Maßgeschneiderter Leichtbau Windstrom aus dem eigenen Garten

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Wittmann Battenfeld GmbH

Eine neu entwickelte Kleinwindanlage für den Eigengebrauch funktioniert selbst bei schwachem Wind – und erreicht dennoch einen hohen Wirkungsgrad. Möglich wird dies dank optimierter Leichtbauweise und Rotorform. Eine weitgehend automatisierte Fertigung könnte sie zudem günstig herstellbar machen. 

Wer mit Windkraft Strom für den Eigenverbrauch erzeugen will, benötigt eine leistungsstarke Kleinwindanlage. Forschende am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP haben zusammen mit der BBF Gruppe einen Rotor in Leichtbauweise entwickelt, der speziell für den Betrieb in Regionen mit geringer Windgeschwindigkeit konzipiert ist. 

Die ersten Prototypen wurden nun ausgeliefert. Diese Anlagen ermöglichen es Privathaushalten, Gewerbetreibenden oder der Katastrophenhilfe eine dezentrale Energieversorgung aufzubauen und erneuerbare Energie effizient zu nutzen.

Schwacher Wind, starke Leistung

Das neu entwickelte Windrad setzt sich bereits bei einer schwachen Brise in Bewegung. Tests im Windkanal zeigen: Der Rotor fängt bei der Windgeschwindigkeit von 2,7 Meter pro Sekunde an zu drehen – eine maßgebliche Voraussetzung, um Windkraft in Regionen mit schwachen Windverhältnissen effizient zu nutzen. Die Anlaufgeschwindigkeit für vergleichbare Systeme beträgt vier Meter pro Sekunde.

„Unser Ziel ist es, die Kraft des Winds so wirksam wie möglich für die Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen“, betont Marcello Ambrosio, Leiter Simulation und Auslegung im Forschungsbereich Polymermaterialien und Composite PYCO des Fraunhofer IAP. Bei der Entwicklung des Windrads verfolgen die Leichtbau-Experten am Standort Wildau einen ganzheitlichen Ansatz: „Wir haben die aerodynamische Auslegung der Rotorblätter und das Fertigungsverfahren optimiert“, führt Ambrosio weiter aus.

Rotorblätter mit Hochleistung

Das Ergebnis: Das Windrad erreicht bis zu 450 Umdrehungen pro Minute. Mit der Leistung von 2500 Watt bei 10 Meter pro Sekunde Windgeschwindigkeit ist es im Durchschnitt 83 Prozent leistungsstärker als Vergleichssysteme auf dem Markt. Die Anlage erreicht einen Wirkungsgrad von 53 Prozent. „Physikalisch sind maximal 59 Prozent möglich“, ordnet Ambrosio die Messdaten des Tests im Windkanal ein. 

Raúl Comesaña M., Geschäftsführer der BBF Gruppe ergänzt: „Effiziente Kleinwindanlagen leisten einen wichtigen Beitrag für eine unabhängige Energieversorgung. Als Projektentwickler und Bauunternehmen in der Region Berlin-Brandenburg zeigen wir mit diesem Projekt, wie Endverbraucher und Gewerbetreibende dezentrale Energieerzeugung individuell und nachhaltig gestalten können.“

Spezieller Laminataufbau 

Die Rotorblätter der Kleinwindanlage sind aus zwei Schalen in Leichtbauweise konstruiert. Sie bestehen aus Faserverbundwerkstoffen. Im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen, die mit einem Schaumkern ausgelegt werden, sind die neu entwickelten Bauteile innen hohl. Diese Bauweise reduziert das Gesamtgewicht um bis zu 35 Prozent. 

Die Form für die Rotorblätter hat Marcello Ambrosio zusammen mit seinem Team eigens angefertigt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen einen industriellen 3D-Drucker, mit dem sich Objekte bis zu einer Größe von zwei mal zwei Meter drucken lassen. Das Verlegen der Faserstreifen in der Form übernimmt eine moderne Automated-Fibre-Placement-Anlage. Diese automatisierte Methode sichert hohe Qualität, reduziert im Vergleich zur Handverlegung die Überlappungen und ermöglicht es, die Maße der Bauteile zu verringern.

Ein spezieller Laminataufbau sorgt zudem dafür, dass der Rotor Starkwinden standhält. „Wir haben die einzelnen Schichten des Verbundwerkstoffs so gestaltet, dass sich die Rotorblätter bei Sturm elastisch verbiegen und aus dem Wind drehen“, schildert Marcello Ambrosio. Die Anlage drosselt dadurch automatisch die Rotationsgeschwindigkeit und ist geschützt vor Überlastung. Auf komplizierte Steuertechnik und aufwendige Mechanik könne somit verzichtet werden.

Prototypen im Praxistext

Fünf Prototypen der Kleinwindkraftanlage wurden kürzlich an die BBF Gruppe ausgeliefert, um sie an unterschiedlichen Standorten aufzubauen. Dadurch wollen die Forschenden und der Entwicklungspartner herausfinden, wie sich die Position und die Höhe der Anlage auf die Leistung auswirken. 

Die nächsten Schritte umfassen die weitere Optimierung der Rotoren sowie die Entwicklung von Leichtbaustrukturen aus Monomaterial – also chemisch identischem Material – statt Verbundwerkstoffen. Solche Bauteile lassen sich leichter recyclen und tragen dazu bei, die Umweltbilanz von Leichtbaulösungen zu verbessern.