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Technik in NRW: Schallminderung von Windenergieanlagen

 

An der Universität Siegen arbeiten Wissenschaftler an der Entwicklung eines geräuscharmen Rotorblatts für Windenergieanlagen. Damit könnte die Schallemission im Vergleich zu heutigen Anlagen im günstigsten Fall halbiert werden, hoffen die Strömungsakustiker.

Um die Energiewende voranzutreiben, sollen die Forschungsbemühungen zur Windenergie- und Solarenergienutzung künftig konzertiert werden. Dafür hat die Bundesregierung das Forschungsnetzwerk Erneuerbare Energien ins Leben gerufen. Es soll mit Blick auf die künftigen Anforderungen an die Technologieentwicklung vor allem zentrale, wichtige Forschungsschwerpunkte festlegen. „In Deutschland existiert im Bereich der Windenergie- und Photovoltaikbranche eine exzellente Forschungslandschaft“, sagte Thorsten Herdan, Abteilungsleiter im Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Um die Windenergienutzungspotenziale umweltverträglich erschließen zu können, fördert das Bundeswirtschaftsministerium unter anderem die technologische Entwicklung von Windenergieanlagen. Im Fokus stehen einzelne Komponenten wie Rotorblätter bis hin zu neuen Regelungskonzepten für Windenergieanlagen und ganze Parks. Rund eine Million Euro an Fördermitteln fließen an das Institut für Fluid- und Thermodynamik der Universität Siegen. Hier wird unter anderem am Lehrstuhl für Strömungstechnik und Strömungsmaschinen seit November 2015 an der Entwicklung eines leisen Rotorblatts für Windenergieanlagen geforscht.

Von Ventilatoren zur Rotorblättern
„Wir erleben einen Boom der Erneuerbaren Energien“, sagt Professor Thomas Carolus, dessen zentrales Forschungsgebiet Ventilatoren sind. Damit stellen sich der angewandten Forschung neue Themenstellungen. Bislang hatte der Strömungsakustiker sich damit beschäftigt, den Wirkungsgrad von Ventilatoren, wie sie als kleine Lüfter in Mediengeräten oder große Rotoren in Kraftwerken und Tunneln eingesetzt werden, zu verbessern. Denn diese Maschinen sind nicht nur für einen wesentlichen Anteil des Energieverbrauchs in industrialisierten Ländern verantwortlich, sondern erzeugen auch Lärm. „Mit Ventilatoren kann man im Labor studieren, wie durch Strömung überhaupt Lärm entsteht“, erklärt Carolus. „Das hilft auch bei der Gestaltung noch leiserer Windräder.“
Obwohl die technische Weiterentwicklungen im Windenergieanlagenbau in den letzten Jahren zu laufleiseren Rotoren geführt haben, seien die Möglichkeiten zur Senkung der Betriebsgeräusche von Windenergieanlagen durch konstruktive Veränderungen der Aerodynamik noch nicht vollständig ausgeschöpft. In Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller Senvion wollen die Siegener Wissenschaftler die Schallemissionen von großen Rotorblättern weiter reduzieren und die Lärmprognosemöglichkeiten von Windenergieanlagen verbessern. Ziel ist des Forschungsvorhabens ist es, mithilfe der Methoden der Strömungsakustik ein aerodynamisch verbessertes Blatt zu entwickeln, mit dem die Lärmemissionen um 1 bis 3 dB(A) gesenkt werden können. „Damit könnte die Schallemission im Vergleich zu heutigen Anlagen im besten Fall halbiert werden“, sagte Carolus gegenüber dem wissenschaftlichen BINE-Informationsdienst.

Verbesserte Aerodynamik nach dem Vorbild der Natur
Laufleisere Rotorblätter, aber auch eine Erhöhung der Energieausbeute durch einen verbesserten Strömungswiderstand der Rotoren sind ein breites Feld für die angewandte Forschung zur Windenergie. Vorbild ist dabei vor allem die Natur. Das Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen beispielsweise forscht an einem speziellen Lack zur Beschichtung von Rotorblättern. Die Bionik-Wissenschaftler orientieren sich dabei an den Eigenschaften von Haifischhaut. Durch deren rillenförmige Struktur vermindert sich der Strömungswiderstand im Wasser. Was bei Oberflächen an Schiffen und Flugzeugen genutzt wird, um den Treibstoffverbrauch zu senken, könnte auch im Rotorblattbau Anwendung finden. Andere Forschungsinstitute wie das Wind Energy Technology Institute (WETI) der Fachhochschule Flensburg forschen an alternativen Baustoffen wie Holz, um die Ökobilanz von Rotorblättern zu verbessern. Denn während die Recyclingquote einer Windenergieanlage insgesamt bei 80 bis 90 Prozent liegt, gelten die glasfaserverstärkten Kunststoffe, die bislang im Rotorblattbau eingesetzt wurden, als wirtschaftlich schwer wiederverwertbar und werden derzeit meist geschreddert und verbrannt. Am Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik des DLR experimentieren Wissenschaftler mit der Veränderung der Hinterkanten von Rotorblättern, um die großen Flügelflächen geräuschärmer zu gestalten. Vorbild sind dabei nachtjagende Eulen, die nahezu geräuschlos fliegen. Das ermöglichen ihnen strömungsdurchlässige elastische Fransen auf der Hinterseite ihrer Flügel. Nach dem gleichen Prinzip könnte durch das Anbringen kamm- oder zackenartiger Strukturen an den Rotorblattkanten der Schall nach den Berechnungen der Wissenschaftler um bis zu 90 Prozent reduziert werden.

Rotorblatt-Hinterkanten haben das größte Verbesserungspotenzial
Auch das Siegener Forschungsprojekt setzt an den Hinterkanten der Rotorblätter an. An dieser Stelle streicht ein Teilstrom des Windes unterhalt und oberhalb des Blattprofils vorbei, wodurch der Rotor angetrieben wird. Dabei entstehen Turbulenzen an der Hinterkante des Blattes, die Geräusche verursachen. Diese Lärmquelle gehöre bei modernen Windenergieanlagen zu den wenigen Stellen, an denen noch erhebliche Verbesserungen möglich seien, erklärt der Strömungsakustiker. Würde die Strömungsführung an der Blatthinterkante verändert und das Profil geometrisch modifiziert, könnten die lärmerzeugenden Turbulenzen von der Kante wegbewegt und damit die Geräuschentstehung reduziert werden.

Am Siegener Forschungsinstitut sollen mehrere Modelle von Blattsegmenten entwickelt und im hauseigenen Windkanal getestet werden. Das Segment mit den besten aerodynamischen Ergebnissen soll in Originalgröße gebaut und in einem großen, aeroakustischen Windkanal erprobt werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse will der kooperierende Anlagenhersteller für ein neues Blattdesign nutzen. Außerdem wollen die Wissenschaftler ein neues Berechnungsverfahren für die Schallprognose, die für die Genehmigung von Windenergieanlagen und Windparks eine wichtige Rolle spielt, entwickeln und in einem Feldtest erproben.

Bildnachweis: Luise/pixelio.de

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