Das kann doch nicht so schwierig sein. Als Daniela Roeper zum ersten Mal von der Vereisung an Windkraftanlagen hörte, beschloss sie, dieses Problem quasi im Handumdrehen zu lösen. Einige Jahre, mehrere Patente und eine Firmengründung später haben wir nachgefragt: Hat die Kanadierin das Eis am Blatt im Griff?
Das Gespräch mit Daniela Roeper hätte auch auf deutsch stattfinden können. Denn die Großeltern der kanadischen Firmengründerin stammen aus dem ostwestfälischen Detmold. Das wiederum wusste Nils Lesmann. Und da der langjährige Experte im Phoenix Contact Windteam nahezu jeden kennt, der in der Windbranche zu Hause ist, wusste und nutzte er die Gelegenheit zu einem Interview, die sich bei einem Besuch der Kanadierin bot.
UPDATE: Daniela, wie kommt man auf die Idee, sich mit der Entwicklung von Eis an Windkraftanlagen zu beschäftigen?
Ich habe Maschinenbau studiert und in den Semesterferien bei Unternehmen in der kanadischen Windenergiebranche gearbeitet. So bin ich auf die Vereisung von Windrädern aufmerksam geworden. Schließlich erobern auch bei uns in Kanada die Erneuerbaren Energien immer neue, und vor allem immer nördlichere Gegenden. Dazu kommt das Höhenwachstum der Anlagen, so dass Vereisung auch ein Thema für gemäßigte Breitengrade wird.
UPDATE: Nun führt das Erkennen eines technischen Problems nicht sofort zu einer Firmengründung …
Das ist wohl genetisch bedingt. Schon meine Großeltern hier in Detmold waren selbstständig, und auch mein Vater ist Unternehmer. Mit einer Portion Mut und der Unterstützung durch ein staatlich gefördertes Programm für Startups habe ich nach Beendigung des Studiums im Jahr 2016 losgelegt.
UPDATE: Und dann kam der Erfolg quasi von selbst?
Schön wär’s (lacht). Schön wär’s. Die technische Umsetzung war überraschenderweise das kleinere Problem. 2017 war eine erste Lösung fertig. Unser Ziel war, ein System zu entwickeln, das sich möglichst unkompliziert auf bestehenden Windmühlen nachrüsten lässt, ohne dass man das Blatt dafür abnehmen muss. Und mehr als eine Woche sollte dieses Retrofit nicht dauern. In Kanada sind viele Windfarmen errichtet worden, ohne dass man sich über das Thema Eis zuvor Gedanken gemacht hatte.
Die Not der Betreiber ist wirklich groß. Eis an den Blättern sorgt für Stillstand, was wiederum für null Ertrag steht. Also haben wir auch Betreiber gefunden, auf deren Anlagen wir unsere Tests durchführen konnten.
Nils Lesmann: Wie kommt man denn an Anlagen, an denen man solche Tests durchführen kann? Die sollen sich doch drehen und für Ertrag sorgen. Da ist jeder Stillstand wirklich teuer, gerade für kleine Startups …
Tatsächlich ist das eine der großen Herausforderungen für alle neuen Technologien. Im Labor an der Uni klappte alles reibungslos. Die Verteilung der Heizleistung über ein Rotorblatt ist nicht so trivial, das verlangt eine Menge Knowhow und auch Simulationssoftware. Anfangs haben wir mit Gratisprogrammen der Universität gearbeitet und Simulationsprozesse entwickelt, die die thermischen und Strömungs-Verhältnisse im Rotorblatt abbilden können.
Aber die eigentliche Herausforderung ist es, solche Systeme vor Ort zu installieren und dafür Techniken zu entwickeln. Und das ganze so haltbar zu machen, dass es auch lange auf einer Anlage arbeitet.
