Windkraft hat ein Umweltproblem: Rotorblätter-Recycling soll helfen

Rotorblätter sind ein Umweltproblem – Forscher tüfteln an einer Recycling-Lösung für Windräder

Alte Rotorblätter werden zum Recyclingproblem der Windkraft. Ein neues Reparaturkonzept soll Material sparen und Anlagen länger nutzbar machen.

Windräder gelten als Symbol der Energiewende. Sie liefern Strom ohne Kohle, Gas oder Öl und stehen für klimafreundliche Energie. Doch auch die saubere Windkraft hat ein Umweltproblem: Rotorblätter sind schwer zu recyceln, weil sie aus fest verklebten Verbundmaterialien bestehen. Viele Anlagen hinterlassen deshalb tonnenweise Bauteile, die sich nur schwer wiederverwenden lassen.

Experten des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (Fraunhofer IWU) arbeiten deshalb an einer Lösung. Windturbinen und ihre Rotorblätter sind auf etwa 20 Jahre ausgelegt, spätestens nach 30 Jahren steht meist ein Austausch an. Weil der Ausbau der Windkraft schon kurz nach der Jahrtausendwende stark zunahm, erreichen in Europa bald jedes Jahr mehrere zehntausend Tonnen Verbundmaterialien ihr Lebensende. Ein neues Konzept soll helfen: reparierbare Rotorblätter, bei denen nicht mehr das gesamte Bauteil ersetzt werden muss.

Warum Windkraft-Rotorblätter so schwer recycelbar sind

Moderne Rotorblätter sind oft mehr als 80 Meter lang. Sie bestehen meist aus glasfaserverstärktem Kunststoff und werden in einer aufwendigen zweischaligen Bauweise gefertigt. Vereinfacht gesagt entstehen zuerst zwei große Halbschalen, die später miteinander verklebt werden.

Das Problem steckt in dieser Konstruktion. Viele Schichten aus Glasfaser, Harz und Kernmaterial sind dauerhaft miteinander verbunden. Eine saubere Trennung ist kaum möglich. Deshalb bleiben oft nur wenig nachhaltige Wege:

thermische Verwertung durch Verbrennung
Schreddern für die Beimischung in Zement
aufwendige Sonderlösungen für Teilrecycling

Eine Deponierung ist in der Europäischen Union verboten. Trotzdem bleibt die Entsorgung schwierig und teuer.

Hinzu kommt die Herstellung. Viele Arbeitsschritte erfolgen noch von Hand. Das betrifft das Einlegen der Faserlagen, die Platzierung des Kernmaterials und die Nachbearbeitung. Vollständige Automatisierung ist wegen der Größe und Form der Bauteile bisher kaum möglich. Deshalb findet die Produktion oft in Ländern mit niedrigeren Lohnkosten statt.

Ein kleines Bauteil entscheidet über das ganze Rotorblatt

Besonders anfällig ist die Vorderkante des Rotorblatts. Sie ist ständig Wind, Staub und Regen ausgesetzt. Dort entsteht meist der erste starke Verschleiß. Häufig ist nicht das gesamte Rotorblatt beschädigt, sondern nur dieser stark belastete Bereich.

Justus von Freeden vom Fraunhofer IWU beschreibt das Problem sehr klar: „Kann die Vorderkante nicht als Modul getauscht werden, ist das gesamte Rotorblatt nicht mehr verwendbar.“ Ein vergleichsweise kleiner Schaden kann dazu führen, dass ein riesiges Bauteil ausgetauscht werden muss. Das kostet Material, Geld und Energie.

Austauschbare Module verlängern die Lebensdauer deutlich

Im EU-Projekt RECREATE entwickelten Forschende deshalb ein anderes Konzept. Das Forschungsrotorblatt ist modular aufgebaut. Um einen durchgehenden tragenden Holm sind weitere Bauteile befestigt. Die Vorderkante besteht aus Thermoplast und Naturfasern. Sie ist über eine lösbare Klebeverbindung angebracht und lässt sich austauschen, ohne das gesamte Rotorblatt zu ersetzen.

