Wenn Rotoren Walflossen hätten

2. Januar 2017 | Kira Crome

Buckelwale sind ein aerodynamisches Beispiel für die angewendete Strömungstechnik in der Windenergie.

Buckelwale sind ein aerodynamisches Beispiel für die angewendete Strömungstechnik in der Windenergie. © TEG/David Ashley shutterstock.com

Ein deutsches Entwicklungsunternehmen will die Flügelspitzen von Windenergieanlagen aerodynamisch verbessern. Ein Aufsatz nach dem Vorbild von Buckelwalflossen soll die Rotorflügel nicht nur belastbarer, sondern auch leiser machen. Anders als bisherige Versuche zur Strömungsoptimierung setzen die Entwickler mit ihrem Nachrüstsystem an den Blattvorderkanten an.

Welche Potenziale birgt die Technologieentwicklung für weitere Kostensenkungen in der Windenergie? Diese Frage hat das Lawrence Berkeley National Laboratory aus Kalifornien unter Mitwirkung des Fraunhofer Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) an weltweit 163 Wissenschaftler gerichtet und sie zu den Kosten- und Innovationsaussichten der Stromgewinnung aus Wind an Land und auf See befragt. „Die Onshore-Windenergie an Land ist schon ziemlich ausgereift, aber es zeichnen sich weitere Fortschritte ab“, berichten die Autoren der Studie im Fachmagazin Nature Energy. Demnach könnten die Kosten für den Bau und Betrieb von Windenergieanlagen bis 2030 um 24 bis 30 Prozent, bis 2050 sogar um bis zu 41 Prozent sinken, so das Ergebnis der Befragung. „Die Experten erwarten technische Entwicklungen, die die Leistung erhöhen, die Lebensdauer der Windparks verlängern und die Betriebskosten weiter senken“, erklärt Ryan Wiser vom Lawrence Berkeley National Laboratory. Ein wichtiger Impulsgeber für Effizienzsteigerungen von Windenergieanlagen sei neben der Vergrößerung von Rotoren und Masten die Optimierung von Bauteilen und Materialen.

Die Natur als Vorbild
Dazu leisten Technologieinnovationen einen wichtigen Beitrag. Insbesondere auf dem Forschungsfeld der Bionik. Sie sucht Naturprinzipien zu entschlüsseln, um sie auf die Technik zu übertragen und als Vorbild für neue effizientere Lösungen zu nutzen. Seit Leonardo da Vinci Flugmaschinen nach dem Vorbild des Vogelflugs konstruierte, steht die Natur Pate für die Optimierung von Technik. Auch in der angewandten Forschung zur Windenergie suchen Wissenschaftler nach Vorbildern in der Natur, um ihre Wirkprinzipien auf Bauteile wie etwa Rotorblätter zu übertragen, um deren aerodynamisches Strömungsverhalten zu verbessern.

Vom Haifisch und der Eule abgeguckt
Forscher am Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) orientieren sich an den Eigenschaften von Haifischhaut, um einen speziellen Lack zur Beschichtung von Rotorblättern zu entwickeln. Haifische senken ihren Strömungswiderstand im Wasser durch eine rillenförmige Struktur ihrer Haut. Was bei Oberflächen an Schiffen und Flugzeugen bereits genutzt wird, um den Treibstoffverbrauch zu senken, könnte auch im Rotorblattbau Anwendung finden, um die Energieausbeute von Windenergieanlagen zu erhöhen. Neben der Lastfähigkeit ist aber auch die Geräuschentwicklung ein Forschungsthema. Am Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben sich Wissenschaftler nachtjagende Eulen zum Vorbild genommen. Sie stürzen sich nahezu geräuschlos auf ihre Beute. Möglich machen das strömungsdurchlässige elastische Fransen auf der Hinterseite ihrer Flügel. Nach dem gleichen Prinzip könnte durch das Anbringen kamm- oder zackenartiger Strukturen an den hinteren Rotorblattkanten der Schall um bis zu 90 Prozent reduziert werden, haben erste experimentelle Tests ergeben. Auch am Institut für Fluid- und Thermodynamik der Universität Siegen werden derzeit verschiedene Modelle von Blattsegmenten entwickelt und im hauseigenen Windkanal getestet, die zu einem neuen Blattdesign führen sollen.

