Windenergie: Größere Anlagen durch aktive Strömungskontrolle

Um künftig immer größere Windenergieanlagen errichten zu können, muss die bisherige Einzelblattregelung der Rotoren durch eine aktive Strömungskontrolle ersetzt werden. Entsprechende Konzepte werden jetzt in dem Forschungsprojekt TOpWind entwickelt.

Sowohl Onshore als auch Offshore nehmen die Größe von Windenergieanlagen und damit auch der Rotordurchmesser ständig zu. Durchmesser von über 120 Metern Onshore und über 160 Metern Offshore sind mittlerweile keine Seltenheit mehr. Damit steigen jedoch auch die aerodynamischen und damit einhergehend die aeroakustischen Herausforderung. Aufgrund der Windscherung in der Atmosphäre und von Turbulenzen sind die Blätter der Anlagen ständig wechselnden Bedingungen und Lasten ausgesetzt.

Repowering, BWE
Für immer größere Windenergieanlagen sind neue Konzepte notwendig, um die aerodynamischen Herausforderungen an den Rotorblättern in den Griff zu bekommen. Das Forschungsprojekt TOpWind entwickelt dazu auf dem Prinzip der aktiven Strömungskontrolle Systeme und Konzepte. (Quelle: BWE/Jens Meier)

Aktive Strömungskontrolle statt Einzelblattregelung

Die bisherige Methode, die Lasten mit einer Einzelblattregelung (Individual Pitch Control) auszugleichen, ist für solche großen Rotordurchmesser bei gleichzeitig leichterer Bauweise der Blätter nicht mehr ausreichend. Intelligente, lokal eingebrachte Elemente, die auf Veränderungen der Strömung reagieren können, bieten eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems. Sie würden zudem den Einsatz leichterer und längerer Blätter ermöglichen. Hierbei stellt die aktive Strömungskontrolle (Active Flow Control, AFC) eine vielversprechende Technologie dar, um die aerodynamischen und aeroakustischen Bedingungen, die an zukünftige Blätter gestellt werden, zu erfüllen.

Das Prinzip der aktiven Strömungskontrolle ist nicht neu. Vor allem im Bereich der Luftfahrt, aber auch im Straßentransport und bei der Windenergie konnten in den vergangenen Jahren in Forschungsprojekten große Fortschritte erzielt werden. Dabei wurden verschiedene aktorische Konzepte entwickelt und deren Wirkung auf die Erhöhung des Auftriebs, die Reduktion von Widerständen und die Verringerung von Lärmabstrahlungen untersucht. Zuletzt wurden auch zunehmend fluidische Aktoren (Aktoren zum Ausblasen oder Absaugen von Strömungen) als mögliche Aktorkonzepte in Forschungstätigkeiten einbezogen.

Konzepte aus der Luftfahrt nutzen

Eingesetzt wurden diese Aktoren bislang jedoch hauptsächlich in der Luftfahrt. Aber auch für Anwendungen in Windenergieanlagen gibt es interessante Konzepte. So zeigen erste Untersuchungen, dass mit diesen Aktoren die Rotoreffizienz verbessert und damit die Winderntefähigkeit und die mögliche Energieausbeute erhöht werden kann. Auch ist durch Reduktion der wechselnden aerodynamischen Lasten eine Lärmminderung möglich, was die gesellschaftliche Akzeptanz von Windenergieanlagen erhöhen würde.

Forschungsprojekt TOpWind entwickelt angepasste Aktoren und Systeme

Um diese Ziele zu erreichen, sind effiziente, robuste und auf das System Windenergieanlage angepasste Aktoren und Systeme notwendig. Derartig leistungsfähige Aktoren stehen jedoch derzeit nicht zur Verfügung oder wurden bisher noch nicht an Windenergiesystemen untersucht. Diese Aufgabe übernimmt jetzt das Forschungsvorhaben TOpWind. Dabei sollen strukturintegrierte AFC-Aktoren und -Systeme entwickelt und untersucht werden, die speziell auf die Anforderungen von Windenergieanlagen abgestimmt sind. Dabei werden nicht nur technologisch neue Ansätze erforscht, sondern auch ökonomische und ökologische Verbesserungen bei der Herstellung und im Betrieb der Anlagen betrachtet. Darüber hinaus soll die Grundlage für neue, innovative Rotor-Geometrien geschaffen werden.

Basierend auf diesen Zielen gliedert sich das Verbundvorhaben in folgende Schwerpunkte:

  • Entwicklung von Technologien zur Optimierung der Blattströmung bei Windenergieanlagen basierend auf der aktiven Strömungskontrolle mit fluidischen Aktoren
  • numerische und experimentelle Analyse der Technologien und Optimierungshypothesen
  • Konzepte und Technologien zur Integration der fluidischen Aktorik in die faserverstärkte Rotorblattstruktur
  • Entwicklung eines Bewertungs- und Steuerungskonzepts zur (lebenszyklusorientierten) ökonomischen Beurteilung der Nutzung aktiver Strömungskontrolle.

Das Forschungsprojekt TOpWind wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit fast vier Millionen Euro geförderte und läuft bis Juli 2020.

Im Projekt kooperieren mehrere Partner. Auf Seiten der Forschungseinrichtungen sind dies:

  • vier Institute der Fraunhofer-Gesellschaft
    (Konsortialführer Fraunhofer ENAS sowie Fraunhofer IWES, Fraunhofer IWU, Fraunhofer LBF)
  • das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
  • die Technische Universität Chemnitz.

Aus der Privatwirtschaft engagieren sich im Projekt folgende Unternehmen:

  • Siemens Wind Power
  • Altran Deutschland S.A.S.
  • IBK-Innovation
  • Invent
  • ts3 The Smart System Solution