NICE - Verminderung der Eisbildung durch Nanostrukturierung von Oberflächen mit einem Ultrakurzpulslaser

gefördert durch: Klima- und Energiefonds, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster aus dem Energieforschungsprogramm 2018 (gem. mit FFG, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster)

Projektnummer:  871733

Projekt Ende: März 2023

Weltweit bieten viele Standorte mit Vereisungsbedingungen hervorragende Windverhältnisse und damit großes Potential für die Installation von Windkraftanlagen (WKA). Laut dem aktuellen Bericht des Task 19 der IEA Wind TCP wurden international bereits mehr als 130 GW Windenergie an Standorten mit Vereisungsbedingungen installiert und es wird von einem jährlichen Zubau von 12 GW ausgegangen. In Österreich sind praktisch alle bisher installierten WKA zu-mindest von moderaten Vereisungsbedingungen betroffen.

Diese Vereisungsbedingungen stellen jedoch nicht unwesentliche Herausforderungen sowohl in der Planung als auch im Betrieb von WKA dar. Die drei wesentlichen Aspekte sind:

1. Das Risiko für Leib und Leben, das von einer vereisten WKA in Hinblick auf Personen, die sich im Nahbereich der WKA aufhalten, ausgeht.
2. Die geometrische Veränderung des Rotorblattprofiles führt zu einer drastischen Verschlechterung der aerodynamischen Eigenschaften des Rotors und damit zu einer Verringerung des Energieertrags.
3. Ungleichmäßige Eisbildung auf den verschiedenen Rotorblättern (bzw. ungleiches Ab-fallen des Eises) kann zu einer starken asymmetrischen Kraft (Unwucht) führen die eine extreme Belastung der Windkraftanlagen mit sich bringen kann.

In der Betriebsführung von Windkraftanlagen spielt Vereisung, aus den drei oben angeführten Punkten: Risiko für Personen, Ertragsverlust und Anlagenlasten, eine große Rolle.

Sobald Vereisung an einer WKA erkannt wird oder die atmosphärischen Bedingungen eine Vereisungsgefahr erkennen lassen, kann durch Heizen des Rotors mittels Warmluft oder eine elektrische Widerstandsheizung an der Rotorblattoberfläche das Eis entfernt werden, bzw. die Eisbildung verhindert werden. Abhängig von der Leistung der Heizung, ist diese Strategie aber nur für einen eingeschränkten Temperaturbereich möglich. Andere Verfahren setzen beispielsweise auf mechanische Impulse mittels Vibratoren, Wirbelströme, elektrischen Heizelemente, Mikrowellen als auch chemische Enteisung. Allerdings weisen diese Verfahren verschiedene Probleme auf bzw. ist ihr Einsatz bei Windkraftanlagen oftmals schwierig.

Im Rahmen des gegenständlichen Projekts beschäftigen wir uns mit der Modifikation von Oberflächen zur Verminderung des Anhaftens von Schnee und Eis mittels ultrakurzer Laserpulse.

Dazu werden mit einem Ultrakurzpulslaser (UKPL) Nanostrukturen im sub-µm Bereich auf technischen Oberflächen erzeugt, um damit das Anhaften von Eis zu vermeiden, zu erschweren oder die Lebensdauer von Eisschichten zu verringern.

Voruntersuchungen haben gezeigt, dass durch eine Laser-Nanostrukturierung der Oberfläche von Proben das Vereisen erschwert bzw. die Vereisungsdauer verringert werden kann. Im gegenständlichen Projekt sollen daher Proben aus unterschiedlichen Werkstoffen mit einem UKPL nanostrukturiert und die Ausbildung, Periodizität und Zusammensetzung der erzeugten sub-µm Strukturen auf den Proben untersucht werden. Die Auswirkungen unterschiedlicher Strukturierung auf das Benetzungsverhalten verschiedener Probenwerkstoffe durch Wassertröpfchen wird mit einem Kontaktwinkelmessgerät analysiert. Begleitend dazu wird das am Institut vorhandene Simulationsmodell des Benetzungsverhaltens von Oberflächen in den sub-µm-Bereich erweitert. Dadurch soll das Finden optimaler Strukturen ermöglicht, die Anzahl an Versuchen reduziert, sowie auch das generelle Verständnis der Vorgänge verbessert werden. Das Aufwachsen von Eis auf nanostrukturierten Proben wird in einem Klimawindkanal beobachtet. In diesem Klimawindkanal werden definierte Bedingungen (Temperatur, Windgeschwindigkeit, Tröpfchengröße, etc.) eingestellt. Diese Untersuchungen sollen zu einem besseren Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Oberflächenstruktur der Proben, ihrem hydrophoben Verhalten und dem Anwachsen von Eis führen.

Einzelne Proben werden in Feldversuchen an einer Kleinwindkraftanlage eingesetzt bzw. zusammen mit Vergleichsproben exponiert. Die laserbearbeiteten Proben werden zusammen mit unbearbeiteten Referenzproben kontinuierlich überwacht und die Eisbildung auf der Probenoberfläche quantitativ erfasst. Damit sollen Aussagen über den Grad der Eisbildung sowie die Dauer der Vereisung ermöglicht werden. Die Proben werden im Anschluss an die Exposition demontiert, untersucht und mit den Ergebnissen vor der Exposition verglichen. Ein Vergleich von Oberflächenprofilen und dem hydrophoben Verhalten vor und nach der Exposition ermöglicht Aussagen über Veränderungen und die Lebensdauer der Nanostrukturen. Die Ergebnisse der geplanten Untersuchungen werden Zusammenhänge zwischen der Struktur, dem (super)hydrophoben Verhalten und dem Aufwachsen von Eis liefern. Die Tests unter realen Bedingungen sollen zudem Erkenntnisse zur Beständigkeit der mittels Laser erzeugten Nanostrukturen liefern.