Micro-aanpassingen leiden tot grote verbeteringen in duurzaamheid windturbines

Volgens onderzoekers van de TU Delft kunnen aanpassingen aan de structuur van windturbinematerialen op microscopisch niveau de levensduur van windturbinebladen verlengen en de duurzaamheid ervan verbeteren.

In twee recente onderzoeksartikelen in Advanced Science en Advanced Materials beschrijven de onderzoekers hoe regen-erosie aan de uiteinden van de bladen kan worden verminderd en hoe het toevoegen van mineralen vlasvezels kan versterken.

De uiteinden van windturbinebladen hebben te lijden onder erosie door regen. Dit vermindert de aerodynamische prestaties en de levensduur en verhoogt de onderhoudskosten. Promovenda Natalia Guevara Sotelo voegt microscopisch dunne laagjes keramisch poeder, zogenaamde platelets, toe aan de polyurethaancoating van het turbinepunt. Wat zij ontdekte, is dat bij het tegengaan van erosie het verloop van de platelets het verschil maakt.

Guevara Sotelo: “We ontdekten dat het toevoegen van platelets met allemaal dezelfde dikte aan de coating van de turbinepunt de weerstand tegen erosie door regen juist verslechterde. Een dikkere laag vergroot de stijfheid, maar veroorzaakt ook spanning op bepaalde locaties en interne golfreflecties die de schade versnellen.”

De oplossing was om de platelets in een gradiënt aan te brengen. Guevara Sotelo: “We lieten ons inspireren door natuurlijke organismen, zoals insecten, die een combinatie van zachtere en hardere lagen hebben om zich tegen hun leefomgeving te beschermen. In plaats van een uniforme versterkte coating te gebruiken, creëerden we een platelet-gradiënt over de gehele dikte: het materiaal is zacht aan het oppervlak dat aan de regen is blootgesteld en sterker versterkt nabij het glasvezelsubstraat van het turbineblad. Deze opbouw blijkt zeer goed te werken. Het heeft de tijd die nodig is voordat erosie zichtbaar wordt zelfs verdubbeld.”

Vlas versterken als duurzaam materiaal voor windturbinebladen

Duurzame versterkingsmaterialen zoals vlasvezels kunnen de CO₂-uitstoot verminderen en ervoor zorgen dat windturbinebladen aan het einde van hun levensduur gemakkelijker te recyclen zijn. Helaas blijven ze op sommige cruciale mechanische eigenschappen, zoals druksterkte, achter bij conventionele glasvezels. Promovendus Deniz Sayinbas bestudeert het proces van bacteriële biomineralisatie om vlas te versterken. Hij behandelt de vlasvezels in een oplossing die bacteriën bevat die mineraaldeeltjes direct op het oppervlak van het vlas laten groeien.

Sayinbas: “Je zou kunnen zeggen dat biomineralisatie de deeltjes in feite aan elkaar cementeert. De minerale deeltjes, dolomieten genaamd, maken het oppervlak van de vezels ruw en vormen bruggen tussen aangrenzende vezels en garens. Ditzelfde soort verbindingen is te zien in zeeschelpen, die ook sterk en goed bestand zijn tegen invloeden van buitenaf. Door deze sterke verbinding, samen met het vlas, worden krachten beter verdeeld in het materiaal. Hierdoor wordt het materiaal taaier, beter bestand tegen kleine vervormingen en sterker wanneer het wordt samengedrukt.

De onderzoeksprojecten richten zich op verschillende onderdelen van het windturbineblad, maar tonen beide aan dat structureel ontwerp op kleine schaal kan leiden tot grootschalige verbeteringen in de prestaties en levensduur van de windturbine.

Beide onderzoeksprojecten maken deel uit van het Lichen Blades-project, dat door NWO wordt gefinancierd in het kader van het programma ‘Innovations for Wind and Solar Energy’ (KIC). Het consortium van universiteiten, kennisinstellingen en bedrijven werkt aan circulaire ontwerpen voor windturbinebladen die gedurende meerdere gebruikscycli volledig functioneel blijven. Hierbij wordt gebruikgemaakt van koolstofopvangende materialen, afvalarme productieprocessen en geavanceerde erosiebestendige coatings om de milieu-impact te verminderen en de levensduur te verlengen. Daarnaast worden oplossingen bedacht om de bladen aan het einde van hun levensduur te recyclen tot hoogwaardige bouwcomponenten.