Rotiert, nicht geschüttelt – Wie Eiswürfel helfen, eisabweisende Oberflächen zu charakterisieren

Windkraftanlagen sind heute in den verschiedensten Klimazonen zu finden. Hierbei muss die Auslegung der Anlagen die örtlichen klimatischen ­Gegebenheiten berücksichtigen. Gegenwärtig rücken zunehmend auch Standorte in den Vordergrund, die wegen ihres Eis- und Schneeauf­kommens bisher nicht genutzt werden konnten. Ursächlich hierfür ist vor allem die Gefahr der Rotorblattvereisung. Diese reduziert die energetische Effizienz signifikant und kann bis zur Abschaltung der Anlage führen. Um dieses ­Szenario zu vermeiden, müssen Rotorblätter aktiv enteist werden, z. B. ­indem warme Luft in ihr Inneres geblasen wird. Diese aktiven Ent­eisungsverfahren gehen aber zu Lasten der Energiebilanz der Windkraftanlagen. Einen zukunftsweisenden Lösungsansatz bieten eisabweisende Oberflächen, die passiv wirken. Um solche Oberflächen reproduzierbar und untereinander vergleichbar zu testen, wird ein Teststandard benötigt, den es bisher nicht gibt. Diese Methode, die innerhalb des BMWi-Projekts ­OptAn-Ice erprobt wird, nutzt eine Zentrifuge, um die Eishaftkräfte mit hoher Zuverlässigkeit zu quantifizieren. Ziel ist die Entwicklung und Etablierung eines genormten Prüfverfahrens unter standardisierten Bedingungen.

Versuchsvorgehen

Für die Untersuchung der Eishaftkräfte wird eine Highspeed-Zentrifuge der Firma Herolab eingesetzt. Deren Trommelrotor ist so entworfen, dass ein vereister Probekörper für die beiden in der Praxis relevanten Lastfälle (Zug- und Scherkraft) untersucht werden kann. Vereisung bedeutet hier, dass ein Eiswürfel aus Klareis mit einer standardisierten Geometrie auf­gefroren wird. Die Geometrie ist durch eine Silikonform definiert, in der deionisiertes Wasser auf einen Probekörper unter Einsatz eines Peltierelements auffriert. Dieser Vorgang findet im angrenzenden, ebenfalls gekühlten Präparationsraum statt. Die vereisten Proben werden ­danach sofort getestet. Der Zentrifugenrotor besteht aus einer Trommel, die mit einem Deckel verschlossen wird. Auf diese Weise werden aerodynamische Wechselwirkungen ­während des Experimentes effizient reduziert. Die Masse und das selbststabilisierende ­Design des Rotors wirken auf Schwingungen zusätzlich dämpfend. Die Eisablösung wird mittels eines akustischen Sensors (Mikrofon), optischer Sensoren (IR-LED) und eines ­Beschleunigungssensors detektiert. Diese drei Methoden sollen auf ihre Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Praxistauglichkeit für die zukünftige Zentrifugenentwicklung untersucht werden. Außerdem wird die Temperatur mittels eines Thermoelements im ­Zentrifugenrotor als mögliche Störgröße kontinuierlich erfasst. Aus den bekannten ­Abmessungen des Eiswürfels und der Umdrehungszahl während des Ablösungszeitpunkts ergibt sich die Haftkraft. Die ermittelten Haftungseigenschaften erlauben Rückschlüsse auf die eisabweisenden Oberflächengüten der Beschichtungen.

Versuchsvorgehen

Für die Untersuchung der Eishaftkräfte wird eine Highspeed-Zentrifuge der Firma Herolab eingesetzt. Deren Trommelrotor ist so entworfen, dass ein vereister Probekörper für die beiden in der Praxis relevanten Lastfälle (Zug- und Scherkraft) untersucht werden kann. Vereisung bedeutet hier, dass ein Eiswürfel aus Klareis mit einer standardisierten Geometrie auf­gefroren wird. Die Geometrie ist durch eine Silikonform definiert, in der deionisiertes Wasser auf einen Probekörper unter Einsatz eines Peltierelements auffriert. Dieser Vorgang findet im angrenzenden, ebenfalls gekühlten Präparationsraum statt. Die vereisten Proben werden ­danach sofort getestet. Der Zentrifugenrotor besteht aus einer Trommel, die mit einem Deckel verschlossen wird. Auf diese Weise werden aerodynamische Wechselwirkungen ­während des Experimentes effizient reduziert. Die Masse und das selbststabilisierende ­Design des Rotors wirken auf Schwingungen zusätzlich dämpfend. Die Eisablösung wird mittels eines akustischen Sensors (Mikrofon), optischer Sensoren (IR-LED) und eines ­Beschleunigungssensors detektiert. Diese drei Methoden sollen auf ihre Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Praxistauglichkeit für die zukünftige Zentrifugenentwicklung untersucht werden. Außerdem wird die Temperatur mittels eines Thermoelements im ­Zentrifugenrotor als mögliche Störgröße kontinuierlich erfasst. Aus den bekannten ­Abmessungen des Eiswürfels und der Umdrehungszahl während des Ablösungszeitpunkts ergibt sich die Haftkraft. Die ermittelten Haftungseigenschaften erlauben Rückschlüsse auf die eisabweisenden Oberflächengüten der Beschichtungen.

Übertragbarkeit der Messergebnisse

Die Testergebnisse der Zentrifuge wurden mit Messungen unter realistischen Labor­bedingungen in Versuchen am Vereisungswindkanal des Instituts für Adaptronik und Funktionsintegration (IAF) der Technischen Universität Braunschweig korreliert. Bei diesen Versuchen wurden mit den zuvor in der Zentrifuge getesteten Oberflächen beschichtete Profile bei ca. 28m/s angeströmt, mit destilliertem Wasser bei -5°C besprüht und vereist. Als Kenngröße wird hierbei die Energie gemessen, mit der das Profil mittels einer elektro­thermischen Heizung eisfrei gehalten werden kann. Die normierten Ergebnisse des Zentrifugentests (blau) und der Anti-Icing-Energie (rot) sind dazu gegenübergestellt. Für die hier untersuchten Oberflächenbeschichtungen zeigen beide Methoden vergleichbare Trends, die zu folgenden Aussagen führen:

1. Der Zentrifugenteststand stellt eine zuverlässige und einfache Methodik für Oberflächenscreening-Programme dar, um aufwändige Anti-Icing-Tests im Eiswindkanal zu reduzieren.
2. Die mit Partnern entwickelten Oberflächenbeschichtungen können für sich einen Eisansatz nicht vollständig vermeiden.
3. Es kann aber gezeigt werden, dass durch die Variation der chemischen Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtung ein Eis­ansatz signifikant reduziert und somit Enteisungsenergie eingespart werden kann.

In diesem ­Zusammenhang stellt die Optimierung der Oberflächenchemie zur Erzeugung von voll­ständig eisfreien Beschichtungssystemen den nächsten Entwicklungsschritt dar.