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Gummiflügel können Gezeitenturbinen langlebiger machen
Starke Meeresströmungen setzen Rotorblätter von Gezeitenturbinen ständig wechselnden Kräften aus. Ein neues Rotorblatt aus elastischem Gummi mit einem stabilen Stahlkern konnte solche Lastschwankungen im Modellversuch um bis zu 29 Prozent verringern. Für einen simulierten Gezeitenzyklus ergab sich dabei nahezu derselbe Energieertrag wie mit einer aufwendig geregelten Turbine.
Edinburgh (Schottland). Wer Strom aus den Gezeiten gewinnen will, muss Turbinen in kräftigen Meeresströmungen betreiben. Weil die Strömung durch Wellen und Wirbel ständig schwankt, werden Rotorblätter immer wieder unterschiedlich stark belastet. Auf Dauer kann diese Wechselbeanspruchung zu Materialermüdung und Ausfällen führen.
Große Anlagen nutzen deshalb häufig eine aktive Blattwinkelregelung, die die Stellung der Rotorblätter mithilfe von Sensoren, Motoren und Lagern verändert. Bei starken Strömungen lässt sich so der Schub begrenzen, doch die zusätzliche Mechanik ist unter Wasser wartungsintensiv. Sehr schnelle Belastungsschwankungen kann diese Regelung zudem nur begrenzt ausgleichen.
Ein Team um Bertrand Daval vom Reifenhersteller Michelin hat gemeinsam mit Ingenieuren der University of Edinburgh eine andere Lösung untersucht. Im Mittelpunkt stehen Rotorblätter, deren Vorderteil durch einen Stahlträger stabil bleibt, während die Hinterkante aus elastischem Gummi besteht.
Nimmt die Strömung zu, verbiegt sich die Hinterkante, sodass das ursprünglich stärker gewölbte Flügelprofil flacher wird und sich die angreifenden Kräfte verändern. Die Anpassung entsteht allein durch die Verformung des Materials. Zusätzliche Gelenke oder Stellmotoren an den einzelnen Rotorblättern sind dafür nicht nötig.
Für die Experimente montierte das Team drei solcher Rotorblätter an eine Turbine mit 1,26 Metern Rotordurchmesser. Im 25 Meter breiten Strömungsbecken FloWave testeten die Forscher unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und verglichen die Ergebnisse mit starren Rotorblättern. Die getesteten Gummiversionen unterschieden sich außerdem in ihrer Steifigkeit.
Die Messungen zeigen, dass elastische Rotorblätter bei geeigneter Auslegung ähnlich viel Leistung aufnehmen können wie starre Vergleichsblätter. Aus den experimentellen Daten berechnete das Team anschließend den Betrieb über einen typischen Gezeitenzyklus und stellte ihn einer Turbine mit aktiver Blattwinkelregelung gegenüber. In dieser Modellrechnung blieb der gesamte Energieertrag nahezu gleich.
Deutlich war dagegen die Entlastung bei schnellen Schwankungen. Unter bestimmten Betriebsbedingungen fielen die für Materialermüdung relevanten Lastschwankungen bei den flexiblen Rotorblättern um bis zu 29 Prozent geringer aus als bei starren Vergleichsblättern. Davon betroffen waren unter anderem wechselnde Schubkräfte und das Biegemoment an der Blattwurzel.
Die elastische Hinterkante flacht bei stärkerer Anströmung das Flügelprofil ab und verringert so die übertragenen Kräfte. Wie ausgeprägt dieser Effekt ist, hängt vom Verhältnis zwischen Gummisteifigkeit und Strömungsdruck ab. Zu steife Flügel geben kaum nach, während zu weiche Varianten weniger Energie aufnehmen können.
In einer weiteren Modellrechnung übertrug das Team das Prinzip auf eine Turbine mit 20 Metern Rotordurchmesser. Die simulierten Leistungs- und Lastkennwerte ähnelten denen des kleinen Versuchsaufbaus, was für eine mögliche Übertragbarkeit spricht. Eine große Turbine wurde im Rahmen dieser Untersuchung allerdings nicht im Meer getestet.