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Researchers in the wind sector continuously aim to lower mechanical and structural loads on wind turbines to reduce the amount of material used in their components. One such innovative concept that is being investigated here is the integration of a flywheel system into rotor blades. In contrast to its intended aim of reducing the material usage and thereby CO2 emissions, the flywheel system in its implementation requires additional materials, which increases the carbon footprint considerably. Hence, to achieve a net CO2 saving, the CO2 expenditure of the additional components needs to be saved by the system as a minimum. The purpose of this work is to quantify the rise in CO2 emissions, caused by the installation of the flywheel system, relative to the original design. Thereby, the flywheel system’s minimal performance requirement for an exemplary wind turbine is defined.

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Ressourceneffizienz in der Windenergie“ verfolgt das Institut für Windenergietechnik (WETI) an der Hochschule Flensburg in Kooperation mit AEROVIDE GmbH und HYDAC Technology GmbH das Ziel, ein System zu entwickeln, um hauptsächlich die mechanischen Lasten auf Windenergieanlagen (WEA) zu verringern. Somit werden Material und Energie eingespart, was wiederum zur Senkung des CO2-Fußabdrucks der WEA führt. Das zu erforschende System ist ein hydropneumatischer Schwungradspeicher (SRS), welcher in die Rotorblätter einer WEA integriert wird. Das laufende Forschungsvorhaben ist in zwei Projektphasen aufgeteilt. Der hier vorliegende Bericht ist der Abschlussbericht ersten Projektphase. Ziel dieser Projektphase ist die Entwicklung und rechnerische Untersuchung eines neuartigen Rotorblattes, in dem die neuen Kolbenspeicher als lasttragende Elemente in die Struktur des Rotorblattes integriert sind. Damit soll erreicht werden, dass die zusätzlichen Funktionalitäten des SRS nicht mit unverhältnismäßigem zusätzlichem Materialaufwand im Rotorblatt erkauft werden müssen. In dieser ersten Projektphase wurden hauptsächlich zwei wichtige Ziele erreicht. Das erste Ziel war die Erweiterung der Lastensimulationssoftware, um veränderliche Eigenschaften des Blattes zu simulieren. Um das zu erreichen, wurden zuerst vom WETI die Blatteigenschaften, die vom SRS variiert werden, definiert. Zur Modellierung der Variation dieser Eigenschaften hat das WETI zusammen mit AEROVIDE ein Konzept entwickelt. Dieses Konzept haben AEROVIDE und WETI jeweils in den Lastensimulationswerkzeugen HAWC2 und BeamDyn implementiert. Parallel dazu hat das WETI Regelungsstrategien für die diversen Anwendungsfälle des SRS entworfen. Dazu hat das WETI ein Interface definiert, um den entwickelten SRS-Regler mit den erweiterten Lastensimulationswerkzeugen zu verknüpfen. AEROVIDE und WETI haben die erweiterten HAWC2- und BeamDyn-Anwendungen gegen eine analytische Berechnung geprüft. Das zweite Ziel war eine Vorauslegung eines Rotorblatts mit SRS als integrales Strukturelement. Dafür hat das WETI, in Kooperation mit HYDAC, verschiedene SRS-Typen für mögliche Anwendungsfälle des SRS in WEA entworfen. Angesichts der möglichen SRS-Typen hat AEROVIDE einen Vorentwurf eines Rotorblatts mit SRS analysiert. HYDAC hat weitere SRS-Komponenten aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) gebaut und getestet. AEROVIDE hat das CFK-Design beim Entwurf eines Rotorblatts mit CFK-Funktionskomponenten verwendet. Zuletzt konnte AEROVIDE Lastenrechnungen an einer generischen WEA mit SRS durchführen, um die Möglichkeit zur Senkung der mechanischen Lasten zu untersuchen. Es wurde eine Situation aus dem Lastfall DLC2.3 einmal ohne und einmal mit SRS berechnet. Der direkte Vergleich hat gezeigt, dass die Turmfußbelastung in dieser Situation um etwa 15% reduziert werden konnte. Dieses innovative Projekt mit Az. 35801/01 wird durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert.