NREL innoveert met duurzame windturbinebladen via additieve productie

Een team van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Golden, Colorado, onder leiding van senior windtechnologie-ingenieur Derek Berry, maakt voortgang in de productie van geavanceerde windturbinebladen. Hun aanpak combineert herbruikbare thermoplasten met additieve productie (3D-printen). Het project wordt gefinancierd door het Advanced Manufacturing Office van het Amerikaanse Department of Energy, gericht op technologische innovatie, verbeterde energieproductiviteit en de productie van high-tech producten.

Van traditionele 'klapdop' naar herontworpen bladen

Tegenwoordig gebruiken bijna alle grootschalige windturbinebladen het klapdop-ontwerp: twee fiberglasvels worden met lijm aan elkaar gehecht, versterkt met composite scheefwanden (shear webs). Dit proces is 25 jaar geoptimaliseerd voor efficiëntie. Maar om bladen lichter, langer, goedkoper en efficiënter te maken – cruciaal voor het vergroten van windenergie en het verminderen van broeikasgassen – moet het conventionele ontwerp fundamelijk worden herzien. Dat is de kernmissie van het NREL-team.

Thermoplasten in plaats van thermoharders

Huidige bladen zijn gebaseerd op thermohardende harsystemen (epoxy, polyester, vinylester). Eenmaal uitgehard, vormen ze onomkeerbare kruisverbindingen. Zodra een blad met een thermohardend systeem is geproduceerd, kan het proces niet omgekeerd worden, legt Berry uit. Daardoor is het blad moeilijk te recyclen.

In samenwerking met het Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI) in NREL's Composites Manufacturing Education and Technology (CoMET) Facility ontwikkelde het multi-institutionele team systemen met thermoplasten. In tegenstelling tot thermoharders kunnen thermoplasten worden opgewarmd om de oorspronkelijke polymeren te scheiden, wat eind-van-leven-recycling mogelijk maakt.

Bovendien kunnen thermoplastic bladonderdelen met een thermisch letselproces worden verbonden, waardoor de noodzaak voor zware, dure lijmen vervalt – een extra winst voor recycleerbaarheid. Met twee thermoplastische componenten kun je ze onder hitte en druk aan elkaar lassen, aldus Berry. Dat kan niet met thermohardende materialen.

Toekomst: 3D-geprinte kernstructuren voor bladen >100 meter

NREL werkt samen met TPI Composites, Additive Engineering Solutions, Ingersoll Machine Tools, Vanderbilt University en IACMI aan innovatieve kernstructuren voor kostenefficiënte productie van hoogpresterende, zeer lange bladen (wel meer dan 100 meter) met relatief laag gewicht.

Door 3D-printen kan het team de typen ontwerpen produceren die nodig zijn om turbinebladen te moderniseren: zeer geëngineerde, net-vormige structurele kernen met variërende dichtheden en geometrieën tussen de structurele vellen van het blad. De bladvellen worden geïmpregneerd met een thermoplastisch harsysteem.

Doelstellingen:

• 10% (of meer) reductie in bladgewicht en -kosten
• Minimaal 15% kortere productiecyclus

Twee aanvullende subprojecten

Naast de hoofdaanvrage voor AM thermoplastische windturbinebladstructuren, verkennen twee subprojecten geavanceerde productietechnieken:

1. Colorado State University leidt een project dat 3D-printen gebruikt voor vezelversterkte composites voor nieuwe interne bladstructuren, met partners Owens Corning, NREL, Arkema Inc. en Vestas Blades America.
2. GE Research leidt het AMERICA project: Additive and Modular-Enabled Rotor Blades and Integrated Composites Assembly. Partners: Oak Ridge National Laboratory, NREL, LM Wind Power (Denemarken) en GE Renewable Energy (Frankrijk).

Deze gecombineerde inspanningen duwen de grenzen van windturbinebladproductie naar een duurzamere, efficiëntere en schaalbare toekomst.