Das bringt mehrere Vorteile:

längere Nutzungsdauer der Anlage
weniger Materialverbrauch
geringere Entsorgungskosten
besserer Wirkungsgrad über viele Jahre

Ein Rotorblatt-Segment zeigt, wie austauschbare Vorderkanten Windkraft langlebiger machen und den Wirkungsgrad erhalten können. — RES-T Ein Rotorblatt aus dem Projekt RECREATE zeigt, wie Windkraft nachhaltiger werden kann: Eine austauschbare Vorderkante verlängert die Nutzungsdauer und hilft, den Wirkungsgrad von Windrädern dauerhaft hoch zu halten. © RES-T

Mit zunehmendem Verschleiß verändert sich auch die Aerodynamik. Das Windrad arbeitet schlechter. Laut Fraunhofer IWU gilt deshalb: „Mit dem Austausch der Vorderkante ist ein Wirkungsgrad wie beim neuen Rotorblatt erreichbar.“ Für Betreiber ist das wirtschaftlich wichtig. Für die Umwelt ebenfalls.

Naturfasern machen Rotorblätter besser recycelbar

Neben der Reparatur spielt auch das Material selbst eine große Rolle. Statt klassischer glasfaserverstärkter Kunststoffe setzen die Forschenden auf naturfaserverstärkte Thermoplaste. Diese Werkstoffe eignen sich besser für Kreislaufwirtschaft. Sie lassen sich leichter wiederverwenden, reparieren und recyceln. Beim sogenannten mechanischen Recycling werden alte Bauteile zerkleinert, aufgeschmolzen und erneut zu neuen Materialien verarbeitet.

Naturfasern verhalten sich dabei robuster. Sie verlieren ihre Verstärkungswirkung schrittweise. Glasfasern werden deutlich schneller zu problematischen Reststoffen. Dadurch eignen sich Naturfaser-Thermoplaste besser für langfristige Nutzung und mehrere Recyclingstufen.

Rotorblätter sollen Europas Windkraft stärken

Ein weiterer Punkt betrifft die Herstellung. Das neue Design soll nicht nur nachhaltiger sein, sondern auch wirtschaftlicher werden. Dafür nutzen die Forschenden ein Verfahren namens Pultrusion.

Dabei werden Endlosfasern durch ein Harzbad gezogen, in einer beheizten Düse gehärtet und zu stabilen Profilen geformt. Ein tragender Holm des Rotorblatts könnte so als Endlosprofil gefertigt und anschließend auf die passende Länge geschnitten werden. Auch die Vorderkante ließe sich stärker automatisiert herstellen.

Das Ziel ist klar: Rotorblätter sollen wieder stärker in Europa produziert werden können, ohne dass die Kosten stark steigen. Im Projekt RECREATE arbeiteten rund 20 Partner aus Forschung und Industrie zusammen, koordiniert vom Politecnico di Milano. Beteiligt sind unter anderem das Fraunhofer IWU, das Fraunhofer WKI, die INVENT GmbH, RES-T und RESCOLL Applus.

Kurz zusammengefasst:

Rotorblätter sind eines der größten Recyclingprobleme der Windkraft, weil sie aus fest verklebten Verbundmaterialien bestehen und nach etwa 20 bis 30 Jahren ersetzt werden müssen.
Besonders die Vorderkante verschleißt zuerst – kann sie nicht einzeln ausgetauscht werden, wird oft das gesamte Rotorblatt unbrauchbar, obwohl nur ein kleiner Bereich beschädigt ist.
Reparierbare Module aus Naturfasern und Thermoplasten können die Lebensdauer verlängern, den Wirkungsgrad erhalten und Windkraft deutlich nachhaltiger sowie wirtschaftlicher machen.

Übrigens: Nicht nur alte Rotorblätter werden zum Problem – auch kurze, unscheinbare Böen können Windräder über Jahre stark beschädigen. Neue Berechnungen zeigen, warum gerade lokale Turbulenzen die Lebensdauer verkürzen und Wartungskosten steigen lassen – mehr dazu in unserem Artikel.