In de windmolenindustrie is er altijd veel aandacht voor coatings op de rotorbladen, omdat die constant aan weer en wind worden blootgesteld, terwijl ze met een bepaalde snelheid ronddraaien. In dit artikel zoomen we vooral in op de rotorbladen van offshore windmolens. De extreme weersomstandigheden waaraan ze blootstaan, vereisen een aanhoudende zoektocht naar betere conserveringssystemen. 



In het algemeen worden de windturbinebladen zó ontwikkeld dat ze twintig jaar meekunnen in alle denkbare weercondities. De rotorbladen moeten vooral beschermd worden tegen de impact van regendruppels en erosie. De coatings moeten met name putcorrosie tegengaan, omdat die het oppervlak van de bladen ruw maakt. Het gevolg daarvan is turbulentie en een afname van de efficiency en energieproductie, terwijl de kosten voor onderhoud en reparatie toenemen.

HOGE EISEN

Andere eisen die aan coatings op offshore windmolens worden gesteld, zijn UV- en zoutbestendigheid, minimale vuilaanhechting, uitstekende slijtvastheid en lage reflectie. Al deze eisen moeten helpen voorkomen dat de windmolenbladen om de paar jaar vervangen moeten worden om degradatie van de bladen voor te zijn. Een permanente uitdaging, die alleen maar groter wordt naarmate de windturbines groter worden en de draaisnelheid van de bladen toeneemt. Vooral voor offshore turbines geldt dat ze over een lange periode moeten blijven draaien, zonder veel onderhoud. En juist daar hebben vooral de bladen veel te verduren, waardoor er aan de conservering hoge eisen moeten worden gesteld.



Toegepaste coatings zijn veelal polyester gelcoats als gekleurde buitenlagen van een polyester laminaat. Gelcoats zijn opgebouwd uit polyester met daaraan toegevoegd een thixotropiemiddel, vulstoffen en additieven. Ook worden (fluor)polymeren gebruikt in een film-applicatie, wat gezien wordt als een duurzame applicatie. Daarnaast zijn er tapes beschikbaar om de voorrand van het rotorblad te beschermen en worden epoxy-lamineersystemen en spray- en gietbare polyurethaan coatings toegepast.

EROSIE

Een bedrijf dat gespecialiseerd is in het ontwerpen en maken van rotorbladen voor windmolens is LM Wind Power. Dit Deense bedrijf is een tamelijk grote speler op het gebied van bladen voor windturbines. Wereldwijd heeft het bedrijf veertien fabrieken, waar sinds 1978 ruim 200.000 rotorbladen zijn gemaakt. Bijna iedere vijfde windturbine wereldwijd is voorzien van rotorbladen van LM Wind Power. Michael Drachmann Haag, hoofdingenieur bij LM Wind Power, is nauw betrokken bij de conservering van de rotorbladen. Hij wijst erop dat de voorrand van het rotorblad (leading edge) van windmolens het onderdeel is dat het meest wordt blootgesteld aan weer en wind, vooral bij grotere windmolens waarvan de rotorbladen op hoge snelheid kunnen draaien.



“Bij windmolens op zee spreken wij liever over erosie dan over corrosie. Zoals een landschap te lijden heeft onder erosie door water en wind, zo definiëren wij ook wat er offshore gebeurt bij de rotorbladen die op hoge snelheid draaien. Zonder afdoende bescherming leidt deze erosie tot degradatie van de materialen, waaronder delaminatie. Dit leidt tot allerlei ongemak aan het rotorblad en uiteindelijk tot een flink risico op laminaatschade die moeilijk te repareren is. Gelet op hogere energie-opbrengsten dankzij hogere tipsnelheden, wordt de erosie van de voorrand van het rotorblad een steeds groter aandachtspunt. Wij houden ons daar nadrukkelijk mee bezig, onder meer via het ontwikkelen van testen en betrouwbare oplossingen en door wereldwijd te pleiten voor ontwerpstandaarden voor de windindustrie.”

