Efterfrågan på vindkraft fortsätter att öka. Denna ökande efterfrågan öppnar även upp marknaden för nya materiallösningar, som kan hjälpa till med olösta problem inom vindkraften.
När ett vindkraftverk omvandlar luftflöden till energi utsätts framförallt rotorbladen för stora påfrestningar. Dessutom utsätts både rotorbladen och resten av vindkraftverket för tuffa väderförhållanden, som till exempel stark sol i Nordafrika och påfrestande havsklimat i Nordsjön.
I takt med att marknaden för vindkraft växer, bland annat till följd av europeiska satsningar för att byta ut fossila bränslen mot förnyelsebara energikällor, ökar också vindkraftsindustrins behov av nya polymermaterial, ytbeläggningar och bindemedel. Detta skapar lönsamma affärsmöjligheter för den kemiska industrin.
Hög belastningJu större diameter ett vindkraftverk har, desto större är den yta som kan fånga upp vinden. För att ett vindkraftverk ska kunna utvinna största möjliga mängd energi ur vinden är det därför viktigt att rotorbladen är så långa som möjligt. Längre rotorblad är emellertid också tyngre och utsätts för större mekaniska påfrestningar.
Längre rotorblad gör det dessutom nödvändigt att göra vindkraftverkens torn högre. Höga torn är också av stor betydelse eftersom vindhastigheten ökar med höjden. För att kunna utnyttja kapaciteten hos kustnära vindkraftverk fullt ut måste de till exempel ha en total höjd på så mycket som 200 meter. Rotorbladen kan då vara upp till 75 meter långa, även om effekter på flera megawatt kan uppnås redan med en bladlängd på 50 meter.
Under dessa omständigheter utsätts rotorbladen för höga g-krafter och belastningen på rotorbladen kan bli hela 18 gånger så stor som den normala belastningen till följd av gravitationen. Dessutom måste de utstå belastningen under varierande klimatförhållanden i upp till 25 år.
Moderna materialRotorbladen på större vindkraftverk är oftast tillverkade av fiberglas, men i vissa fall då bladen är långa och belastningen hög används istället kolfibermaterial. Rotorbladen består då av en sandwichkonstruktion, där två kolfiberförstärkta lager omger en stabil och lätt kärna av balsaträ, PVC-plast eller i allt större utsträckning PET-plast. Resultatet blir en hög böjstyvhet och ett bra motstånd mot bucklor, samtidigt som den totala vikten hålls nere.
För att foga samman de individuella fiberlagren i bladen används så kallade matrismaterial, som framförallt utgörs av epoxibaserade bindemedel som tillverkas av företag som Momentive, Dow Chemicals och BASF. Företaget Bayer MaterialScience har emellertid tagit fram materiallösningar baserade på polyuretan.
- Polyuretaner är ett alternativ till de matrismaterial som använts hittills, förklarar Marc Schütze, som är chef för den avdelning vid Bayer MaterialScience som står för produktionen av rotorblad med polyuretan.
Bayer MaterialSciences polyuretanrotorblad till vindkraftverk, som introducerades under plastmässan K 2013, går enligt företaget snabbare att tillverka, samtidigt som de både är starkare och har lägre vikt.
Enligt Schütze är kemiföretag väsentliga för vindkraftsindustrin och dess fortsatta utveckling, eftersom konstruktionen av vindkraftverk är beroende av moderna plaster och kompositmaterial.
Även kemiföretaget BASF tror att material till vindkraftverk är en marknad som kommer att fortsätta att växa i framtiden och de planerar att ta fram allt starkare vindkraftverksmaterial.
ErosionsproblemEn studie utförd av företaget 3M i samarbete med University of Illinois i USA visar att erosion av rotorbladen kan leda till att energiproduktionen hos ett vindkraftverk minskar med upp till 20 procent om året och att rotorblad med erosionsskador kan gå sönder i förtid.
3M har sedan många år tillbaka tillverkat en skyddstejp för att skydda rotorbladens framkant mot erosion, men de bestämde sig efter önskemål från kunder att även utveckla en ytbeläggning som ger lika bra eller bättre skydd än företagets skyddstejp.
För att testa hur den nya ytbeläggningen skulle klara av verkliga förhållanden vände sig 3M bland annat till Rain Erosion Test Facility vid University of Dayton Research Institute i USA, där rotorbladens motståndskraft mot regnerosion sattes på prov. Även sanderosionstester genomfördes. För att få fram en exakt siffra på mängden erosion som skedde under testerna vägdes rotorbladen både före och efter varje test.
3M:s Corporate Weathering Resource Center spelade också en viktig roll i utvärderingen av den nya ytbehandlingen genom att studera hur den påverkas av väderfaktorer som solljus, värme och luftfuktighet.
Den resulterande produkten, som går under namnet 3M Wind Blade Protection Coating W4600, är en tvåkomponentspolyuretan, som ger ett komplett erosionsskydd i ett enda lager.
Nästa generationNya materiallösningar banar också väg för nästa generations rotorblad till vindkraftverk. Till exempel har det tyska forskningsprojektet BladeMaker som målsättning att sänka rotorbladens kostnad och förbättra deras kvalitet genom att utnyttja nya material, nya processer och industrialisering.
När det gäller utvecklingen av nya material fokuserar BladeMaker på tre material: innovativa epoxihartser, kärnmaterial av polyuretan och polyuretanbindemedel, som tillsammans ska hjälpa till att skära ner på materialkostnaderna, göra tillverkningsprocessen betydligt kortare och förbättra rotorbladens kvalitet.
Epoxibaserade matrismaterial med förbättrade egenskaper skulle enligt BladeMaker till exempel kunna bidra till att industrialisera och optimera tillverkningen av rotorblad och göra den snabbare.
Under tillverkningsprocessen måste kärnmaterialet bland annat utstå höga temperaturer, vilket kräver en hög mjukningspunkt. Polyuretanplaster har en högre mjukningspunkt än andra alternativ och de gör det också möjligt att tillverka stora och geometriskt utmanande delar i ett enda steg.
Den kemiska industrin arbetar dessutom aktivt på flera andra innovationer som kan få stor betydelse för tillverkningen av rotorblad till vindkraftverk.
