Da Länder wie die Vereinigten Staaten Richtlinien und Ziele ankündigen, die sich auf die Steigerung der Kapazität für erneuerbare Energien konzentrieren, ergeben sich Chancen für neue und verbesserte Technologien für erneuerbare Energien. Xenecore, ein in New York City ansässiges Unternehmen, das effizientere Rotorblätter für Windkraftanlagen mit höherer Energiegewinnungsfähigkeit entwickelt, nutzt sein Fachwissen im Bereich Verbundteile, um widerstandsbasierte, fächerförmige Windblätter zu entwerfen und zu entwickeln.
Xenecore wurde 2010 von Jerry Choe, CEO und Gründer des Unternehmens, durch den Einsatz von Materialtechnologie in Sportartikelanwendungen zur Entwicklung von Tennisschlägern aus Kohlefaserverbundwerkstoff gegründet und erwarb eine Reihe von Patenten. Um einen Carbonfaser-Tennisschläger mit hoher Leistung und Kraft beim Schlagen des Balls zu erhalten und die Auswirkungen des Schlägers auf den Arm zu minimieren, entwickelten er und sein Team nach einer 18-monatigen Entwicklungszeit ein Material und Prozesslösung, die jetzt unter dem Handelsnamen Xenecore vermarktet wird, einem thermoplastischen Mikrokugelprodukt, das als Strukturkern für Verbundteile verwendet werden kann.
Nach diesen ersten Erfolgen investierte das Unternehmen stark in die weitere Optimierung der thermoplastischen Mikrosphärentechnologie und erhielt weltweit mehr als 250 Patente. Das Unternehmen stellte fest, dass sich der Einsatz von Xenecore-Produkten über Tennisschläger hinaus auf neue Möglichkeiten für andere Anwendungen erstrecken könnte, beispielsweise auf Rotorblätter für Drohnen und neuerdings auch auf widerstandsbasierte Rotorblätter für Windkraftanlagen.
Vor etwa zwei Jahren begannen Choe und das Xenecore-Team mit der Untersuchung, wie die Prozesstechnologie und Produkte des Unternehmens für die Entwicklung von Rotorblättern für Windkraftanlagen genutzt werden könnten. Heutzutage verfügen die meisten Windkraftanlagen über schlanke, flugzeugförmige Rotorblätter, die Strom hauptsächlich aus dem Auftrieb erzeugen. Wenn der Wind durch die Rotorblätter strömt, zieht der auf einer Seite der Rotorblätter entstehende geringere Druck an den Rotorblättern senkrecht zur Windrichtung, wodurch diese die Rotoren drehen und so Energie an die Turbine übertragen, um Strom zu erzeugen.
Diese Blätter bestehen normalerweise aus Glasfaserhaut und werden bei längeren Blättern von einer SPAR-Flügelkappe aus Kohlefaserverbundwerkstoff getragen. Windblätter werden normalerweise in eine offene Form gelegt, vakuumgespritzt und dann mithilfe eines Schergewebes, eines Schaumkerns und eines Klebstoffs zusammengebaut.
Die frühesten Windmühlen sahen jedoch ganz anders aus: Sie verfügten über breite, flache, fächerförmige Holzflügel, die durch Widerstand Strom erzeugten, wobei der Wind die Flügel direkt in die Windrichtung drückte. Als Windkraftanlagen zum ersten Mal erfunden wurden, nutzten alle den Widerstand, weil er mehr Wind einfing. Diese ersten Rotorblätter stellten jedoch aufgrund der verwendeten Materialien ein Problem dar, da die ersten Windmühlen aus weichen, weniger haltbaren Materialien wie Stoff gebaut wurden.
