrukturen harschen Witterungsbedingungen dauerhaft standhalten sollen, wurde am Fraunhofer IFAM zunächst eine lacktechnische Lösung entwickelt. Hierbei wird in einem einzigen Arbeitsschritt ein Lack auf die Oberfläche aufgetragen, der sich im Zuge der Aushärtung in feinste Rillen aufgliedert.
Aber was bringt das bei Windrädern?
Selbstverständlich wurde die Wirkung des Riblet-Lacksystems zunächst ausgiebig im Windkanal getestet und die Ergebnisse dieser Tests waren in der Tat mehr als vielversprechend. Hinzu kommt, dass die erreichbare Leistungssteigerung, die immerhin um die zehn Prozent einfährt, nicht einmal eine zusätzliche Last auf die Konstruktion der Windenergieanlage bringt. Die optimalen geometrischen Parameter der Windenergieanlage wurden per Strömungssimulation und Verifikation im Windkanal durch die „bionic surface technologies GmbH“ entwickelt. Ingenieure von der Firma Mankiewicz entwickelten das dafür passende Lacksystem. Das Fraunhofer IFAM lieferte den Lack-Applikator, welcher mit einer speziellen Robotik der Firma Eltronic ausgestattet wurde.
Den Praxistest hat die Windenergieanlage klar bestanden
Um die neue Technologie einem konkreten Praxistest zu unterziehen, hat man sich für eine AN Bonus mit einer Nennleistung von 450 kW entschieden. Ihr Rotordurchmesser beträgt 37 Meter. Die Windenergieanlage befindet sich in Bremerhaven und wird von „Muehlhan Deutschland GmbH“ betrieben. Um die Wirkung der Lackbeschichtung quantitativ beurteilen zu können, wurden 12 Wochen lang die Leistungsdaten mit einer zweiten, nahegelegenen Anlage gleichen Typs verglichen. Genauer gesagt: Die Rotorblätter von einer dieser Anlagen wurden nach diesen drei Monaten demontiert, um sie mit der Riblet-Beschichtung zu belegen. Danach wurden die so behandelten Rotorblätter wieder montiert und die Leistungen der Anlagen weitere fünf Monate lang vermessen.
Ergebnis und Ausblick
Mit dem Projekt „Riblet4Wind“ konnte der Nachweis erbracht werden, dass Rotorblätter problemlos mit derartig strukturierten Beschichtungen versehen werden können, um eine eindeutige Verbesserung der Leistungscharakteristik zu erzielen. Im nächsten Schritt sollte zur Demonstration eine heute übliche Anlage der 2MW-Klasse mit verstellbaren Rotorblättern in den Genuss dieser Beschichtung kommen. Nur so lässt sich das tatsächliche wirtschaftliche Potenzial der Technologie genauer fassen.