Details wie die Anbringung in den Blättern waren schwierig. Die Bedingungen in einem Rotorblatt bei den harten Umweltbedingungen im hohen Norden sind extrem herausfordernd. So sind etwa die Fliehkräfte in der feuchten und kalten Umgebung so groß, dass die Stecker unserer Anlagen sich im Betrieb manchmal einfach geöffnet haben. Damit war die Heizung, obwohl korrekt installiert und betriebsbereit, nicht einsatzfähig. So etwas stellt man erst fest, wenn die Anlage im Betrieb ist.
Du hast natürlich recht: Man kann nicht beliebig an Windanlagen ausprobieren. Es ist erwartbar, dass ein Test auch einmal nicht zum Erfolg führt. Aber man darf nicht zu früh mit unausgereifter Technik an die Betreiber von Windenergieanlagen herangehen. Die Erwartung ist ja, dass die Systeme funktionieren. Dafür wird auch ein kalkulierter Stillstand und damit ein Ertragsausfall in Kauf genommen. Das kann man aber nicht beliebig oft wiederholen.
UPDATE: Was unterscheidet die Lösung von Borealis von anderen Blattheizungen?
Wir pusten warme Luft in die Blätter und lassen sie dort für uns wirken. Aber allein mit Heizen ist es nicht getan. Denn normalerweise würden die Fliehkräfte im Blatt einfach die kalte Luft, die ja schwerer ist als die warme, in die Spitze des Blatts drücken. An der Blattspitze werden Geschwindigkeiten von bis zu 400 Stundenkilometern erreicht, da wirken enorme Fliehkräfte. Der Kniff ist die Luftführung. Wir haben sehr komplexe Strömungsmodelle entwickelt, um die Luft in unserem Sinne zu leiten.
Wir laminieren schlauchförmige Gewebekanäle in die Rotorblätter. Mit Ventilatoren, die an der Blattwurzel angebracht werden, blasen wir dann warme Luft durch diese Kanäle bis in die Rotorblattspitzen. Die Heizung selber sitzt zentral in der Gondel. Die Ventilatoren sind sehr leistungsfähig und erzeugen damit einen relativ hohen Druck, um die Luft zum Zirkulieren zu bringen. Das ist auch der Unterschied zu anderen, ähnlich arbeitenden Systemen, die mit deutlich weniger Leistung arbeiten. So erreichen wir den Luftaustausch und bringen die warme Luft dorthin, wo Eis am ehesten ansetzt – an den Vorderseiten der Blätter und den Spitzen. Denn das sind genau die Stellen, die durch die oberen Luftschichten streichen und die Kristalle einfangen.
Wenn sich das Windrad dreht, lastet ein etwa zwanzigfacher Druck auf unseren Gewebekanälen. Allein dafür mussten wir umfangreiche Materialerprobungen absolvieren. Das Material muss die Vibrationen wegstecken. Es muss zudem feuerhemmend sein. Wir mussten herausbekommen, ob das Gewebe Feuchtigkeit aufnimmt und wieviel davon, denn dann ändert sich wieder das Gewicht und damit die einwirkenden Kräfte. Anfangs haben wir die Gewebekanäle mit Fiberglasstangen gestützt, ähnlich einem Zelt. Nachteil war, dass sie so relativ schwer wurden. Anfang 2024 haben wir ein neues System entwickelt, bei dem wir eine Halterung in der Spitze des Blattes installieren und das Heizsystem ähnlich eines Seils spannen. Das ist leichter und nochmal einfacher zu installieren. Die Rotation drückt den eingeklebten Haltepunkt, an dem das Seil gespannt ist, in die Spitze und fixiert das System. Das jetzige System besteht nur aus Gewebe, welches um die zehn Kilogramm leicht ist.
Nils Lesmann: Kleber sind ein Thema für sich, oder?
Ganz genau (seufzt). Wir haben hunderte von Klebern ausprobiert, bis wir den richtigen gefunden haben. Problematisch ist, dass der Kleber nicht nur in kalten Temperaturen abbinden muss, sondern auch in der feuchten und dreckigen Umgebung. Und die Verarbeitungszeit muss passen, denn man kann nicht direkt zur Spitze, um dort manuell zu kleben. Allein der Vorgang der Positionierung dauert rund 30 Minuten.