Im Jahr 1919 veröffentlichte der deutsche Physiker Albert Bates sein mittlerweile berühmtes Bates-Gesetz über Windeinfang und Rotorblattdesign. Nach diesem Gesetz kann das Rotorblatt maximal 59 Prozent der Windenergie durch Auftrieb einfangen. Diese Theorie beeinflusste die Form von Flugzeugflügeln und Windturbinenblättern, um den Auftrieb zu maximieren und den Luftwiderstand zu minimieren, wobei dünne, gebogene Designs verwendet wurden, die auch heute noch beliebt sind.
Laut Choe ist die Energiegewinnungsrate von 59 Prozent ein theoretisches Maximum, da tatsächliche Windkraftanlagen die Energie viel weniger effizient nutzen, aber für heutige Materialien ist dies nicht das Maximum. Da die heute verwendeten Glasfaser- und Kohlefaserverbundwerkstoffe stärker und leichter sind, sind sie wesentlich leistungsfähiger als die Metallmaterialien, die zu Bates‘ Zeiten für die Herstellung von Rotorblättern und Flügeln verwendet wurden. Angesichts der Optimierung bestehender Materialeigenschaften kann es daher sein, dass das beste Design nun ineffizient ist und die Anforderungen nicht mehr erfüllt.
Es ist erwähnenswert, dass es eine Reihe widerstandsbasierter Rotorblattkonstruktionen gibt, die seit langem im Einsatz sind, wie beispielsweise die vertikale Windturbine vom Typ Savonius, die über zwei becherförmige Rotorblätter verfügt, die sich um eine zentrale Turbine drehen. Diese Turbinen sind im Allgemeinen viel weniger effizient als Auftriebsturbinen, da die beiden Rotorblätter in einer vertikalen Anordnung tatsächlich einen Teil des Windes blockieren, den die andere Hälfte des Rotorblatts auffangen kann. Aufgrund ihres einfachen Designs und ihrer Fähigkeit, Energie in windschwachen Gebieten zu gewinnen, sind sie jedoch beliebt für Turbinen in privaten oder gewerblichen Umgebungen.
Choe und sein Team machten sich daran, eine neuere horizontale Windturbine zu entwickeln, die den Luftwiderstand maximiert und vor allem fortschrittliche Verbundwerkstoffe verwendet.
Eine der ersten Herausforderungen, mit denen das Xenecore-Team konfrontiert war, bestand darin, dass die heutige Simulationssoftware nur noch zur Analyse der Leistung von auftriebsbasierten Turbinen verwendet wird, da auftriebsbasierte Turbinen zum Standard geworden sind. Choe und sein Team probierten eine Reihe von Analysetools aus und verwendeten schließlich die rechnergestützte Fluiddynamiksoftware Ansys Fluent, um das Verhalten des Windes auf dem Rotorblatt zu modellieren.
Ziel ist es, anhand dieser Modelle ein Rotorblatt zu entwickeln, das den maximalen Widerstand aufnimmt, innerhalb der Turbine Strom erzeugt und gleichzeitig hohen Windlasten bei möglichst geringem Gewicht standhält. Das Xenecore-Team versuchte zunächst, ein solides Carbonfaser-Verbundblatt herzustellen, aber die Festigkeit war nicht gut, selbst massive Carbonfaserplatten können bei starkem Wind brechen.
Schließlich entwarf Xenecore ein einzelnes fächerförmiges Rotorblatt, eine sogenannte Fanturbine, die aus einer Ober- und einer Unterhaut besteht, die mit thermoplastischen Xenecore-Mikrokügelchen bedeckt sind. Diese Häute sind mit Rippen, sogenannten I-Trägern, verstärkt. Das Design ist bionisch, da sich die Rippen von einem zentralen Punkt aus auffächern, ähnlich wie die Blätter eines Palmblatts.
