Windkraft im Aufwind

Schon immer haben die Menschen die Kraft des Windes genutzt: Sei es, um Sägewerke und Mühlen anzutreiben, um Brunnenwasser zu pumpen oder um in See zu stechen. Heutzutage kommt die Windenergie vor allem zur Erzeugung von Strom zum Einsatz, und das höchst klimafreundlich: Eine Windenergieanlage erzeugt während ihrer Laufzeit bis zu 70 mal mehr Energie, als für ihre Herstellung, Nutzung und Entsorgung nötig ist.

Ende 2017 war weltweit eine Windkraftleistung von fast 540 Gigawatt installiert. Und auch wenn der Zubau an Windenergie in Deutschland derzeit noch schwächelt, so bleibt sie weltweit kräftig im Aufwind: Allein in China, dem Land mit der größten installierten Windenergieleistung, lag sie Mitte 2019 bei 217 Gigawatt. Großbritannien will bis 2030 ein Drittel seiner Energie aus Windparks auf See beziehen, und auch die USA sowie viele andere Nationen bauen die Windkraft kräftig aus. „Um die Energieausbeute zu steigern, werden die Türme der Windenergieanlagen derzeit immer höher und die Blätter länger. Offshore kommen immer neue, anspruchsvollere Standorte hinzu“, erklärt Andreas Löffler vom Business Development Composites bei FreiLacke. „Die Anlagen lassen sich so, wie sie gefertigt werden, jedoch nicht mehr günstiger produzieren, weil sich die Qualität nicht weiter herunterfahren lässt. Das macht neue Konzepte für die Anlagen erforderlich – frische, innovative Lösungen sind hier dringend gefragt!“

Den Systemgedanken konstruktiv fortführen

FreiLacke hält für Kunden aus der Windindustrie Beschichtungssysteme für sämtliche Komponenten – vom Fundament bis zum Rotorblatt – bereit. Um sie dabei zu unterstützen, die Stromgestehungskosten sowie den CO2-Fußabdruck zu minimieren, hat der Schwarzwälder Hersteller jetzt neue Konzepte für die Beschichtung, aber auch für die Herstellung der Bestandteile entwickelt. „Wir bieten unseren Kunden mit unseren Systemlacken bereits erfolgreich ein Komplettpaket, mit dem sie ganz unterschiedliche Oberflächen in derselben Qualität und im selben Farbton beschichten können. Nun führen wir den Systemgedanken weiter und beraten die Hersteller bei der Gestaltung und Konstruktion der einzelnen Bauteile weit über die Lackierung und Beschichtung hinaus“, führt Löffler fort.

Herausforderungen neu betrachten

Dafür müsse man jedoch die Produktionsprozesse völlig neu denken: Neue Verfahrenstechnologien sollen zu einer kostengünstigeren Anlageninstandhaltung führen, die die Herstellungskosten und damit auch langfristig die Stromgestehungskosten reduzieren. So denkt das Entwicklerteam bei FreiLacke beispielsweise über Multimaterialkombinationen und deren optimale Abstimmung nach, etwa über das Zusammenspiel von Flüssig- und Pulverharzen. „Bisher wurde Pulver nicht für Windenergieanlagen eingesetzt“, sagt Löffler. Es lohne sich jedoch, die Prozesse immer wieder aus einer anderen Warte zu betrachten: Indem beispielsweise die Untergründe zusammen mit den Beschichtungslösungen gedacht werden. Damit bietet FreiLacke Prozesskompetenz und -begleitung aus einer Hand.

„Unser Vorteil besteht darin, dass wir sämtliche Rohstoffe für Flüssig- und Pulverlacke und Harze vor Ort haben und daraus dank unserer Expertise neue Lösungen entwickeln können“, betont der Windkraftexperte. Durch Prozessschrittverbesserungen in der Wertschöpfung will man so für eine größere Effizienz und Wirtschaftlichkeit sorgen. Damit werde die Windenergie mehr und mehr zur wirklichen Green-Energy.