Aber das Zeug ist wirklich phänomenal. Einmal damit festgeklebt halten die Kleber einfach ewig. Wehe, man klebt sich selber fest …
UPDATE: Welcher Energieeinsatz ist für solch eine Heizung nötig?
In einer 3 MW-Windturbine benötigen wir für den Betrieb etwa 100 kW für Ventilatoren und Heizer. Ein Einsatz, der verschwindend gering ist, wenn ansonsten der Stillstand der Anlage durch Eisbildung droht. Wischen die Flügel der Anlage immer wieder durch tiefhängende Wolken, reichern sich bei niedrigen Temperaturen Eiskristalle an den Blatträndern an. Das kann zur Bildung von zentimeterdicken Schichten aus Eis führen. Die können abgeworfen und so zur Gefahr für Passanten werden. Aber sie beeinflussen auch die Aerodynamik der Blätter selber. Dadurch fallen die Lasten in sich zusammen, was für hohe Einbußen von bis zu 60 Prozent im Betrieb sorgt.
Nils Lesmann: Schon zwei Millimeter Eisdicke reichen für den Abriss der aerodynamischen Eigenschaften der Blätter. Das sind rund 20 bis 50 Prozent Ertragseinbuße. Um dem zu begegnen, muss Eisbildung möglichst frühzeitig erkannt werden.
Wir erreichen mit unserer Warmluftführung 40 bis 50 Grad in den Spitzen. Wir heizen auch immer alle drei Blätter. Es gibt Systeme, die nur ein Blatt beheizen, wenn dort Eisbefall festgestellt wird. Und das ist immer zu spät.
2019 haben wir in Kanada unsere ersten Systeme verkauft und installiert. Die funktionieren auch immer noch. Dafür haben wir eine Menge Komponenten von Phoenix Contact verwendet, bis hin zum Einsatz der PLCnext Technology.
UPDATE: Seitdem kennt die Welt Borealis und Daniela Roeper?
Na ja. Seitdem sind wir langsam gewachsen. Wir sind auf Retrofit-Anlagen fokussiert, denn dort arbeiten wir mit bestehenden Anlagen. Man benötigt eine Menge Kapital, um bei den Herstellern in neue Anlagentypen zu kommen. Es ist schon bei bestehenden Anlagen, die ja alle mit Eisbildung zu kämpfen haben, schwer genug, die Betreiber davon zu überzeugen, dass eine Einmalinvestition sich schon nach kurzer Zeit rechnen wird. Aber erklären Sie das mal einem texanischen Investor oder Betreiber, der in nordischen Regionen einen Windpark betreibt!
Wir blicken immer wieder in erstaunte Gesichter, wenn wir die Effekte von Eisbildung vorrechnen. Das gilt selbst für kanadische Betreiber. Auch die gehen von falschen Verlustraten aus. Die sitzen in ihren warmen Büros in Quebec und können nicht glauben, dass gerade in relativ milden, aber sehr feuchten Wintern die Eisbildung solche Verluste hervorruft. Das können pro Windkraftanlage schnell hunderttausend kanadische Dollar und mehr sein.
UPDATE: Wie ist die Situation heute?
2023 sind wir von der dänischen Firma Fabricair, die auch unsere Gewebeschläuche herstellen, übernommen worden. Ich bin darüber sehr froh, denn dadurch können wir ganz neue Geschäftsmodelle realisieren. Wir verkaufen unsere Heizungen nicht mehr als Stand-Alone-Produkte, sondern bieten sie als eine Art Service an. Das erste Jahr sogar in einer Art Wartungsvertrag. Das hätten wir niemals aus eigenen finanziellen Mitteln realisieren können.
Noch sind wir nur in Kanada vertreten. Aber es gibt erste Projekte in Schweden, an denen wir arbeiten.
Borealis Wind
Phoenix Contact Rotorblattüberwachung
