Reparaturfähige Rotorblätter für Windkraftanlagen
Windkraft gilt als eine der tragenden Säulen der Energiewende - doch ihre technischen Komponenten werfen manchmal ökologische Fragen auf. Besonders die Rotorblätter stehen im Fokus: Sie sind zwar auf eine Lebensdauer von rund 20 bis 30 Jahren ausgelegt, doch ihr Ende markiert einen wachsenden Abfallstrom aus komplexen Verbundwerkstoffen.
Seit dem Windkraft-Boom um die Jahrtausendwende erreichen in Europa zunehmend Anlagen ihr Lebensende. Damit fallen bereits heute jährlich zehntausende Tonnen glasfaserverstärkter Kunststoffe an - mit weiter steigender Tendenz. Das Problem: Diese Materialien lassen sich nur schwer recyceln.
Thermische Verwertung oder das Zerkleinern zur Beimischung in Zement gelten nicht als nachhaltige Lösungen. Eine Deponierung ist in der Europäischen Union aus guten Gründen weitgehend verboten. Die Branche steht damit vor der Herausforderung, Rotorblätter von Anfang an kreislauffähig zu denken.
Hier setzt das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU gemeinsam mit europäischen Partnern im EU-Projekt RECREATE an. Ziel ist es, Windkraft-Rotorblätter so zu gestalten, dass sie reparierbar, modular aufgebaut und besser recycelbar sind.
Ein Demonstrator zeigt bereits, wie das in Zukunft aussehen könnte: Rotorblätter werden nicht mehr als monolithische Struktur gefertigt, sondern modular aufgebaut. Ein durchgehender, tragender Holm bildet das Rückgrat, während weitere Komponenten funktional ergänzt und teilweise austauschbar gestaltet werden.
Ein zentrales Element ist dabei die Vorderkante des Rotorblatts. Sie ist besonders stark Wind, Regen und Staub ausgesetzt und verschleißt daher zuerst. Bisher bedeutet ein Schaden an dieser Stelle oft das Ende des gesamten Bauteils.
Im neuen Ansatz wird die Vorderkante jedoch als austauschbares Modul konzipiert. Sie besteht aus thermoplastischen Materialien und Naturfaserverbunden und ist über lösbare Klebeverbindungen mit dem Hauptkörper verbunden. Dadurch kann sie bei Verschleiß ersetzt werden, ohne das gesamte Rotorblatt auszutauschen.
Das hat nicht nur ökologische Vorteile: Da die aerodynamische Qualität der Vorderkante entscheidend für den Wirkungsgrad ist, lässt sich durch den rechtzeitigen Austausch auch die Leistung der Anlage langfristig auf Neuzustand halten.
Neben der Reparierbarkeit spielt auch die Herstellbarkeit eine zentrale Rolle. Heute werden Rotorblätter meist in aufwendiger Handarbeit in großen Negativformen gefertigt – ein Prozess, der stark arbeitsintensiv ist und häufig in Regionen mit niedrigen Lohnkosten stattfindet.
Das Projekt RECREATE zeigt alternative Produktionswege auf, die stärker automatisierbar sind. Ein Beispiel ist die Pultrusion: Dabei werden Endlosfasern durch ein Harzbad gezogen und in einer beheizten Form zu tragenden Profilen gehärtet. So könnte etwa der zentrale Holm als kontinuierliches Profil gefertigt und anschließend auf die benötigte Länge zugeschnitten werden.
Für die Vorderkante kommen zudem Organobleche infrage – vorimprägnierte, thermoplastische Halbzeuge, die sich erhitzen und anschließend automatisiert in Form bringen lassen. Das eröffnet neue Möglichkeiten für eine industrielle Fertigung innerhalb Europas.
Ein weiterer zentraler Ansatz betrifft die eingesetzten Materialien. Besonders vielversprechend sind naturfaserverstärkte Thermoplaste. Im Vergleich zu klassischen glasfaserverstärkten Verbundstoffen lassen sie sich besser in sogenannte R-Strategien integrieren – also Wiederverwendung, Reparatur, Aufarbeitung und Recycling.
Ein entscheidender Vorteil zeigt sich beim mechanischen Recycling: Wenn Bauteile am Ende ihres Lebenszyklus zerkleinert und erneut verarbeitet werden, verkürzen sich die Fasern zwangsläufig. Naturfasern verlieren dabei ihre Verstärkungswirkung graduell und verhalten sich robuster gegenüber diesem Prozess als Glasfasern, die schneller an Funktionalität verlieren.
Das EU-Projekt RECREATE bündelt die Expertise von rund 20 Partnern aus Forschung und Industrie unter Leitung des Politecnico di Milano. Neben dem Fraunhofer IWU und dem Fraunhofer WKI sind unter anderem Unternehmen wie INVENT GmbH, RES-T und RESCOLL Applus beteiligt.
Gefördert wird das Projekt im Rahmen des EU-Forschungsprogramms Horizon Europe (Fördernummer 101058756). Ziel ist die Entwicklung kreislauffähiger Faserverbundstrukturen – nicht nur für Windenergie, sondern auch für andere Hightech-Anwendungen.
