Windenergie
Das Motto „Vom Wind zum Drehmoment mit dem Smart Rotor“ beschreibt den Fokus in der DLR-Windenergieforschung. Diese setzt dabei ihr Know-how und die Erfahrungen aus umfangreichen Aktivitäten in der Luftfahrtforschung ein, um leistungsstärkere, leisere und leichtere Windkraftwerke der Zukunft zu entwickeln.
Bei einem Hubschrauber wird der dynamische Auftrieb durch die anströmende Luft an den Rotorblättern erzeugt. Dieser Vorgang ist am DLR bis ins Detail bekannt. Die physikalischen Gesetze dabei gelten auch im umgekehrten Fall, wenn also 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 nachhaltigen Windenergie ist eine deutliche Leistungssteigerung der Windkraftanlagen und Windparks erforderlich. Gleichzeitig sollen sich die Windenergieanlagen leiser als bisher drehen sowie die Kosten für die Herstellung und Wartung sinken.
Beteiligt sind vorwiegend das DLR-Institut für Aeroelastik, das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, das DLR-Institut für Systemleichtbau, das DLR-Institut für Flugsystemtechnik, das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre, das DLR-Institut für Vernetzte Energiesysteme und die DLR-Einrichtung Windenergieexperimente.
Rotor-Entwurf – 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 viel 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.
Die DLR-Institute entwickeln Rotorblätter mit einem hohen Anteil an kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, die fünfmal fester und steifer sind als herkömmliches Material mit Glasfasern. Die Wirkung von Windlasten auf Struktur und Material wird in der Aeroelastik untersucht. Funktionsleichtbau kann für eine höhere Stabilität der Rotorblätter sorgen. Gleichzeitig können automatisierte Produktionsprozesse die Herstellungskosten senken.
Smarte Rotorblätter
Mit einer intelligenten Struktur, Sensorik und Steuerung müssen Rotorblätter zukünftig auch bei stärkeren Windböen nicht gedrosselt werden. Das DLR trägt hierzu mit der Entwicklung von sogenannten Smart Blades bei – zum Beispiel ein in sich bewegliches Rotorblatt. Dabei arbeiten die DLR-Institute sowohl mit numerischen Simulationen als auch in europaweit einzigartigen Windkanälen. Im Forschungsverbund Windenergie wird gemeinsam mit Partnerorganisationen die notwendige Testinfrastruktur für alle wichtigen Aspekte zur Untersuchung von Windenergieanlagen zur Verfügung gestellt.
Aeroakustik und Schallentwicklung
Der Ausbau der Windenergie an Land führt zunehmend zu Fragen der Akzeptanz in der Bevölkerung, zum Beispiel die Lärmbelastung betreffend. Das DLR forscht daher nicht nur an der Berechnung von Schallfeldern, die bei Windenergieanlagen entstehen, und deren Verbreitung, sondern auch am Entwurf leistungsstarker und zugleich lärmarmer Rotorblätter sowie Maßnahmen zur Schallreduktion.
Windenergiepotenziale und Windfeldcharakterisierung
Kompetenzen für die Windenergieforschung im DLR kommen auch aus den Bereichen Atmosphärenforschung und Fernerkundung. Mit Hilfe von Satellitendaten oder landgestützten Systemen arbeiten die DLR-Institute beispielsweise an noch präziseren Vorhersagen für die Windgeschwindigkeiten an den Standorten einzelner Anlagen oder von Windparks. 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
Das DLR wird künftig einen Forschungswindpark in Krummendeich im niedersächsischen Landkreis Stade betreiben. In dieser einzigartigen Forschungsinfrastruktur liefern über 3.000 Sensoren an Windkraftanlagen und Messmasten kontinuierlich Daten, um die beim Betrieb entstehenden Lasten und Schallquellen zu untersuchen. 2023 soll der Forschungswindpark den Probebetrieb aufnehmen und auch die erste Einspeisung von Strom erfolgen. In Krummendeich wird die Windenergieforschung im Originalmaßstab möglich, um neue Technologien zu entwickeln und Akzeptanz, Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Windenergie zu steigern.