Innovation 1: Neues Kombi-Lacksystem für Onshore-Türme

Die meisten Windenergieanlagen überragen längst die 100-Meter-Marke. Bei Onshore-Anlagen bestehen die Türme zumeist aus einzelnen Betonsegmenten, die aufeinandergesetzt und dann verspannt werden. Beton ist jedoch ein hoch alkalisches Material: Wenn Regen oder andere saure Medien an den Nahtstellen in den Beton eindringen, kann das zu sogenannten „Betonausblutungen“ führen, die nicht nur optische Schäden hinterlassen, sondern langfristig auch die Stabilität einer Anlage gefährden. Deshalb ist eine sorgfältige und komplette Beschichtung der einzelnen Betonringe unerlässlich, beispielsweise mit der FreiLacke-Funktionsbeschichtung aus einer wasserverdünnbaren 2K-Epoxidgrundierung oder einem 2K-Polyurea-Grundierspachtel sowie einem 2K-Polyurea-Decklack. Auch weitere Kombinationen mit anderen Systemen sind denkbar. Gemeinsam sind sie darauf ausgelegt, diese Probleme und Folgekosten zu vermeiden. Zudem sind diese Kombinationen auch für die Beschichtung der Fundamente geeignet.

Die 2K-Epoxidgrundierung ist nahezu lösemittelfrei, lässt sich einfach mit der Walze verarbeiten und bietet auch auf frischem Beton eine exzellente Haftung. In Kombination mit dem Grundierspachtel und/oder dem 2K-Polyurea-Decklack sorgt sie für eine maximale Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, ihre Verarbeitungsbedingungen liegen zwischen 5 und 40°C.

Auch der 2K-Polyurea-Decklack lässt sich einfach verarbeiten und weist neben einer gleichmäßigen Strukturausbildung eine sehr hohe Licht -und Wetterbeständigkeit auf. Je nach Spezifikation der Oberflächen reicht ein einschichtiger Auftrag. Der Decklack erreicht schnell seine Härte, ist sehr kratz- und chemikalienbeständig sowie schnell transportfähig. Er ist nahezu VOC-frei und mit sich selbst überlackierbar. Das Produkt wurde bereits in unterschiedlichen Klimazonen getestet und erfolgreich eingesetzt.

Innovation 2: Neue Verfahrenstechnik für die Gondel

Die Gondel einer Windkraftanlage beherbergt Antriebsstrang mit Rotornabe, Rotorwelle und Generator sowie weitere Komponenten. Dieses „Maschinenhaus“ besteht aus Kunststoff und wird bis heute überwiegend in einem Handlaminierverfahren hergestellt. Um die Gondeln zu beschichten und damit wetterfest zu machen, wird zunächst ein Gelcoat als Inmould-Lacksystem in die Form eingebracht. Konventionelle Gelcoats gelten jedoch als umweltkritisch, da sie Styrol enthalten, ein leicht polymerisierbares Monomer, das entzündlich und gesundheitsschädlich ist: Es reizt die Atemwege, Haut, Augen und Schleimhäute. Styrolfreie Möglichkeiten sind bislang jedoch sehr teuer.

Um der Windkraftbranche tragfähige, kostengünstige Alternativen an die Hand zu geben, hat sich FreiLacke mit der Entwicklung von Lösungen für die Gondeln aus Sandwichsystemen in Leichtbauweise beschäftigt, die sich mit Flüssig- und Pulverlack beschichten lassen. Diese styrolfreie Bauweise kann nicht nur das Gewicht deutlich reduzieren, sondern erhöht auch die Arbeitssicherheit für die Beschäftigten und die Nachhaltigkeit der Anlage. Zur Lackierung können herkömmliche Flüssigprodukte aus dem Blattbaubereich oder auch Pulverlacke – wenn bereits im Herstellprozess berücksichtigt – verwendet werden.

