BLADECO Eindrapport rapport BLDPV1-05, t.b.v. Contractnummer: EETK96071/398110-0810 mei 2002 Auteurs: A.M. van Wingerde D.R.V. van Delft K. Molenveld H.L. Bos B.H. Bulder H. de Bonte
WMC Groep, TU Delft (penvoerder) WMC Groep, TU Delft ATO B.V. ATO B.V. ECN KEMA
BLADECO - BLDPV-105
Inhoudsopgave 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Inleiding .......................................................................................................................................2 1.1. Achtergrond project: de windenergie markt ..............................................................2 1.2. Probleemomschrijving ..................................................................................................2 Doelstelling project......................................................................................................................4 2.1. Economische doelen.......................................................................................................4 2.2. Ecologische doelen .........................................................................................................5 2.3. Technologische doelen...................................................................................................6 Opzet van het project..................................................................................................................8 3.1. Fase 1-4 ...........................................................................................................................8 3.2. Fase 5-7 ...........................................................................................................................8 3.3. Fase 8-10 .........................................................................................................................8 3.4. Tijdsplanning project ....................................................................................................9 Beschikbare kennis bij aanvang van het project....................................................................10 4.1. Biologische vezels .........................................................................................................10 4.2. Life cycle analysis (LCA) ............................................................................................11 4.3. Recycling.......................................................................................................................12 4.4. Verbindingstechnieken................................................................................................13 Uitgevoerde werkzaamheden en resultaten ............................................................................14 5.1. Fase 1: Materiaalselectie, LCA en recycling ............................................................14 5.2. Fase 2: materiaalselectie en -beproeving ...................................................................32 5.3. Fase 3: Verbindingstechnieken..................................................................................36 5.4. Fase 4: Voorontwerp testbladen................................................................................49 Evaluatie.....................................................................................................................................53 6.1. evaluatieparameters ....................................................................................................53 6.2. Knelpunten ...................................................................................................................54 6.3. Conclusies .....................................................................................................................55 Deelnemers.................................................................................................................................57 7.1. Aerpac...........................................................................................................................57 7.2. ATO B.V. ......................................................................................................................57 7.3. Energieonderzoek Centrum Nederland, ECN ..........................................................58 7.4. KEMA...........................................................................................................................58 7.5. Technische universiteit Delft, TU Delft .....................................................................59 7.6. Samenwerking tussen de deelnemers.........................................................................59 BLADECO publicaties en referenties .....................................................................................60 8.1. Bladeco publicaties ......................................................................................................60 8.2. Referenties ....................................................................................................................60
Appendix A: Appendix B:
Concept rapportage voorontwerpwerk Hechtingsverslag.
1
BLADECO - BLDPV-105
1.
Inleiding
In dit rapport worden de belangrijkste resultaten van het BLADECO project weergegeven. Het project BLADECO is uitgevoerd in het kader van de subsidieregeling Economie, Ecologie en Technologie (EET). Het uitgangspunt voor het project is het projectvoorstel van 28 oktober 1996, bekend onder nummer EETK96071, waarvan de voornaamste punten in dit rapport zijn geïntegreerd. De deelnemers aan het project zijn naast Aerpac (penvoerder, inmiddels wegens faillissement uit het project), ATO, ECN, KEMA en TU Delft (nieuwe penvoerder).
