Schäume und Kernwerkstoffe für Rotorblätter

Dr. Frank Prissok, Dr. Christophe Hebette, BASF Polyurethanes GmbH, Lemförde

Um die nationalen und internationalen Anforderungen  für die Erzeugung regenerativer Energie zu erreichen, ist ein gezielter Ausbau der Windkraft erforderlich. Größere Anlagen liefern, bezogen auf die Investition, günstigeren Strom, damit einhergehend werden Konstruktionsänderungen an den Blättern erforderlich, die neue, innovative Materialien erfordern. Auch die Herstellung und die Entsorgung der verwendeten Materialien und Bauteile stehen bei der grünen Energieerzeugung im Fokus. Stichworte sind hier: Energieaufwand bei der Herstellung, Verwendung nachwachsender Rohstoffe, Langlebigkeit, umweltfreundliche Entsorgung oder Recycling.

Rotorblätter für Windkraftanlagen werden üblicherweise in Sandwich-Bauweise hergestellt, wobei die Kernwerkstoffe nur etwa 5 % des Gewichtes des gesamten Rotorblattes, aber ca. 30 % des Bauteilvolumens beanspruchen. Die Kernwerkstoffe werden vorrangig in der Schale, in den Stegen, der Abrisskante und der Rotorspitze verwendete, wobei die Kernwerkstoffe je nach Beanspruchung im Bauteil mehr den Charakter eines Füllschaumes (geringere mechanische Festigkeit und Dichte) oder die eines Konstruktionswerkstoffes haben (hohe mechanische Festigkeit bei höherer Dichte).

Als Sandwich-Deckmaterial werden im Wesentlichen hoch glasfaserverstärkte Epoxidharze, in geringerem Maße auch Polyesterharze sowie Kohlefasern eingesetzt. Bedingt durch die hohen Temperaturen (teils > 120 °C) bei der Abbindereaktion der dicken Harzschichten müssen die Kernwerkstoffe sowohl der Temperaturbelastung als auch dem Vakuuminfusionsprozess widerstehen, was einen hohen Grad an Geschlossenzelligkeit und einen hohen Erweichungspunkt erfordert. Größere Rotorblätter bedingen gleichzeitig höhere Schichtdicken und damit auch höhere Kerntemperaturen bei der Herstellung, was die Temperaturbelastung der Schäume weiter verstärkt.

Da es sich bei einem Rotorblatt um ein dynamisch belastetes Bauteil handelt, das im Betrieb eine stetige Durchbiegung erleidet, müssen die Kernwerkstoffe bei aller Steifigkeit und Festigkeit auch ein gewisses Maß an Elastizität zeigen und nicht zum Sprödbruch neigen. Da die Betriebszeiten einer Windkraftanlage z. B. die eines Automobils um ein Mehrfaches übersteigen, ist ein besonderes Augenmerk auf die dynamische Langzeitbeständigkeit zu legen.

 

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(Abb. 1)

 

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(Abb. 2)

 

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(Abb. 3)

 

Etwa zwei Drittel der 2011 als Kernwerkstoff eingesetzten Menge entfallen auf Balsaholz, ein Viertel auf teilvernetzten PVC-Schaum, den Rest teilen sich PET, PS, SAN und sonstige Schäume (PUR). [Abb. 1]

Im Bereich der Kernwerkstoffe für Rotorblätter ist Polyurethanschaum bisher somit nur in einem kleinen Maße vertreten. Dies mag einerseits an der Entstehungsgeschichte der Windindustrie liegen, wo aus kleinen Anfängen mit traditionell aus dem Boots- und Flugzeugbau her bekannten Werkstoffen im Handlaminierverfahren die ersten Blätter hergestellt wurden und anderseits in der Vergangenheit Standard-PUR-Hartschäume getestet wurden, die zwar die erforderliche Steifigkeit, nicht aber die Elastizität und dynamische Dauerfestigkeit besitzen, die für eine Anwendung als Kernwerkstoff erforderlich sind, und somit ungeeignet waren.

