Riblets an Windkraftanlagen für eine effizientere Nutzung der Windenergie
Schnell schwimmende Haie wie der Weiße Hai haben auf ihrer schuppigen Haut eine einzigartige Anpassung, die zum einen den Strömungswiderstand reduziert und zum anderen die Energieeffizienz und Geschwindigkeit erhöht. Winzige „Riblets“ sorgen für einen reibungslosen Wasserfluss und minimieren Wasserverwirbelungen und Energieverluste. Luft- und Raumfahrtingenieure haben bereits seit den 1980er Jahren Interesse an Riblets gezeigt und damit wichtige technologische Fortschritte vorangebracht. Das EU-finanzierte Projekt Riblet4Wind wollte die in der Luft- und Raumfahrt bewährte Riblet-Technologie auf zunehmend wichtige Anwendungen im Bereich erneuerbare Windenergiesysteme übertragen.
Von Haien über Flugzeuge bis hin zu Windkraftanlagen
Der Ausgangspunkt der Ingenieure von Riblet4Wind war eine zuvor entwickelte Riblet-Beschichtung und eine automatisierte einstufige Anwendungstechnologie. Projektkoordinatorin Dorothea Stübing erklärt dazu: „Vor Riblet4Wind hatten Windkanalversuche gezeigt, dass mit dieser Riblet-Beschichtung ausgestattete Tragflächen eine verbesserte aerodynamische Leistung aufweisen, wodurch die Gleitzahl um bis zu 30 % erhöht wird. Dank unter realen Flugbedingungen durchgeführten Tests mit Riblet-strukturierten Beschichtungen sowie umfassenden Untersuchungen zum Einfluss von Alterung und Verschleiß auf die aerodynamische Leistung konnte das Potenzial der Technologie bestätigt werden.“ So wie verschiedene Haie unterschiedliche, ihren Anforderungen entsprechende „Riblet-Spezifikationen“ haben, erfordert die Vielfalt an Tragflächen für eine maximale Wirkung ein maßgeschneidertes Riblet-Design. Dies machte die Entwicklung neuartiger aerodynamischer Simulationen von Riblet-beschichteten Rotorblättern von Windkraftanlagen erforderlich, um die Abmessungen sowie die Position der Riblets auf den Rotorblättern möglichst optimal zu bestimmen, so dass ein größtmöglicher Nutzen erzielt wird. Die Wissenschaftler von Riblet4Wind mussten zur Umsetzung der Entwürfe zudem auch die Materialien und Prozesse modifizieren. Mit den erforderlichen Technologien im Rücken waren die Forschenden bereit für eine umfassende Demonstration an einer Windkraftanlage.
Hindernisse überwinden, Erwartungen übertreffen und Fortschritte planen
Der Weg zur Umsetzung von Innovationen kann steinig sein. So wurden verschiedene Hindernisse überwunden, die zu suboptimalen Bedingungen für die Demonstration der Technologie führten. Eine entscheidende Herausforderung war, sich bei der Demonstration der Technologie und ihrer Vorteile in Bezug auf eine erhöhte Energieerzeugung auf eine 20 Jahre alte Windkraftanlage verlassen zu müssen. Trotz dieser Hindernisse betont Stübing: „Wir konnten die Riblet-Beschichtung erfolgreich auf drei Rotorblätter auftragen – wodurch wir die Fortschritte in der Luftfahrtindustrie übertroffen haben – und die Auswirkungen auf die Leistung über eine Betriebszeit von neun Monaten überwachen. Die im Rahmen des Projekts durchgeführten aerodynamischen Arbeiten haben die geplanten Aufgaben bei Weitem überschritten.“ Umfangreiche Windkanalversuche mit Riblet-beschichteten Rotorblattprofilen lieferten eine fundierte Wissensbasis zum Einfluss von Riblets auf das aerodynamische Verhalten der Rotorblätter bei unterschiedlichen Anstellwinkeln. Riblet4Wind erkundet derzeit Möglichkeiten, die Technologie an einer modernen Windkraftanlage in einem zu Forschungszwecken zur Verfügung stehenden Windpark mit einer Mess- und Leistungsinfrastruktur zu testen. Die anstehenden Tests dienen dazu, die Zuverlässigkeit, die erhöhte Abgabeleistung und die verminderten Lärmemissionen von Riblet-beschichteten Rotorblättern von Windkraftanlagen in einem hochmodernen System nachzuweisen. Die Daten werden für die Markteinführung und Kommerzialisierung von unschätzbarem Wert sein. In der Zwischenzeit treiben die Partner ihre Geschäftspläne zur Kommerzialisierung der einzelnen im Projekt entwickelten Technologien voran. Stübing fasst zusammen: „Die Natur hat für alle Arten von Problemen spannende Lösungen entwickelt, die wir mit unseren derzeitigen technologischen Fähigkeiten erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen können.“ Es wird erwartet, dass die verfeinerten Modelle und verbesserten Beschichtungen einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung von Tragflächen in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt sowie in der Windenergie und auch darüber hinaus haben werden.
Schlüsselbegriffe
Riblet4Wind, Riblet, Wind, Beschichtung, Aerodynamik, Windkraftanlage, Hai, Energie, Kraft, Windkanal, Luft- und Raumfahrt, Luftwiderstand, erneuerbar, Lärm