1.1. Achtergrond project: de windenergie markt De windenergiemarkt is een sterk groeiende maar tevens turbulente markt. Eind 1995 was in Nederland ongeveer 250 MW aan vermogen geïnstalleerd, voor Europa en de wereld zijn dat respectievelijk 2.300 MW en 5.000 MW. In Nederland is er tussen 1996 en 2000 gemiddeld 45 MW per jaar geïnstalleerd. In Europa was er midden 2000 echter al 10.600 MW geïnstalleerd waarvan slechts 450 MW in Nederland. Het huidige implementatie tempo in Europa is ruim 4000 MW per jaar waarvan iets meer dan 40 MW in Nederland. De verwachting is dat er in 2010 meer dan 60.000 MW zal zijn geïnstalleerd in Europa waarvan 2500 MW in Nederland. De Nederlandse doelstelling, zoals geformuleerd in de Derde Energienota, streeft na om in het jaar 2020 10% van de benodigde energie duurzaam op te wekken. Hierin zal windenergie een belangrijk aandeel hebben, hetgeen moet resulteren in een geïnstalleerd vermogen van 7500 MW in het jaar 2020. Naast de groeiende markt, zijn het ook de windturbines zelf die in afmetingen toenemen. Het gemiddelde geïnstalleerde vermogen van de tot 1996 geplaatste windturbines bedraagt circa 250 kW per molen. Het gemiddelde vermogen van de windturbines die momenteel geplaatst worden bedraagt ruim 1250 kW per turbine (gegevens over het 1e halfjaar 2002). De trend is echter ingezet naar nog grotere windturbines met vermogens van 2,5 tot 3,0 MW, met uitschieters naar 4,5 MW. Bij een windturbine met een vermogen van 1 MW wordt een rotordiameter toegepast van 52-56 meter, voor de versie met 1,5 MW geïnstalleerd vermogen is dit 65-70 meter. Deze diameter is mede afhankelijk van het molenontwerp en van het windregime waarvoor de windturbine is ontworpen. Indien bovenstaande beschouwingen worden geprojecteerd op alleen het rotorblad, kan een omzetverwachting voor de komende jaren worden opgesteld: Als vuistregel wordt hierbij aangenomen dat de rotor van een windturbine, ongeacht of deze nu uit twee dan wel drie bladen is opgebouwd, circa €100.000 = per MW kost. Voor grotere windturbines zal dit bedrag eerder toe dan afnemen. Voor de Europese Unie betekent dit in het jaar 2002 een omzetverwachting voor rotorbladen van ongeveer 400 tot 450 miljoen euro; wereldwijd gelden verwachtingen van 600 tot 650 miljoen euro.
1.2. Probleemomschrijving Naar analogie van het in 1.1 beschreven toekomstbeeld, zullen de komende jaren veel rotorbladen vervaardigd uit glasvezel versterkte kunststoffen met PVC schuim in de markt worden geplaatst. Bij de ontwikkeling van windturbines zullen gewichtsreductie, gebruiksduurverlenging en kostprijsreductie belangrijke doelen zijn. De verwachte groei in ogenschouw nemend zal de verwerking van met name afgedankte bladen en het afval dat ontstaat tijdens de productie van nieuwe bladen een groot probleem gaan vormen. Bij de aanvang van het project werd verwacht dat in het jaar 2000 de hoeveelheid afval als gevolg van het afdanken van rotorbladen ongeveer 1.000 ton zal bedragen, met een groei tot ongeveer 14.000 ton in 2015. 2
BLADECO - BLDPV-105 Omdat de groei van de windenergiemarkt veel sterker was dan geraamd is deze veronderstelling inmiddels ook al achterhaald. Het doel van dit project is tweeledig. Enerzijds richt het onderzoek zich op de mogelijkheden om milieuvriendelijke materialen toe te passen voor de fabricage van rotorbladen voor windturbines. Met deze nieuwe samengestelde materialen moeten rotorbladen met minimaal dezelfde eigenschappen ontwikkeld kunnen worden als met de materialen die nu gebruikt worden (polyesterglasvezel en epoxy-glasvezel). Het ontwerpen in componenten stelt ons in staat een geautomatiseerde productie van die componenten op te zetten, veel meer dan het geval is met de huidige productiewijze. Voorwaarde voor het ontwerpen in componenten is dat er betrouwbare verbindingstechnieken beschikbaar zijn om die componenten te assembleren tot een rotorblad. De verschuiving van arbeidsintensieve productie naar een meer kapitaalintensief proces, zal het verplaatsen van de productie van rotorbladen naar lage lonen landen tegengaan. Bijkomend voordeel van het modulair opbouwen van rotorbladen, is het transportvoordeel dat behaald kan worden. Het transport van componenten of modules die stapelbaar zijn is veel efficiënter dan het transport van rotorbladen in de uiteindelijk vorm. De assemblage van componenten met behulp van de te ontwikkelen verbindingstechnieken moet zowel centraal als "on site" kunnen plaatsvinden. Het geautomatiseerd vervaardigen van componenten en het onderzoek naar de geschikte verbindingstechnieken, kan zowel worden toegepast op de huidige materialen als op de alternatieve materialen, zoals bedoeld in voorgaande alinea' s. Gezien de in de toekomst te verwachten hoeveelheden afval, afkomstig van rotorbladen, zal recycling als rode draad tijdens het onderzoek worden meegenomen, Hierbij worden zowel de recyclingmogelijkheden van de huidige materialen, ter referentiebepaling, alsook de nieuw te selecteren materialen kritisch geanalyseerd.
