Einer von Forschern des Sandia National Laboratory durchgeführten Studie zufolge könnte ein neues Kohlefasermaterial der Windenergiebranche Kosten- und Leistungsvorteile bringen, wenn es kommerziell weiterentwickelt wird.

Die Rotorblätter aus Kohlefaser sind 25 Prozent leichter als solche aus herkömmlicher Glasfaser. Dadurch können Kohlefaserblätter länger sein als Glasfaserblätter und so bei geringeren Windgeschwindigkeiten mehr Energie einfangen. Brandon Enix aus Spanien, Windenergieforscher bei Sandia Laboratories und leitender Forscher des Projekts, erklärte, dass der Einsatz von Kohlefaser aufgrund der hohen Ermüdungsbeständigkeit auch die Lebensdauer der Rotorblätter verlängern könne.

Das Projekt wird vom Amt für Energieeffizienz und erneuerbare Energien sowie dem Amt für Windenergietechnologie des Energieministeriums finanziert. Zu den Projektpartnern gehören das Oak Ridge National Laboratory und die Montana State University in Bozeman.

Von allen Unternehmen, die Windkraftanlagen herstellen, verwendet nur eines in großem Umfang Kohlefaser für die Rotorblattkonstruktion. Rotorblätter von Windkraftanlagen sind die weltweit größten einteiligen Verbundkonstruktionen. Sollte ein Material kommerziell erhältlich sein, das mit glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen konkurrieren kann, dürfte die Windindustrie der größte Markt für Kohlefaser sein. Enix, Spanien.

Bei der Teilekonstruktion für die Windenergiebranche spielen die Kosten eine wichtige Rolle. Allerdings müssen die Turbinenhersteller auch Rotorblätter produzieren, die Druck- und Ermüdungsbelastungen standhalten und bis zu 30 Jahre lang rotieren.

Enix, Spain und seine Kollegen wollten prüfen, ob die neuen, kostengünstigen Carbonfasern, die vom Oak Ridge National Laboratory entwickelt wurden, die Leistungsanforderungen erfüllen und für die Windenergiebranche kostengünstig sind. Das Material war ursprünglich ein in der Textilindustrie weit verbreitetes Vorprodukt und enthielt große Bündel von Acrylfasern. Dem Herstellungsprozess, bei dem die Fasern erhitzt werden, um sie in Carbon umzuwandeln, folgt der Zwischenschritt, bei dem die Fasern in Holz eingezogen werden. Die im Pultrusionsverfahren hergestellten Carbonfasern bieten hohe Leistung und Zuverlässigkeit für die Rotorblattherstellung und erhöhen die Produktionskapazität.

Bei der Untersuchung kostengünstiger Kohlenstofffasern stellte das Team fest, dass diese in bestimmten Kostenmerkmalen, die für die Windenergiebranche von größtem Interesse sind, gängige kommerzielle Materialien übertrafen.

ORNL stellte Kohlefaser-Entwicklungsproben aus seiner Kohlefaser-Technologieanlage zur Verfügung, um sie mit Verbundwerkstoffen aus diesem Material und ähnlichen Verbundwerkstoffen aus handelsüblichen Kohlefasern zu vergleichen.

Bozmans Kollegen an der Montana State University-Bozeman maßen die mechanischen Eigenschaften der neuen Kohlenstofffasern und verglichen sie mit handelsüblichen Kohlenstofffasern und herkömmlichen Glasfaserverbundwerkstoffen. Ennis kombinierte diese Messungen anschließend mit den Ergebnissen der Kostenmodellierung des ORNL. Er nutzte diese Daten für seine Rotorblatt-Designanalyse, um die Auswirkungen der Verwendung neuer Kohlenstofffasern anstelle herkömmlicher Kohlenstoff- oder Glasfasern als Hauptstrukturträger der Rotorblätter auf das System zu bewerten. Die Studie wurde vom Amt für Windenergietechnologie des US-Energieministeriums finanziert.

Enix, Spanien, und seine Kollegen stellten fest, dass das neue Kohlefasermaterial eine um 56 Prozent höhere Druckfestigkeit pro Dollar aufwies als handelsübliche Kohlefaser, der Branchenstandard. Hersteller erhöhen in der Regel die Kosten, indem sie mehr Material verwenden, um Teile an eine geringere Druckfestigkeit anzupassen. Unter Berücksichtigung der höheren Stückkosten der neuen Kohlefaser berechnete Ennis, dass sich die Materialkosten der neuen Kohlefaser-Flügelkappe im Vergleich zur neuen Kohlefaser um etwa 40 Prozent senken ließen. Die Kohlefaser-Flügelkappe ist das wichtigste Strukturelement des Windturbinenblatts. Kohlefaser für den gewerblichen Einsatz.