Riblet-Lack im Praxistest

Als Riblets bezeichnet man eine Oberflächengeometrie mit feinen Rippchen, die zudem sehr scharfe Spitzen besitzen. Diese Riblets vermindern den Reibwiderstand und sorgen dafür, dass Haie schnell schwimmen können. Diese Eigenschaft hatte das Fraunhofer IFAM dazu genutzt, für den Flugzeugbau eine funktionelle Beschichtung mit mikroskopisch kleinen Rillen – den Riblet-Lack – zu entwickeln. Das Ergebnis waren reduzierter Luftwiderstand sowie geringerer Treibstoffverbrauch. Im Rahmen des EU-Forschungsprojekts „Riblet4Wind“ hat sich ein Team aus sieben Projektpartnern der Herausforderung gestellt, die Aerodynamik von Windkraftflügeln effizienter zu gestalten. Jetzt haben die Wissenschaftler diese Technologie an die Rotorblätter einer Windkraftanlage angepasst und sie unter realen Bedingungen getestet. Mit vielversprechenden Ergebnissen. Scheinbar ohne großen Kraftaufwand gleiten Haie mit hoher Geschwindigkeit durch das Wasser. Mikroskopisch kleine Rillen auf ihrer Haut verhelfen ihnen zu dieser bemerkenswerten Geschwindigkeit. Dafür verantwortlich ist die reibungsminimierende Eigenschaft dieser Mikrostruktur, die die hydrodynamischen Eigenschaften des Fischkörpers optimiert.

Reduzierung der Turbulenzen

Die Grafik verdeutlicht die Geschwindigkeitsverteilung an der Turbine mit atmosphärischer Grenzschicht­anströmung. Foto: bionic surface technologies GmbH

Die Wirkung beruht darauf, dass die turbulenten Wirbel, die quer zur Strömungsrichtung laufen, vermindert werden. Die Turbulenzreduzierung an der Grenzschicht führt zur Verringerung des Reibwiderstands. In der Strömungsmechanik macht man sich die Haifisch-Längsrillenstrukturen schon seit einigen Jahren in vielfältiger Weise zunutze. Um das Prinzip der Haifischhaut auf technische Einsätze zu übertragen, wurden in den Anfängen vorwiegend geriefte Klebefolien für Versuchszwecke eingesetzt. Für Anwendungen, bei denen gekrümmte Flächen beschichtet werden müssen oder es auf eine hohe Dauerhaftigkeit unter harschen Umweltbedingungen ankommt, ist der Einsatz der Folie jedoch schwierig. Aus diesem Grund hat das Fraunhofer IFAM eine lacktechnische Lösung entwickelt, bei der in einem einzigen Arbeitsschritt ein Lack flüssig aufgetragen, entsprechend fein gerillt strukturiert und anschließend gehärtet wird. Der strömungstechnische Nutzen dieser Lackoberflächen wurde in der Vergangenheit für verschiedene großtechnische Anwendungen, vor allem für die Luftfahrt und für die Schifffahrt, nachgewiesen. Doch wie verhält sich das System bei Windkraftanlagen und wie kann es zur Steigerung des Stromertrags bei Neuanlagen und nachträglich an Bestandsanlagen aufgebracht werden?

Automatisierte Beschichtung

Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die ribletstrukturierte Lackoberfläche. Foto: Fraunhofer IFAM

Die bereits im Vorfeld durchgeführten Windkanalversuche zum Einfluss des Riblet-Lacksystems auf die aerodynamischen Eigenschaften an einem Modell eines Rotorblatts haben zu erfolgsversprechenden Ergebnissen hinsichtlich der Leistungssteigerung bei Windenergieanlagen geführt. Auf Basis dieser Ergebnisse resultierte die Prognose, dass sich durch das Lacksystem des Fraunhofer IFAM die aerodynamische Qualität der Rotorblätter signifikant steigern lässt – und zwar ohne zusätzliche Lasten für die Konstruktion der Wind­energieanlage, da die leistungssteigernde Funktion in das Lacksystem integriert ist. Im ersten Schritt des Projekts „Riblet4Wind“ wurden daher umfangreiche Windkanal-­Testreihen an einem 2D-Profil mit Riblet-Strukturen durchgeführt und eine signifikante aerodynamische Effizienzsteigerung von 10% gemessen. Während der anschließenden Entwicklungsphasen innerhalb des Projekts hatte jeder Partner für die Anpassung des Riblet-Systems auf die Großstrukturen der Rotorblätter seine spezielle Aufgabe: Die bionic surface technologies GmbH ermittelte mit Strömungssimulation und Windkanaltests die optimale Geometrie für die ausgewählte Windkraftanlage, Ingenieure der Firma Mankiewicz haben das Lacksystem entwickelt und das Fraunhofer IFAM stellte den Lack-Applikator, der mit einer für die Rotorblattbeschichtung adaptierten Robotik der Firma Eltronic zu einem automatisierten Applikationssystem kombiniert wurde. Zur Demonstration der Technologie diente eine bestehen­de „AN Bonus“-Windenergieanlage mit einer Nennleistung von 450 kW und einem Rotordurchmesser von 37 m. Diese Anlage und eine weitere Turbine des gleichen Typs stehen in Bremerhaven und werden von der Muehlhan Deutschland GmbH betrieben. E.ON Climate & Renewables war federführend bei der Erfassung der Leistungsdaten.