3
BLADECO - BLDPV-105
2.
Doelstelling project
De doelstellingen van het project zijn het geautomatiseerd vervaardigen van uit natuurlijke materialen opgebouwde componenten, welke via geavanceerde verbindingstechnieken het uiteindelijke rotorblad opleveren. Door gebruikmaking van goedkope en hernieuwbare materialen en een besparing op arbeidskosten moet een kostprijsverlaging van 20% realiseerbaar zijn. De milieubelasting zal bij gebruikmaking van hernieuwbare materialen zeer sterk afnemen, hetgeen het ‘Groene’ karakter van windturbines zal doen verbeteren.
2.1. Economische doelen Het resultaat van het project zal in hoofdzaak geëxploiteerd worden door Aerpac. Dit gebeurt door de productie en verkoop van een nieuw type rotorblad opgebouwd uit componenten en met gebruikmaking van goedkope, hernieuwbare materialen. De productie van de componenten vindt bij voorkeur plaats in een centrale geautomatiseerde productie-unit met indien wenselijk een lokale assemblage. De mogelijkheid bestaat om voor de productie licenties uit te geven aan collega's. Door deze nieuwe productiewijze zal de rotorbladenproductie verschuiven van arbeidsintensief naar meer kapitaalintensief en zal een goed vervoerbaar product ontstaan ondanks de voortdurende toename in lengte en omvang (bij aanvang van het project waren de meeste rotorbladen tussen de 20 en de 30 meter lang, aan het eind van het project is deze lengte tussen de 40 en 50 meter). De productie kan op deze wijze in Nederland gehandhaafd blijven en aanmerkelijk worden uitgebreid. Export buiten Europa is zeer goed in te vullen met het voorgestelde concept. Door deze nieuwe aanpak wordt de concurrentiepositie van Aerpac aanmerkelijk versterkt. De kostprijs van rotorbladen zal 20 % kunnen dalen door toepassing van goedkopere materialen, minder arbeidsintensieve productie, minder afval en het hergebruik van materialen, zie Tabel 1. Door het beperken van de afvalstroom, alsmede het mogelijk maken van het terugwinnen van materialen na einde levensduur, zullen toekomstige kosten beperkt worden. Kostensoort Grondstoffen/afval uren Overige kosten: afschrijving onderhoud overhead etc. Kostprijs rotorblad
Tabel 1 Opbouw kostprijsreductie rotorblad Kostprijsreductie Aandeel kostensoort Totale invloed op per kostensoort in kostprijs rotorblad kostprijs rotorblad -40% 40% -16% -40% 30% -12% +30% 30% + 9% (kostentoename)
-20%
Aangezien de rotorbladen circa 15 % van de kostprijs van een windturbine uitmaken, zal bij een overigens gelijkblijvende situatie, de prijs van een turbine met ca. 3 % dalen. Hiermee zal dus tevens de kostprijs per kilowattuur dalen, hetgeen hét kental van een windturbine is. Door een groeiende markt voor windenergie, welke gestimuleerd wordt door betere prijs/prestatieverhoudingen, en een substantieel lagere kostprijs van de rotorbladen, kan Aerpac mondiaal een groter marktaandeel verwerven. Het huidige marktaandeel van Aerpac in Europa is ca 12-15%. Van export buiten Europa is vooralsnog nauwelijks sprake. Indien transport van rotorbladcomponenten economisch aantrekkelijk is en een kostprijsreductie van 20% gerealiseerd wordt, is een stijging van het marktaandeel met 50% naar 20-25% een realistische schatting. Daarbij komt de geografische 4
BLADECO - BLDPV-105 vergroting van het afzetgebied en de algemeen verwachte stijging van de windenergie-industrie, hetgeen resulteert in een verveelvoudiging van de huidige omzet van Aerpac. De eerste commerciële resultaten worden 5 à 6 jaar na de start van het project verwacht. De bestaande milieueisen zijn eerder een pré dan een belemmering voor dit project. Het project is erop gericht groene energie een nog beter imago te geven. De ontwikkelde materialen zijn bruikbaar in branches waar grote en relatief lichte maar structureel belaste delen gebruikt moeten worden. KEMA zal kennis