CONSERVERINGSSYSTEEM

De voorrand maakt doorlopend een zwaai door de lucht. Deze lucht is niet altijd schoon en een combinatie van vuil, zout en neerslag werkt op de voorrand in. Dit leidt in principe tot achteruitgang van het oppervlaktemateriaal en toenemende oppervlakteruwheid, en dus tot verminderde energieopbrengsten. De erosie op de voorrand neemt bij stijgende rotorsnelheden snel toe. Het conserveringsproces is dan ook voornamelijk gericht op de voorrand van het blad. Als dat proces goed wordt uitgevoerd, is de rest van het blad ook goed beschermd. Het gaat er dus om een duurzame en kosteneffectieve bescherming van het laminaat (vezelversterkte kunststoffen/composieten) te leveren. LM Wind Power heeft een polyurethaan coatingsysteem ontwikkeld dat, naar eigen zeggen, de prestaties van de voorrand aanwijsbaar verbetert met een langere levensduur, minder uitval en lagere onderhoudskosten. Het bedrijf heeft dit systeem in extreme omstandigheden getest op enige honderden voorranden op diverse locaties, en ziet polyurethaan als een extreem duurzaam materiaal. 



Michael Drachmann Haag: “Bij offshore windmolens is regen eigenlijk de grootste lastpost voor de rotorbladen en de voorranden. Het effect van druppels op draaiende bladen op pakweg 100 meter hoogte kun je met niets vergelijken. Op zee rondom Noordwest-Europa valt bijvoorbeeld veel regen met grote druppels bij hoge windsnelheden. Dit leidt tot versnelling van erosie, omdat grotere druppels bij hogere draaisnelheden meer druk op de voorrand uitoefenen, met als gevolg een verhoogd risico op problemen tussen de coating en het blad, wat weer kan leiden tot delaminatie. De uitdaging is om daar de juiste oplossing voor te vinden, via het juiste ontwerp van de bladen en het juiste conserveringssysteem. Daar besteden we dan ook erg veel aandacht en tijd aan. Ook het kleinste detail moet correct zijn, want zelfs het kleinste druppeltje zal het zwakke punt vinden.”

TESTPROGRAMMA

Het conserveringssysteem van LM Wind Power bestaat uit een éénlaagsapplicatie met een dikte van enige honderden micrometers. Het polyurethaan is vervormbaar, wat een flexibel systeem met een erg sterke chemische hechting oplevert. Het bedrijf kiest in sommige gevallen voor tapes op de voorrand, maar de fysieke hechting daarvan aan de bladen wordt als minder sterk beschouwd dan de chemische hechting van polyurethaan. Delaminatie gaat veel sneller dan erosie en daarom is een heel sterke chemische hechting aan het blad uiterst belangrijk. Dat neemt niet weg dat het gebruik van tapes op de voorrand een bewezen product is. 



Al met al is het volgens Michael Drachmann Haag moeilijk te zeggen hoe lang de polyurethaanconservering goed zal blijven. “Dat is van zoveel factoren afhankelijk: de hoeveelheid regen, de grootte van de druppels, de zoutbelasting, de rotatiesnelheid en de chemische blootstelling. Dankzij het extreme testprogramma van polyurethaan kunnen we inmiddels aardig inschatten wanneer de erosie zal optreden en hoe het zich zal ontwikkelen. Maar er bestaat geen ‘one size fits all”-aanpak, omdat de levensduurverwachting bepaald wordt door de genoemde factoren. Wat ook meespeelt, is dat er geen standaarden bestaan voor testprogramma’s van de materialen. Dat is een uitdaging voor zowel de applicateur als de opdrachtgever. Gemeenschappelijke standaarden voor het ontwerp van de bladen tegen erosie en voor testprogramma’s zijn er gewoonweg niet. Maar onder de vlag van DNV GL – een wereldwijd opererend Noors classificatiebureau voor met name de energie, maritieme, olie- & gasindustrie – werken we inmiddels samen met industriële partijen aan een richtlijn voor het uitvoeren van erosietesten. Daarnaast zijn we betrokken bij een project gericht op een gemeenschappelijke ontwerpmethodiek voor de bescherming van voorranden.”