Forschung

Abgeschlossene Forschungsprojekte 2013

Entwicklung eines innovativen Rotorblattes für Windkraftanlagen kleiner und mittlerer Leistung

Die Rotorblattentwicklung erfolgt in einem durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Projekt im Zeitraum Juli 2011 bis Oktober 2013 (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand, ZIM). Die  Projektziele konzentrierten sich auf gute aerodynamische Eigenschaften bei gleichzeitig minimalen Abmessungen, um die Materialkosten niedrig halten zu können. Da Kleinwindkraftanlagen meist höhere leistungsspezifische Installationskosten mit sich bringen als Großanlagen und diese höheren Kosten bisher nicht wie im Falle der Photovoltaik durch eine entsprechende Einspeisevergütung aufgefangen werden, ist der Kostendruck während der Rotorblattentwicklung von großer Relevanz, insbesondere da die Fertigung des neuen Rotorblattes in Deutschland erfolgen wird.

Der Innovationsgehalt des Projektes ist vorrangig in der eingeplanten Herstellungstechnik, dem sogenannten Vakuum-Injektionsverfahren, zu finden. Dieses Verfahren ermöglicht einen höheren Fasergehalt im Faser-Kunststoff-Verbund als z.B. das Handlaminierverfahren und verkürzt die Fertigungszeiten, da der Anteil an Handarbeit reduziert wird. Zusätzlich wird das Rotorblatt mit einem integrierten Blitzschutz ausgestattet, welcher bei vielen Kleinwindkraftanlagen nicht vorhanden ist.

Die zentrale Aufgabe des in.RET bestand im aerodynamischen Entwurf des neuen Rotorblattes. Für die Bestimmung der strömungstechnischen Eigenschaften einzelner Rotorblattprofile und des gesamten Rotors wurde überwiegend die Methode der numerischen Strömungssimulation eingesetzt (Computational Fluid Dynamics, CFD). Die nebenstehende Abbildung zeigt beispielsweise die numerisch berechnete Geschwindigkeitsverteilung in der Strömung um den neu entwickelten Rotor.

Ausgangspunkt des Entwicklungsprozesses war ein bereits bestehendes Rotorblatt für eine vierblättrige Windkraftanlage im Nennleistungsbereich von 20 kW. Die neue Gesamtanlage wird mit drei Blättern ausgestattet, welche auf einer Flachnabe angeordnet sind und so einen Rotordurchmesser von 6,4 m ergeben. In dieser Konfiguration soll der neue Rotor auf einem bereits bestehenden Turm-Gondel-System mit geeignetem Generator im Feld getestet werden, um die Messwerte mit den numerischen Simulationsergebnissen vergleichen zu können. Nach Abschluss der Feldtests ist vorgesehen, ein weiteres Rotorblatt mit weitgehend identischen aerodynamischen Eigenschaften für einen Rotordurchmesser von 10 m zu konstruieren, welches schließlich in Serie gefertigt werden soll. Mit diesem Durchmesser liegt die Nennleistung der Kleinwindkraftanlage in der angestrebten 20kW-Leistungsklasse, für die laut Erfahrung der Projektpartner eine entsprechende Nachfrage besteht.

(Bearbeitung: Jutta Carow, Thomas Link, Holger Langlotz, Claudia Kellermann)
 

Untersuchung zur Stromversorgung der Industriegroßfläche Erfurter Kreuz aus 100 Prozent erneuerbarer Energien