Buckelwal als Vorbild für laufleise Rotorblätter
Noch befinden sich viele Forschungsansätze in der experimentellen Phase. Unterdessen bringt ein deutsches Entwicklungsunternehmen eine Lösung auf den Markt, die die Lastfähigkeit von Rotorblättern verbessern und die Geräuschentwicklung mindern soll. Vorbild sind die Brustflossen des Buckelwals: Sie weisen an der Vorderkarte ausgeprägte Beulen auf, sogenannte Tuberkel, die dem riesigen Wal trotz seines Körpergewichts eine große Wendigkeit verleihen. „Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die Beulen der Strömungsabriss unter Wasser deutlich später auftritt und der Auftrieb höher ist“, erklärt Holger Mai vom DLR-Institut für Aeroelastik. Was das Tier agiler macht, haben die DLR-Forscher zunächst auf das Flugverhalten von Hubschraubern übertragen, um Luftwiderstände an den Flügeln zu mindern, Belastungen auf das Material zu senken und die Manövrierfähigkeit zu verbessern. „Strömungsphänomene sind im Wasser wie in der Luft vergleichbar, sie müssen nur skaliert werden“, sagt Mai. Um den aerodynamisch problematischen Strömungsabriss an den Rotorblättern zu verringern, wurden sie mit künstlichen Tuberkeln, kleinen Beulen wie die Walflossen sie aufweisen, ausgestattet. „Wir haben nicht einfach die Formgebung der Buckelwalflosse übernommen, sondern das dahinterliegende physikalische Wirkprinzip abstrahiert und zu einer technischen Lösung entwickelt“, so der DLR-Forscher.

Was beim Hubschrauber funktioniert, soll auch bei Windenergieanlagen Anwendung finden. Deren Rotorblätter verändern zwar nicht aktiv ihren Anstellwinkel zum Wind. Sie können aber bei Turbulenzen und Böen wie Hubschrauberflügel auch aus verschiedenen Winkeln angeströmt werden. Die Folge: Die Vibrationen wirken nicht nur belastend auf das Material, sondern führen auch zu unangenehmen Geräuschen. Die 2013 gegründete Ingenieursgesellschaft TEG in München will den Tuberkel-Effekt nutzen und die Flügelspitzen von Windenergieanlagen mit einem strömungsoptimierenden Aufsatz versehen. „Unser modulares Nachrüstsystem aus glasfaserverstärktem wetterbeständigen Kunststoff wird für jeden Anlagentyp individuell berechnet und zugeschnitten“, erklärt TEG-Sprecher Klaus Övermöhle.

Leiser und belastbarer im Windkanaltest

Der positive Effekt der Tuberkel-Technologie wurde bei Windkanaltests am DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in diesem Herbst getestet. „Sowohl beim Schallverhalten als auch bei den Lastannahmen konnten im Windkanaltest signifikante Verbesserungen gemessen werden“, so Övermöhle. „Die gemessenen Optimierungen konnten ohne gestiegene Widerstandsbeiwerte erzielt werden, die im späteren Betrieb ansonsten den Ertrag geschmälert hätten.“ Die Vergleichsmessungen fanden an einem herkömmlichen Rotorblatt einer 2-MW-Anlage eines deutschen Anlagenbauers statt, mal mit und mal ohne Tuberkel. Erzielt wurden nach Angaben des Unternehmens Schallreduzierungen um zwei Dezibel mit „erkennbarem Potenzial nach oben“ und eine Lastreduzierung von sechs bis acht Prozent der Ermüdungslasten, wodurch sich eine längere Lebensdauer der Hauptkomponenten von Windenergieanlagen von 25 Prozent und mehr ergäbe.
2017 gehen erste Anlagen mit Buckelwalflossen-Technik in Betrieb

Die Tuberkel-Technologie ist keineswegs ein neues Thema in der angewandten Forschungsentwicklung für die Windenergie. Bereits 2008 sind in einem Pilotwindpark auf der kanadischen Insel-Provinz Prinz-Edward-Island die Flügel der Windenergieanlagen mit Buckelwal-Tuberkeln versehen worden. Die Idee soll auf einen britischen Biologieprofessor an West Chester University zurückgehen, dessen Unternehmen Whale Power die Technik lieferte. Hatten die Tuberkel-Pioniere noch auf eine Leistungssteigerung durch die Innovation erhofft, bestätigen die aktuellen DLR-Berechnungen und Windkanaltests diesen Effekt nicht. Die patentierte Idee ist an TEG lizensiert worden. 2017 werden die ersten Testanlagen mit den optimierten Rotorblättern nach dem Vorbild von Buckelwalflossen in Betrieb gehen.

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