Hier kann die PUR-Materialforschung ansetzten. [Abb. 2 und Abb. 3 bis 7]
Jeder der zur Zeit verwendeten Kernwerkstoffe zeigt Vor- und Nachteile (siehe Charakterbögen), wobei die Themenbereiche Rotorblattherstellung und Rotorblattbetrieb besonders hervorzuheben sind.
Bei der Herstellung muss der Kernschaum, der in direkten Kontakt mit den flüssigen Harzrohstoffen kommt (u. a. Epoxide, Amine, Styrole) eine ausreichende chemische Beständigkeit zeigen, er muss eine hohe Geschlossenzelligkeit, Steifigkeit und Vakuumfestigkeit aufweisen, da während der Vakuuminfusion kein Harz in den Schaum eindringen darf, weiterhin muss er den z. T. hohen Reaktionstemperaturen widerstehen, die während des Abbindeprozesses im Harz auftreten. Die Kernwerkstoffe dürfen möglichst kein Wasser abgeben, was bei der Vakuuminfusion zur Gasbildung führen würde, sie müssen eine gute Haftung zur Deckschicht besitzen und dürfen nicht schrumpfen.

Im Rotorblattbetrieb kommt es besonders auf die dynamisch / mechanischen Eigenschaften an.

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(Abb. 4)

 

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(Abb. 5)

 

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(Abb. 6)

 

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(Abb. 7)

 

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(Abb. 8)

 

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(Abb. 9)

 

Um eine Aussage über die Eignung eines Werkstoffes in einem Blatt zu bekommen, werden zunächst statische Prüfungen an einem Muster/Sandwich durchgeführt. Erste aussagekräftige Werte liefern hier die Druckfestigkeit und das Druckmodul sowie die Scherfestigkeit und das Schermodul. [Abb. 8 und 9]

Aus einem 4-Punkt-Biegetest an einem Modell-Sandwich kann dann eine erste Aussage zu den Abhängigkeiten von: Druck-/Scherfestigkeit, Druck-/Schermodul und Dehnung getroffen werden.

Zusätzlich liefert der statische Test eine Aussage zum Bruchverhalten (spröde oder duktil) und zur Haftung zwischen Deckschicht und Kernschaum (Peeling oder Riss im Schaum).

Wird der Vierpunktbiegetest dynamisch (z. B. 1 Million Zyklen) mit verschiedenen Schubspannungen ausgeführt, können aus den Versuchen Daten für Wöhlerlinien gewonnen werden. [Abb. 10]


Wo liegen die Chancen für PU im Rotorblattbau?


Neben dem mechanisch sehr festen Balsaholz, das unbehandelt relativ offenzellig ist und schnell Wasser aufnimmt, wird vorwiegend PVC-Schaum als Kernwerkstoff verwendet. Dieser teilvernetzte Polyvinylchlorid-Polyharnstoff-Hartschaum wird in einem aufwändigen, mehrstufigen Prozess aus PVC und Polyisocyanaten hergestellt und zeigt duktiles Verhalten und gute mechanische Eigenschaften. Nachteilig sind bei ihm der hohe Chlorgehalt (Entsorgung) und der relativ niedrige Erweichungspunkt. Bei den anderen im Rotorbau verwendeten Kernschäumen handelt es sich um Thermoplaste (PET, SAN, PS), die meist kontinuierlich als Plattenware produziert und gelegentlich teilvernetzt werden.

Da die Polymerketten in Thermoplasten keinen hohen Vernetzungsgrad zeigen dürfen, sind deren Erweichungspunkte im Vergleich zu Duromeren wie den hochvernetzten PUR-Hartschäumen niedrig. Bei Erwärmung erweichen sie in einem relativ breiten Temperaturbereich. [Abb. 11]

Hier zeigt ein Duromer, wie ein PUR-Hartschaum entscheidende Vorteile, ein Erweichen bzw. Zersetzen erfolgt erst deutlich später. [Abb. 12]

Ein weiterer Vorteil der vernetzter Polymere (PUR-Schäume) gegenüber den linearen Thermoplasten ist deren Chemikalienbeständigkeit. Über die breite Palette an Rohstoffen auch aus nachwachsenden Quellen, die dem PUR-Forscher zur Verfügung stehen, lässt sich die Polarität des Schaumes gezielt einstellen, so dass sowohl eine Beständigkeit als auch eine gute Haftung der Harze auf der PUR-Oberfläche erreicht werden kann.

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(Abb. 10)

 

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(Abb. 11)

 

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(Abb. 12)

 

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(Abb. 13) 

 

Mittels geeigneter neuer Rohstoffe lässt sich bei hohen Festigkeiten und Modulen die Sprödigkeit auf ein Maß reduzieren, das dem der weitläufig verwendeten PVC-Schäume entspricht. [Abb. 13]

Diese PUR-Schäume zeigen in ersten Ansätzen zum PVC-Schaum vergleichbare Wöhlerlinien.

Die Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen.

 

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Anmerk. Redaktion: Dieser Vortrag wurde auf der VDI-Fachkonferenz „Rotoren und Rotorblätter von Windenergieanlagen 2012" präsentiert. 

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