Testablauf

Warum das wichtig wird

Bionische Strukturen dienen dem Menschen immer häufiger dazu, innovative Technologien nach dem Vorbild der Natur zu entwickeln. Haie besitzen auf ihrer Hautoberfläche mikroskopisch kleine Rillen, die ihnen dabei helfen, mit Leichtigkeit durch das Wasser zu schweben. Diese Rillen – Riblets genannt – hat das IFAM auf ein Lacksystem übertragen, dessen Nutzen für die Luftfahrt und für die Schifffahrt bereits nachgewiesen ist. Im Rahmen des Projekts „Riblet4Wind“ konnten die Wissenschaftler zeigen, dass der Riblet-Lack automatisiert auf Großteile aufgetragen werden kann. Zum Einsatz kam das System auf älteren Windenergieanlagen. Spannend wäre zu ermitteln, welche Effizienzsteigerung der Lack bei modernen Anlagen mit verstellbaren Rotorblättern bietet.

Um die Veränderungen der Leistungscharakteristik beurteilen zu können, wurden die Windkraftanlagen für einen Zeitraum von zwölf Wochen im Originalzustand betrieben und die entsprechenden Leistungsdaten ermittelt. Anschließend wurden die Rotorblätter einer Anlage demontiert und mit der Riblet-Beschichtung versehen. Hier konnte erstmals der automatisierte Auftrag des Riblet-Lacks auf ein Großbauteil demonstriert werden. Nach erfolgter Montage der behandelten Rotorblätter wurde die Leistungscharakteristik der Anlagen über fünf Monate nach einem standardisierten Verfahren gemessen. Weiterhin wurden Parameter wie Verschleiß und Verschmutzung ermittelt. Obwohl es sich bei den Anlagen um ältere Turbinen (ca. 20 Jahre) mit entsprechenden Abnutzungserscheinungen handelte, die zudem keine Rotorblätter mit verstellbarem Anstellwinkel haben, zeigte sich eine Verbesserung der Leistungscharakteristik durch die Beschichtung. Aufgrund außergewöhnlicher Wetterbedingungen, gekennzeichnet durch größere Zeiträume mit wenig Wind und daraus resultierender großer Streuung der Messdaten, lässt sich die Verbesserung jedoch nicht mit Sicherheit quantifizieren. Die Abnutzung der Strukturen war im betrachteten Zeitraum vernachlässigbar.

Industrielle Reife im Blick

Das Projekt „Riblet4Wind“ hat den Nachweis erbracht, dass eine Riblet-strukturierte Beschichtung automatisiert auf Windenergie-Rotorblätter aufgebracht werden kann und zu einer Verbesserung der Leistungscharakteristik führt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass diese Technologie in den nächsten Jahren zur industriellen Reife gebracht wird und eine flächendeckende Anwendung findet. Ein sinnvoller nächster Schritt wäre die Demonstration auf einer dem heutigen Standard entsprechenden Anlage (> 2 MW Leistung mit verstellbaren Rotorblättern), um das wirtschaftliche Potenzial dieser Technologie weiter quantifizieren zu können.

Im Flugzeugbau ist der Riblet-Lack schon einen Schritt weiter. Hier ist er anwendungsreif und erste Hersteller überlegen, ihn in die Produktion zu integrieren. Als weitere Einsatzgebiete bieten sich Schiffe, Rennautos und Züge an.

Zum Netzwerken:
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen, Dr. Dorothea Stübing, Tel. +49 421 2246-442, dorothea.stuebing@ifam.fraunhofer.de, www.ifam.fraunhofer.de