die wordt opgedaan in het project gebruiken in haar consultancy activiteiten voor de Energieproductie en distributiebedrijven. De additionele kennis over LCA zal ingezet worden bij LCA studies voor derden zoals elektronica producenten. Dit sluit aan bij de strategie van deze bedrijven om "Groene stroom" te produceren. Een recente KEMA studie heeft aangetoond dat het groene karakter van de huidige duurzame energiebronnen op een aantal punten nog aanzienlijk kan worden verbeterd. Kennis ten aanzien van het gebruik van natuurlijke vezels en celluloseschuimen in hoogwaardige toepassingen zal door ATO BV worden ingezet bij materiaalontwikkeling voor andere branches zoals de automobielindustrie. Zowel ECN als de TU Delft zullen de via BLADECO opgedane kennis op het gebied van onder andere natuurlijke materialen, LCA, recycling en verbindingstechnieken gebruiken voor onderzoeken op andere onderzoeksgebieden. Voor de ontwikkeling van rotorbladen zijn er geen samenwerkingsverbanden tussen de partners. In CIWI verband werd in het verleden samengewerkt tussen ECN en KEMA. Daarnaast voert KEMA regelmatig opdrachten uit voor Aerpac die veelal betrekking hebben op materiaalkeuze en karakterisering. Aerpac werkt in andere samenwerkingsverbanden regelmatig samen met ECN, met name gericht op onderzoek die deelaspecten van rotorbladen betreffen. TU Delft assisteert Aerpac op het vlak van aërodynamische ontwerpen en voert (full-scale en coupon) testen uit ten behoeve van Aerpac. TUD en ECN gaan samen het kenniscentrum WMC oprichten dat zich ondermeer met alle structurele aspecten van windturbines gaat bezighouden en in het nieuw te bouwen laboratorium met een lengte van 66 m ook de grootste rotorbladen kan gaan testen.
2.2. Ecologische doelen Het project heeft betrekking op een drietal doelstellingen van het E.E.T. programma, zoals vastgelegd in artikel 2 van de uitvoeringsregeling E.E.T. 8.1: Substantiële toename van de efficiëntie van productieprocessen ten aanzien van het verbruik van grondstoffen, hulpstoffen, energie of (koel)water in de Nederlandse proces- en productie industrie; Substantiële vermindering van het ontstaan en de verspreiding van emissies en niet bruikbare reststoffen in de Nederlandse proces- en productie-industrie;. Volledige integratie van het milieu in het productontwikkelingsproces; Substantiële beperking van emissies en energieverbruik in de sector verkeer en vervoer; Substantieel gebruik van hernieuwbare grondstoffen; Substantieel gebruik van duurzame energiebronnen. In volgorde van belang voor het BLADECO project zijn dit de items 6, 5 en 3. 5
BLADECO - BLDPV-105 Het substantieel gebruik van windenergie zal leiden tot een geringere uitstoot van stikstof- en koolstofoxiden. Eén kWh windenergie voorkomt de uitstoot van 0.68 kg CO2 en 0.02 zuurequivalent en er wordt 0.29 m3 aardgas bespaard. Milieutechnische alternatieven zijn het gebruik van andere hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie en biomassa etc. Substantieel gebruik van hernieuwbare energiebronnen voorkomt een snelle uitputting van bestaande fossiele energievormen, zoals aardolie, aardgas, steenkool enz. Voor de productie van rotorbladen worden nu materialen gebruikt op basis van synthetische polymeren die niet hernieuwbaar en recyclebaar zijn. Het rotorbladafval wordt niet hergebruikt en moet gestort worden. De hoeveelheden zijn nog beperkt, maar een toenemend gebruik van windenergie zal leiden tot een toenemende hoeveelheid afval van rotorbladen. Door andere materiaalkeuzes is het mogelijk dit afval in de toekomst te hergebruiken of de milieubelasting van dit afval te reduceren. Door aanpassing van de productietechnologie kan ook het transport op efficiëntere wijze geregeld worden, waardoor ook het energieverbruik van en de uitstoot door transportmiddelen beperkt kan worden.
