"Vom Wind zum Drehmoment mit dem Smart Rotor", beschreibt den Fokus in der DLR-Windenergieforschung. Die Forschenden setzen dabei ihr Know-how die Erfahrungen aus umfangreichen Forschungsarbeiten für die Luftfahrt für leistungsstärkere, leisere und leichtere Windkraftwerke der Zukunft ein.
Bei einem Hubschrauber wird der dynamische Auftrieb durch die anströmende Luft an den Rotorblättern erzeugt. Diesen Vorgang kennen wir am DLR bis ins Detail. Die physikalischen Gesetze dabei gelten auch im umgekehrten Fall, wenn eine vorhandene Luftströmung eine Windkraftanlage antreibt, die effizient Strom erzeugen soll. Ob an Land oder auf dem Meer, Windkraftanlagen zählen in Deutschland und weltweit zu den wichtigsten Technologien für eine nachhaltige Energieversorgung. Für den weiteren Ausbau der Windenergie ist eine deutliche Leistungssteigerung der Windkraftanlagen erforderlich. Gleichzeitig sollen sich die Windenergieanlagen leiser drehen als bisher, und die Kosten für die Herstellung und Wartung sollen sinken.
Beteiligt sind das DLR-Institut für Aeroelastik, das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, das DLR-Institut für Antriebstechnik, das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, das DLR-Institut für Flugsystemtechnik, das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre, die DLR-Einrichtung Windenergieexperimente sowie das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum im DLR.
Rotorentwurf (Aerodynamik, Aeroelastik, Struktur, Produktion)
Fachleute gehen davon aus, dass einzelne Windenergieanlagen in Zukunft eine Leistung von bis zu 20 Megawatt haben werden. Würden Anlagenbauer eine Windturbine in der heutigen Bauweise so weit vergrößern, wäre ein einzelnes Rotorblatt mehr als 100 Meter lang und mit deutlich über 100 Tonnen zu schwer. Konventionelle Rotorblätter sind dafür auch nicht ausreichend steif, die Blätter können den erforderlichen Mindestabstand zum Turm nicht mehr sicher einhalten. Für die heute angestrebten Leistungsklassen müssen Profile, Strukturen, Bauweisen und verwendete Materialien an die neuen Anforderungen angepasst werden.
Wir entwickeln Rotorblätter mit einem hohen Anteil an Karbonfasern (CFK), die fünfmal fester und steifer sind als herkömmliches Material mit Glasfasern. Die Wirkung von Windlasten auf Struktur und Material werden in der Aeroelastik untersucht. Funktionsleichtbau kann für eine höhere Stabilität der Rotorblätter sorgen. Gleichzeitig können automatisierte Produktionsprozesse die Herstellungskosten senken.
Smarter Rotor
Mit einer intelligenten Struktur, Sensorik und Steuerung müssen Rotorblätter auch bei stärkeren Windböen nicht gedrosselt werden. Am DLR können wir hierzu mit der Entwicklung von sogenannten Smart Blades zum Beispiel durch adaptive Rotorblätter und einem in sich beweglichen Rotorblatt mit einer sogenannten Droop-Nose beitragen. Dabei arbeiten wir sowohl mit numerischen Simulationen als auch in europaweit einzigartigen Windkanälen. Im Forschungsverbund Windenergie wird gemeinsam mit Partnern die notwendige Test-Infrastruktur für alle wichtigen Aspekte zur Untersuchung von Windenergieanlagen zur Verfügung gestellt.
Aeroakustik und Schall
Der Ausbau der Windenergie an Land führt zunehmend zu Fragen der Akzeptanz in der Bevölkerung was zum Beispiel den Schall angeht. Wir forschen daher nicht nur an der Berechnung von Schallfeldern, die bei Windenergieanlagen entstehen, und deren Verbreitung, sondern auch am Entwurf leistungsstarker lärmarmer Rotorblätter und dem Einsatz von Schallreduktionsmaßnahmen.
Windpotentiale und Windfeldcharakterisierung
Kompetenzen für die Windenergie im DLR kommen auch aus dem Bereich Atmosphärenforschung und Fernerkundung. Wir arbeiten mit Hilfe von Satellitendaten oder landgestützten Systemen an noch präziseren Vorhersagen für die Windgeschwindigkeiten an den Standorten einzelner Anlagen oder Parks. Diese Vorhersagen helfen Windrad- und Netzbetreibern ihre Anlagen optimal zu steuern und die Stromeinspeisung ins Netz genau vorherzusagen. Mit optischen Abtastsystemen, sogenannten Lidar-Systemen, lassen sich die Windströmungen und ihre Wechselwirkung innerhalb ganzer Windparks erfassen. Das ist auch Voraussetzung für ein besseres Verständnis des aero-akustischen Verhaltens und trägt damit zur Verbesserung des Lärmschutzes für die ansässige Bevölkerung bei. Mit langen Zeitreihen von Windgeschwindigkeiten können Investoren unterschiedliche Standorte für Windkraftanlagen besser einschätzen.
Windenergieforschung im Originalmaßstab – Der neue Forschungspark Windenergie in Krummendeich
Die DLR-Einrichtung Windenergieexperimente wird nach Planung und Aufbau einen Forschungswindpark in Krummendeich mit einer einzigartigen Forschungsinfrastruktur im niedersächsischen Landkreis Stade betreiben. Mit den Bauarbeiten wurde im Frühjahr 2021 begonnen. Im zweiten Halbjahr 2022 sollen der Forschungswindpark den Probebetrieb aufnehmen und auch die erste Einspeisung von Strom soll erfolgen. In Krummendeich wird die Windenergieforschung im Originalmaßstab möglich, um neue Technologien zu entwickeln und Akzeptanz, Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Windenergie zu steigern.
