3D-Drucker produzieren Windräder direkt vor Ort

Onshore-Windräder werden nicht nur immer leistungsfähiger, sondern auch größer. Hersteller überbieten sich aktuell mit Turbinen, die mehr als fünf Megawatt Strom bei Maximalauslastung produzieren können. Nicht selten sind die Türme, auf denen diese thronen, mehr als 100 Meter hoch. Doch das Streben gen Himmel hat technische Grenzen: Je höher und damit auch schwerer Windenergietürme werden, desto schwieriger sind sie zu transportieren.

General Electric (GE) bietet eine Lösung für dieses Problem an. Der US-Konzern hat weltweit On- und Offshore-Windenergie, Wasserkraft, Speichertechnologie sowie Solar- und Netzlösungen mit einer Gesamtkapazität von mehr als 400 Gigawatt installiert. Die Abteilung GE Renewable Energy arbeitet nun daran, Teile der Türme von Windrädern mit 3D-Druckern direkt vor Ort zu produzieren.

Fundament entscheidet über Höhe

Bisher bestehen die Türme, auf denen Windräder stehen, meist aus Stahlbetonelementen und sind oft hunderte Tonnen schwer. Tendenz steigend: In den 1980er-Jahren waren sie im Schnitt 20 Meter hoch, 2017 waren es 84. Und neue Anlagen überschreiten häufig die 100 Meter Marke. Und je größer sie werden, desto stabiler müssen sie sein. Denn sie müssen nicht nur mehr Gewicht tragen, sondern den Anlagen auch so viel Halt geben, dass sie den mit zunehmender Höhe stärker werden Winden standhalten.

Zusammen mit der Schweizer Baustofffirma LafargeHolcim, die Materialien für Bauprojekte in 70 Ländern liefert, und dem 3D-Konstruktionsdruck-Spezialisten COBOD International will GE daher neue Wege beim Anlagenbau gehen. Im Oktober 2019 haben die Partner im dänischen Kopenhagen den ersten Prototypen eines Turmsockels, also dem unteren Teil eines Windenergieturms, mit einem 3D-Drucker gedruckt. In diesem Sommer haben die Unternehmen bekanntgegeben, weiter an dem Projekt zu arbeiten, damit die Technologie marktreif wird.

Der Prototyp, ein zehn Meter hoher Sockel, besteht aus zahllosen Lagen Beton. Ein großer 3D-Drucker hat jede davon einzeln aufgetragen. So ist ein Zylinder entstanden. Dessen Wand besteht aus drei Schichten: Zwischen der äußeren und inneren, durchgehenden, befindet sich eine Zwischenschicht mit Hohlräumen. Das macht die Konstruktion trotz hoher Stabilität leichter als massiven Beton. Bevor die Türme in Serie produziert werden können, will GE das Verfahren weiter verbessern. Denn damit die Lagen sich miteinander verbinden, ist nicht nur das Material entscheidend: Bevor eine neue Schicht aufgetragen werden kann, muss die darunterliegende ausgehärtet sein. Die Herausforderung: Vergeht zu viel Zeit, verschmelzen die Betonschichten nicht mehr miteinander und das Bauteil wird instabil.

Aufwändiger Transport entfällt

Dadurch, dass die Bauteile bei diesem Produktionsverfahren direkt vor Ort entstehen, also nur Baustoffe und Drucker zur Baustelle transportiert werden müssen, könnten Windräder künftig wortwörtlich auf deutlich größeren Füßen stehen. Bisher ist die Größe der Einzelteile auf 4,5 Quadratmeter begrenzt – alles darüber hinaus kann nicht mehr ohne enormen Mehraufwand und zusätzliche Kosten auf der Straße transportiert werden. Mit einer größeren Basis könnten die Türme höher werden. Laut GE wären Nabenhöhen von 200 Metern so problemlos möglich. 3D-Drucker könnten bis zu 80 Meter hohe Turmteile aus einem Guss produzieren. Windenergieanlagen so hoch wie der Main Tower in Frankfurt am Main könnten dann in Serie gehen.

Höhere Erträge

So, das rechnen die Fachleute vor, ließe sich auch der Ertrag der Anlagen deutlich steigern. Denn bei Windrädern kommt es auch auf die Höhe an: Eine durchschnittliche Fünf-Megawatt-Turbine kann auf einem 80 Meter hohen Turm pro Jahr rund 15,1 Gigawattstunden (GWh) Strom erzeugen. Auf einem 160-Meter-Turm wären es 20,2 GWh, also ein Mehrertrag von einem Drittel. Das liegt daran, dass die Rotorblätter mit zunehmender Höhe mehr Luftstrom einfangen. Der Grund: Weiter von der Erdoberfläche – und damit auch von bremsenden Hindernissen – entfernt, sind die Windgeschwindigkeiten höher. Zehn Meter über dem Boden legt Luft laut dem Schweizer Branchenverband Suisse Eole im Schnitt fünf Meter pro Sekunde zurück, in hundert Metern Höhe sind es bereits 7,5 und in 200 Metern 8,25. Das bedeutet: Höhere Windräder können mehr Strom erzeugen. Da auch die Turbinen selbst technisch immer weiter verbessert und dadurch leistungsfähiger werden, könnte die Ertragssteigerung in den kommenden Jahren sogar noch größer ausfallen.

Die nächsten Schritte auf dem Weg dorthin hat GE zusammen mit den Projektpartnern bereits geplant. Während COBOD den 3D-Druck weiter verbessert, konzentrieren sich die Experten von LafargeHolcim darauf, ein maßgeschneidertes Betonmaterial und seine Anwendung zu entwerfen. Die Abteilung GE Renewable Energy kümmert sich indes um die Kommerzialisierung. Bis zum Jahr 2023 soll das Konzept die Markreife erreichen.

„Wir glauben, dass die großformatige Fertigung ein wegweisendes Potenzial für die Windindustrie mit sich bringen wird. Der Betondruck hat in den letzten fünf Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, und wir glauben, dass er einer echten Anwendung in der industriellen Welt immer näherkommt“, sagt Matteo Bellucci, Advanced Manufacturing Technology Leader bei GE Renewable Energy.

Weitere Projekte in der Testphase

Das GE-Projekt ist nicht das erste, dass sich mit dem Einsatz von 3D-Druck in der Windkraft befasst. Das US-Start-Up RCAM Technologies entwickelt bereits seit 2017 in verschiedenen Kooperationen, unter anderem mit dem National Renewable Energy Laboratory des amerikanischen Energieministeriums, Konzepte, wie 3D-Druck bei Bau von On- und Offshore-Windrädern eingesetzt werden kann. Noch befinden diese sich allerdings in der Testphase. General Electric könnte also tatsächlich die ersten Windenergietürme aus dem Drucker auf den Markt bringen.