Alle Komponenten für Rotorblätter aus einer Hand:

1) Composites traditionell / CM-Powder / metallisch

2) Spachtel / Haftvermittler (Metall und Kunststoff) / Porenfüller

3) GelCoat

4) Decklacke (wasserverdünnbar, lösemittelhaltig)

5) Erosionsschutz (LEP)

Innovation 3: Modularer Kantenschutz

Die Rotorblätter moderner Windkraftanlagen drehen sich mit Spitzengeschwindigkeiten deutlich über 300 Stundenkilometern. Dabei spielt das aerodynamische Profil an ihren Vorderkanten eine wichtige Rolle, denn es trägt maßgeblich zum Wirkungsgrad der Anlage bei. Doch gerade die Vorderkanten sind stark der Erosion ausgesetzt: Umwelteinflüsse wie Regen, Schnee, Hagel, Sand, UV-Strahlung sowie starke Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen können hier die Erosion stark beschleunigen. Bei Offshore-Anlagen erhöhen Luftfeuchtigkeit und Salzbelastung diese Beanspruchung noch zusätzlich.

Die Anforderungen an die Erosionsbeständigkeit sind entsprechend hoch und eine leistungsstarke Kantenschutzbeschichtung, auch Leading Edge Protection (LEP) genannt, extrem wichtig. Damit treten erosive Defekte bedeutend später auf, während die wichtige aerodynamische Profilgeometrie zur laminaren Umströmung länger erhalten bleibt. Das sorgt für eine größere Anlageneffizienz und längere Wartungsintervalle.

FreiLacke hält für seine Kunden der Windenergie-Branche bereits mehrere Systeme für die Kantenschutzbeschichtung bereit. „Zudem wird bei unserer neuen, modularen Produktionstechnologie nicht mehr dispergiert, sondern nur noch homogenisiert“, erklärt Lena Sühling aus der Composites-Entwicklung bei FreiLacke.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Modulare Lackrezepte enthalten nur noch flüssige Komponenten, lassen sich vollautomatisch dosieren und schneller produzieren, sodass umgehend auf Kundenanfragen reagiert werden kann. „Zudem ermöglicht die modulare Produktion eine hohe Reproduzierbarkeit, unabhängig von der Chargengröße und dem Produktionsstandort. Dies ist von Vorteil, da die Rotorblatthersteller längst global produzieren“, betont Sühling.

Innovation 4: Nabe und Generator dauerhaft einsatzfähig halten

Die Nabe ist einer der wichtigsten konstruktiven Bauteile einer Windenergieanlage: Hier laufen die Rotorblätter zusammen, und enorme Kräfte wirken auf sie ein. Sie ist es, die den Generator im Inneren des Gehäuses antreibt und damit die Stromproduktion am Laufen hält.

Die Oberflächen der äußeren Teile von Nabe und Generator bestehen aus Stahl, für die FreiLacke innovative Pulverlack-, High-Solid- und Ultra-High-Solid-Lacksysteme bereithält. Auf Basis dieser Systeme lassen sich auch bauteilspezifische Anforderungen – etwa ein hoher Korrosionsschutz sowie maximale Beständigkeiten in Bezug auf Temperatur und chemische und mechanische Einflüsse – umsetzen. FreiLacke unterstützt die Hersteller bei der Erarbeitung einer Oberflächen-Spezifikation sowie bei der Qualifizierung von Zulieferern und der Durchführung von Freigabeprüfungen. Auf Wunsch werden auch Ursprungs- und Sollwertmuster für Töchter und Zulieferer sowie Arbeitsanweisungen erstellt und Schulungen durchgeführt.

Fazit

Bei FreiLacke bekommen Hersteller von Windenergieanlagen und deren Komponenten hochwertige Harz- und Lacksysteme aus einer Hand. Die langjährige Expertise erlaubt es FreiLacke, Kunden auch bei der Verfahrenstechnik der einzelnen Bauteile zu beraten und dafür höchst innovative und vielversprechende Wege zu beschreiten. Das trägt dazu bei, weitere Einsparpotenziale bei der ohnehin schon klimafreundlichen Windenergie zu heben.