Ein neues Kohlenstofffasermaterial könnte der Windindustrie Kosten- und Leistungsvorteile bringen, wenn es kommerziell entwickelt wird, so eine Studie unter der Leitung von Forschern der Sandia National Laboratories.
Windflügel mit Kohlefasern wiegen 25% weniger als solche aus herkömmlichen Glasfasermaterialien. Das bedeutet, dass Kohlefaserblätter länger sein könnten als Glasfaserblätter und daher an windschwachen Standorten mehr Energie einfangen könnten. Eine Umstellung auf Kohlefaser könnte auch die Lebensdauer der Rotorblätter verlängern, da Kohlefasermaterialien eine hohe Ermüdungsfestigkeit aufweisen, so Brandon Ennis, Windenergieforscher bei Sandia Labs und Leiter des Projekts.
The project is funded by DOE’s Wind Energy Technologies Office in the Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Partners on the project include Oak Ridge National Laboratory and Montana State University.
Of all the companies producing wind turbines, only one uses carbon fibre materials extensively in their blade designs. Wind turbine blades are the largest single-piece composite structures in the world, and the wind industry could represent the largest market for carbon fibre materials by weight if a material that competed on a cost-value basis to fibreglass reinforced composites was commercially available, said Ennis.
Bei der Konstruktion von Bauteilen in der Windkraftindustrie stehen die Kosten im Vordergrund, doch müssen die Turbinenhersteller auch Rotorblätter bauen, die den Druck- und Ermüdungsbelastungen standhalten, denen die Blätter während ihrer Drehung bis zu 30 Jahre lang ausgesetzt sind.
Ennis und seine Kollegen fragten sich, ob eine neuartige, kostengünstige Kohlenstofffaser, die am Oak Ridge National Laboratory entwickelt wurde, die Leistungsanforderungen erfüllen und gleichzeitig Kostenvorteile für die Windindustrie bringen könnte. Ausgangspunkt für dieses Material ist ein weit verbreitetes Vorprodukt aus der Textilindustrie, das dicke Bündel von Acrylfasern enthält. Auf den Herstellungsprozess, bei dem die Fasern erhitzt werden, um sie in Kohlenstoff umzuwandeln, folgt ein Zwischenschritt, bei dem die Kohlenstofffasern zu Brettern gezogen werden. Das Pultrusionsverfahren zur Herstellung von Planken erzeugt Kohlenstofffasern mit hoher Leistung und Zuverlässigkeit, die für die Herstellung von Schaufeln benötigt werden, und ermöglicht zudem eine hohe Produktionskapazität.
Als das Forschungsteam diese kostengünstige Kohlenstofffaser untersuchte, stellte es fest, dass sie in Bezug auf die kostenspezifischen Eigenschaften, die für die Windindustrie von größtem Interesse sind, besser abschneidet als handelsübliche Materialien.
Das ORNL stellte Entwicklungsmuster von Kohlenstofffasern aus seiner Carbon Fiber Technology Facility und Verbundwerkstoffe aus diesem Material sowie ähnliche Verbundwerkstoffe aus handelsüblichen Kohlenstofffasern zum Vergleich zur Verfügung.
Kollegen an der Montana State University maßen die mechanischen Eigenschaften der neuartigen Kohlefaser im Vergleich zu handelsüblichen Kohlefaser- und Standard-Glasfaserverbundwerkstoffen. Anschließend kombinierte Ennis diese Messungen mit den Ergebnissen der Kostenmodellierung des ORNL. Er nutzte diese Daten in einer Blattentwurfsanalyse, um die Auswirkungen der Verwendung der neuartigen Kohlenstofffasern anstelle von Standard-Kohlenstofffasern oder Glasfasern als Hauptträgerstruktur in einem Windblatt zu bewerten. Die Studie wurde vom U.S. Department of Energy Wind Energy Technologies Office finanziert.
Ennis und seine Kollegen fanden heraus, dass das neue Kohlenstofffasermaterial eine um 56% höhere Druckfestigkeit pro Dollar aufweist als handelsübliche Kohlenstofffasern, die in der Branche als Basis dienen. Normalerweise gleichen Hersteller eine geringere Druckfestigkeit aus, indem sie mehr Material für die Herstellung eines Bauteils verwenden, was wiederum die Kosten erhöht. In Anbetracht der höheren Druckfestigkeit der neuartigen Kohlefaser pro Kostenpunkt ergaben die Berechnungen von Ennis eine Einsparung von etwa 40% bei den Materialkosten für eine Holmkappe, dem wichtigsten Bauteil eines Windturbinenflügels, die aus der neuen Kohlefaser im Vergleich zu handelsüblicher Kohlefaser hergestellt wird.