Dem Windrad mit Carbon-Nanoröhrchen einheizen
Setzt sich Eis auf Windrädern an, geht das meist mit einem hohen Effizienzverlust einher: Unwuchten entstehen und die ursprüngliche Aerodynamik der Rotorblätter nimmt ab. Schon länger wird Windkraftanlagen deswegen eingeheizt – zum Beispiel mit Heißluft. Das EU-Projekt Windheat hat nun eine energiesparendere Methode entwickelt und setzt dabei auf Nano-Technik.
Die Leistungseinbußen aufgrund vereister Windräder schätzen Fachleute auf jährlich 14 bis 20 Prozent.
Foto: Windheat
Wo der Wind stark weht, ist es nicht selten auch kalt. Deshalb kämpfen Betreiber von Windparks schon lange mit dem Problem der Vereisung ihrer Anlagen – oder scheuen gar ganz davor zurück, sich in sehr kalten aber auch extrem windreichen Gefilden anzusiedeln. Dabei lässt das plötzliche Eis nicht etwa die Motoren einfrieren. Die Gefahr liegt vielmehr darin, dass eisbedeckte Rotorblätter schnell ihre ursprüngliche Aerodynamik verlieren und letztendlich weniger Energie erzeugen.
Leistungseinbußen bis zu 20 Prozent
Die Leistungseinbußen aufgrund vereister Windräder schätzen Fachleute auf jährlich 14 bis 20 Prozent. Um diesem Verlust entgegenzuwirken, greifen Windparkbetreiber zu unterschiedlichen Heizmethoden. Mal blasen sie Heißluft in die hohlen Rotorblätter hinein, mal werden nur die Spitzen erwärmt.
Das EU-Projekt Windheat setzt nun auf ein intelligentes Heizsystem, das nicht etwa permanent läuft, sondern nur dann, wenn es tatsächlich friert. Gemeinsam mit sechs Unternehmen aus vier EU-Ländern haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart am eigentlichen Herzstück von Windheat getüftelt: einer Heizschicht aus Carbon-Nanoröhrchen.
Selbstklebende Polymerfolie als Trägermaterial
Diese nur wenige Mikrometer dicke Schicht wird durch Sprühen auf eine selbstklebende Polymerfolie aufgebracht. Da sich eine solche Carbon-Nanotube-Schicht (CNT) in nahezu beliebiger Flächengröße auftragen lässt – von wenigen Quadratmillimetern bis hin zu mehreren Quadratmetern –, ermöglicht das Verfahren eine Unterteilung des Rotorblattes in mehrere sowie unterschiedlich große Heizabschnitte.
Das per CNT-Schicht beheizte Areal des Rotorblatts bleibt eisfrei.
Quelle: Fraunhofer IPA
Jede der aufgetragenen Schichten verfügt über einen Heizdetektor. „Unsere Schicht aus Kohlenstoffnanoröhrchen beheizt nur die Zonen, die tatsächlich vereist sind“, erklärt Anne Gerten, Wissenschaftlerin am IPA, die Vorteile. Der Energieverschwendung, die hingegen eine ständige Kompletterwärmung mit sich bringt, sind damit Schranken gesetzt.
Mit Rotorblatt im Eiskanal
Erkennt ein Heizdetektor in einer der aufgetragenen Zonen Frostbildung, wird das erst junge Eis innerhalb von fünf Sekunden aufgetaut. Dass eine wenige Mikrometer dicke Nanoschicht überhaupt in der Lage ist, eine Heizwirkung aufzubauen, ist auf die äußerst guten elektrischen Eigenschaften des Materials zurückzuführen. IPA-Forscherin Gerten: „Im Prinzip sind die Kohlenstoffnanoröhrchen gewickelte Lagen von Graphen, die sich stellenweise berühren. An diesen Kontakten wird der elektrische Strom in Wärme umgewandelt.“
Dass das System tatsächlich funktioniert, konnten die Forscher in einem Windkanal erfahren, in dem sonst Lastwagen auf ihre Witterungsbeständigkeit geprüft werden. Jene Stellen der Rotorblätter von Kleinkraftwindanlagen, die mit einer CNT-Schicht beklebt waren, blieben eisfrei.
Ob die Entwicklung irgendwann in Serie gefertigt wird, ist bislang nicht klar. Wahrscheinlich ist aber, dass nicht nur die Windenergie-Branche Interesse daran haben dürfte. Auch die Enteisung von Flugzeugtragflächen ließe sich damit wahrscheinlich vereinfachen.
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