Der Anteil erneuerbarer Energieerzeugungsanlagen nimmt in Deutschland stetig zu. Zahlreiche Untersuchungen zum sogenannten Eigenverbrauch im Bereich der privaten Haushalte sind dazu in der Vergangenheit durchgeführt worden. Die Integration der erneuerbaren Energieproduktion in die bestehenden Netz- und Verbrauchsstrukturen wird häufig anhand von Standardlastprofilen untersucht. Die Umsetzung einer bilanziellen Eigenversorgung im Bereich der privaten Haushalte ist unter Berücksichtigung von Energieeinsparpotentialen möglich. Auch eine zeitliche Korrelation von Erzeugung und Verbrauch ist beispielsweise bei der Energieerzeugung mittels Photovoltaik vorhanden. Für eine industrielle Verbraucherstruktur unterscheiden sich jedoch die Anforderungen deutlich vom Wohnbereich. Industrieprozesse erfordern oft eine kontinuierliche Energiebereitstellung. Die Deckung eines kontinuierlichen Energiebedarfs mit nur einem fluktuierenden erneuerbaren Energieträger ist nicht möglich. Es muss folglich ein ökologisch und ökonomisch sinnvoller Mix der verschiedenen Energieträger (Sonne, Wind, Wasser, Biomasse) gefunden werden, um den Anforderungen eines kontinuierlichen Energiebedarfs gerecht zu werden. Mit Blick auf die Versorgung von bestehenden und geplanten Industriegebieten ist diese Frage existenziell für die Umsetzung der Energiewende.

In der "Untersuchung zur Stromversorgung der Industriegroßfläche Erfurter Kreuz aus 100 Prozent erneuerbarer Energien" werden explizit die Anforderungen von industriellen Energieverbrauchern untersucht. Anhand des realen Lastgangs der Industriegroßfläche wurden verschiedene Zusammensetzungen eines Erzeugermixes mit und ohne Speicherkapazität untersucht. Die Energieversorgung der Industriegroßfläche Erfurter Kreuz kann unter bestimmten Rahmenbedingungen zu 100 Prozent mit erneuerbaren Energien sichergestellt werden. Der optimale Mix ist dabei stark von den ökonomischen Randbedingungen abhängig. Eine Vollversorgung mit den auf der Industriegroßfläche zur Verfügung stehenden Erzeugungspotentialen ist nicht möglich. Der Energieeinzugsbereich muss daher weiträumig ausgedehnt werden. Dabei ist es unumgänglich etwaige Nutzungskonflikte aufzudecken und bei der Versorgungsplanung zu berücksichtigen.

(Bearbeitung: Sebastian Voswinckel, Maria Nuschke, Viktor Wesselak)
 

Bewertung von solaren Trinkwassererwärmungsanlagen der WBG Südharz

Das Ziel der Studie war die wissenschaftliche Untersuchung des energetischen Ertrags sowie der Wirtschaftlichkeit der solarthermischen Anlagen der WBG Südharz. Es sollte zudem eine Abschätzung zu den Auswirkungen des Betriebs der solarthermischen Anlagen auf Umwelt und Klima sowie zur zukünftigen Rolle der Solarthermie in der Wärmeversorgung von Gebäuden gegeben werden.

Die vorgenommene Abschätzung zeigt, dass der Betrieb einer solarthermischen Anlage zur Trinkwassererwärmung nennenswerte Einsparungen an fossiler Primärenergie zur Folge hat und CO2-Emissionen vermeidet. Solarthermieanlagen sind hinsichtlich der Umwelt- und Klimabelastung als günstig zu bewerten. Dies gilt auch dann, wenn die konventionelle Energiebereitstellung wie im Falle der Fernwärmeversorgung bereits sehr energieeffizient ist.

Abschließend zeigt sich, dass die Solartermie über ein großes Zukunftspotenzial verfügt. Die genannten Untersuchungen belegen, dass solarthermische Anlagen in den kommenden Jahren noch massiv ausgebaut und an der zukünftigen Wärmebereitstellung einen nennenswerten Anteil haben werden. Dazu wird in Thüringen maßgeblich das in Vorbereitung befindliche Thüringer Erneuerbare-Energie-Wärme-Gesetz (ThEEWärmeG) beitragen können.

(Bearbeitung: Pascal Leibbrandt, Thomas Schabbach)