Erhöhung von Effizienz und Robustheit: Unter Verwendung des am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projektes „Multilayer-Inserts“ (MLI) entwickelten Hybrid-Faserverbundkonzeptes wird eine neue Generation von Rotorblättern für die Stromerzeugung aus Gezeitenkraft erforscht. Dazu wird durch das IFW gemeinsam mit den Partnern Sustainable Marine Energy Canada Ltd und M&D Composites Technology GmbH innerhalb des durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördertem internationalen Kooperationsprojekts „EvoFoil“ ein Neudesign der Rotorblattnabe entwickelt.

Für die zukünftige Energieerzeugung gewinnen erneuerbare Energien immer weiter an Bedeutung. Während die Energieerzeugung aus Wasser-, Solar- und Windkraft bereits großflächig eingesetzt wird und wichtiger Teil des Energiemixes ist, wird das Potential der Gezeitenkraft bisher wenig genutzt. Global wird bisher etwa 1 TWh elektrische Energie aus Gezeitenkraft gewonnen, wobei ein technisches Potential von 880 TWh pro Jahr nutzbar sein dürften. Ein großer Vorteil der Gezeitenkraft ist im Gegensatz zu konventionellen erneuerbaren Energien die Vorhersagbarkeit der generierbaren Leistung. Ein wichtiger Standort für die Energieerzeugung aus Gezeitenkraft ist dabei die Bay of Fundy, Kanada, die den weltweit größten Tidenhub und Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 5 m/s aufweist. Durch den Projektpartner Sustainable Marine Energy Canada Ltd ist daher bis 2024 die Installation mehrerer Plat-I 6.40 Plattformen mit einer Gesamtleistung von 9 MW in der Bay of Fundy vorgesehen.

Das aktuelle Triebstrangdesign sieht für die Leistungsentnahme aus der Tidenströmung Rotorblätter in CFK-Bauweise vor, die aufgrund der anisotropen Materialeigenschaften eine spannungsfreie Aufnahme der Rotorblattwurzel erfordern. Dadurch entsteht ein komplexer Montageprozess, der Offshore unter schwierigen Wetterbedingungen durchgeführt werden muss. Ein Verbesserungspotential der Montage- und Wartungseigenschaften der Rotorblätter wurde durch eine Überführung der Blätter in ein hybrides Design identifiziert, bei dem die Blattwurzel unter Verwendung der Multilayer-Insert Bauweise metallisch ausgeführt ist. Dadurch ist eine spannungsfreie Aufnahme nicht mehr zwingend erforderlich, sondern die Blätter können über eine definierte Flächenpressung mit der Turbinenwelle verklemmt werden.

Die Multilayer-Inserts werden dazu erstmalig in einem Bauteil verwendet, das in einem Vakuuminfusionsverfahren hergestellt wird. Die metallischen Inserts werden dabei so platziert, dass im Bereich der Krafteinleitung ein vollmetallischer Bereich entsteht, während sich im Übergangsbereich zwischen metallischer Blattwurzel und Faserverbundbereich die metallischen Lagen und die kohlenstofffaserverstärkten Kunststofflagen (CFK) abwechseln. Während des Aushärteprozesses der Rotorblätter werden die CFK-Lagen mit den metallischen Lagen intrinsisch verbunden, sodass eine hybride Struktur entsteht. Durch den gewählten Lagenaufbau des Hybridkonzeptes ergibt sich eine Lasteinleitung in alle Lagen des Laminats und eine große Anbindungsfläche zwischen den metallischen Inserts und dem Faserkunststoffverbund. Laborversuche zeigen eine vierfach höhere einleitbare Last bis zum Erstversagen im Vergleich zu reinen Faserkunststoffverbund-Strukturen.

Eine neue Herausforderung stellt dabei der Betrieb des hybriden Laminatkonzeptes innerhalb der korrosiven und abrasiven Meerwasserumgebung dar. Für eine Erweiterung des Verständnisses zum Betrieb innerhalb dieser Umgebung werden vom IFW erzeugte Hybridlaminatplatten für Auslagerungsversuche an der Plattform befestigt und in definierten Zeiträumen hinsichtlich ihres Zustandes untersucht. Verwendet werden in Stahl und Bronze ausgeführte Hybridlaminate, die unter Verwendung unterschiedlicher Klebstoffkonzepte galvanisch getrennt voneinander gefügt wurden. Während der Auslagerung der Proben über einen Gesamtzeitraum von ca. dreieinhalb Monaten werden die Korrosionsraten bestimmt und die konditionierten Proben anschließend mechanisch charakterisiert. Die Ergebnisse der mechanischen Charakterisierung werden zudem mit Proben verglichen, die keine korrosiven Belastungen erfahren haben.

Durch die Ergebnisse des Projektes wird der Anwendungsbereich der Multilayer-Inserts um im Vakuuminfusionsverfahren hergestellte Faserkunststoffverbunde für maritime Anwendungsbereiche erweitert. Sie ergänzen bestehende Hybridkonzepte für dünnwandige Strukturen in Luftfahrtanwendungen, die sich automatisiert im Automated Fiber Placement herstellen lassen sowie für Sandwichbauweisen, wo der Insert eine Entlastung des Kernmaterials durch die Verwendung metallischer Einsätze zur Aufnahme von Drucklasten bewirkt. Mögliche Anwendungen stellen Monocoque-Strukturen für Super-Sportwagen oder Sportgeräte wie Surfbretter oder Kiteboards dar.

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen M. Sc. Jannik Weykenat, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, unter Telefon +49 4141 77638 19 oder per E-Mail unter [email protected] gern zur Verfügung.