Die Rotorblätter werden in einem einstufigen Formpressverfahren unter Verwendung von hochmoduligen Kohlefasern und Epoxidharzen hergestellt, um Festigkeit und Stabilität zu maximieren und hohen Windlasten bei geringstmöglichem Gewicht standzuhalten. Das einteilige Monomer-Design ist außerdem darauf ausgelegt, die Stabilität zu maximieren und theoretisch die Lebensdauer der Klinge zu verlängern, da es keine Verbindungen oder Klebstoffe gibt, die mit der Zeit beschädigen oder ermüden können. Derzeit ist die erste Version dieser Rotorblätter mit einer Größe von 3 x 3 Fuß relativ klein, mit dem Ziel, sie auf eine größere Größe zu erweitern, um mit herkömmlichen Windblättern zu konkurrieren.
Um jede Klinge herzustellen, wird das geschnittene Kohlefasergewebe in eine obere und untere Aluminiumform gelegt, und auf jede Haut werden mehrere Schichten Xenecore-Filmpapier gelegt. Die Form schließt sich und unter hoher Temperatur und hohem Druck dehnen sich die Mikrokügelchen zu einem leichten Strukturschaum aus, der sich an die Kortikalis bindet. Durch den Prozess entsteht ein einziger, nahtloser, binderfreier und frei beweglicher Einzelteil des I-Trägers.
Das Turbinendesign von Xenecore besteht aus vier Lüfterblättern an jeder Turbine, die etwa 80 Prozent der verfügbaren Oberfläche abdecken. Der Wind treibt die Rotorblätter an und dreht die Rotoren, wodurch Energie in der Turbine erzeugt wird. Laut einem Weißbuch des verstorbenen Dr. Paulo Abdala, Professor für Luftfahrt an der Universität von Brasilia, aus dem Jahr 2021 hängt die erzeugte Strommenge weitgehend von der Windgeschwindigkeit ab. Die Robustheit der flachen, fächerförmigen Rotorblätter trägt dazu bei, an den Seiten der Rotorblätter starke Druckunterschiede zu erzeugen, was die Windgeschwindigkeit und die Stromerzeugung erhöht.
Den Simulationen von Xenecore zufolge könnte der Ventilator unter idealen Bedingungen theoretisch eine maximale Windenergiegewinnung von 98 Prozent erreichen. Darüber hinaus ist das Rotorblatt so konzipiert, dass es Winden mit Hurrikanstärke standhält, und in Simulationen hat sich gezeigt, dass es Windgeschwindigkeiten von bis zu 600 km/h standhält, was deutlich über der Höchstgeschwindigkeit eines Hurrikans liegt. Laut Choe können diese Rotorblätter an bestehenden Turbinen betrieben werden, ohne die bestehende Infrastruktur zu verändern.
Im Jahr 2022 begann Xenecore mit der Produktion kleiner 5-kW-Turbinen mit 3 x 3 Fuß großen Rotorblättern und verkaufte diese an Händler in Südamerika und online weltweit. Diese kleinen Systeme sollen ähnliche Solarmodule ersetzen, die in Privathaushalten und Unternehmen verwendet werden, und die gleiche Strommenge liefern, aber eine viel bessere Leistung erbringen und dreimal weniger Betriebskosten verursachen, erklärte Choe.
Es wurde getestet, dass die Rotorblätter siebenmal mehr Leistung produzieren als herkömmliche Windkraftanlagen ähnlicher Größe. Das größte System, das Xenecore getestet hat, ist eine 100-Kilowatt-Turbine mit 11 Fuß breiten Rotorblättern. Eine Version im Megawatt-Bereich ist in Arbeit.
Choe sagte, es bestehe in naher Zukunft großes Interesse an größeren Fanturbinenblättern und wies darauf hin, dass die Technologie das Potenzial habe, die Haliade Megawatt auf 1,4 Gigawatt.
Derzeit ist das Unternehmen auf der Suche nach Investoren und Partnern, die dabei helfen, die Technologie auf die nächste Stufe zu bringen. Um die Technologie zu beweisen, besteht der nächste Schritt von Xenecore darin, eine 1-MW-Turbine auf einem nachgerüsteten stillgelegten Windturbinenturm zu bauen und zu installieren.