2.3. Technologische doelen Tot op heden zijn er, behalve hout epoxy composieten, geen natuurlijke materiaalsamenstellingen die gebruikt kunnen worden voor de productie van rotorbladen. Verder zijn er geen ontwikkelingen in de richting van rotorbladen die in componenten gefabriceerd worden. Alle rotorbladen bestaan in de lengterichting uit één stuk. Geautomatiseerde productie van rotorbladen wordt nog niet toegepast. Slechts enkele structurele delen worden in bepaalde mate gemechaniseerd geproduceerd. Het gebruik van agro-vezels in composietmaterialen is recentelijk op gang gekomen. Eén reden dat agro-vezels niet eerder zijn toegepast in composieten is dat de agro-vezelproducerende industrietak altijd volledig gericht is geweest op toepassing van de vezels in textiel. De bewerkingsstappen die de vezels ondergaan voordat ze tot garen kunnen worden gesponnen maken de vezels minder geschikt om ze als versterking in composieten toe te passen (de sterkte van de vezels wordt sterk aangetast). Op dit moment begint de vezelproducerende industrie zich meer toe te leggen op alternatieve toepassingen van de vezels en de technologie voor alternatieve ontsluitingsmethoden wordt momenteel ontwikkeld. Een tastbaar resultaat is dat inmiddels (kort)vlasvezelversterkte composieten worden toegepast in de automobielindustrie, waarbij moet worden aangetekend dat met deze materialen nog vooral op stijfheid worden belast en minder op sterkte. De doorbraak die beoogd wordt is het gebruik van milieuvriendelijke materialen die recyclebaar en zodoende toepasbaar zijn in degradatie-toepassingen. Het verwerken van lange natuurlijke vezels tot halffabrikaten (prepregs, vezelmatten, georiënteerde continue vezels), vormdelen en laminaten (vezelversterkte schuimen), is nieuw en octrooieerbaar. Daarnaast is het ontwikkelen van verbindingstechnieken die het mogelijk maken deze constructiedelen in componenten te produceren en vervolgens ter plekke te assembleren een stap voorwaarts. Hiertoe behoort het ontwikkelen van de daarbij behorende geautomatiseerde/ gemechaniseerde productietechnieken. Onderdelen van deze ontwikkelingen kunnen geoctrooieerd worden en bieden mogelijkheden om in licentie uit te geven.
6
BLADECO - BLDPV-105 De technische risico's liggen voor een belangrijk deel in het niet kunnen vinden van milieuvriendelijke materialen die voldoen aan de gestelde eisen en in het uit deze materialen samenstellen van een composiet met de juiste eigenschappen: laag gewicht, grote sterkte en weerstand tegen omgevingsinvloeden. Ditzelfde geldt voor de materialen die gebruikt moeten worden voor de verbindingstechnieken. Zij moeten vooral bestand zijn tegen vermoeiingsverschijnselen. Het herontwerpen van een blad uit één stuk op basis van nieuwe materialen brengt ook aanmerkelijke risico's met zich mee. Het ontwerpen in componenten is totaal nieuw. Deze methode zal zeker nog een hele ontwikkeling door moeten maken. Het technisch risico wordt beperkt door diverse onderzoeksrichtingen parallel te doorlopen, waarbij verschillende doelen worden nagestreefd: a) nieuwe materiaalkeuze, met name natuurlijke materialen b) een geschikte verbindingstechniek c) geautomatiseerde productie (van componenten) d) recycling en afvalbeheer Het bereiken van de combinatie van items a, b, c en d is het hoogst haalbare. Echter ook het bereiken van slechts één of meer van deze vier doelen zal een positief resultaat opleveren. Het grootste risico wordt gezien bij item a met een slaagkans van 75 %. Hierbij dient aangetekend te worden dat er in het verleden reeds hout-epoxy structurele producten zijn gemaakt met een lengte tot ruim 30 meter. Vervolgens hebben items b en d een slaagkans van 90 respectievelijk 80%, afhankelijk van de resultaten van a. In het geautomatiseerd produceren van componenten worden geen onoverkomelijke technische problemen verwacht. Een kosten-baten analyse van de benodigde investeringen in deze automatiseringsstap zal de economische haalbaarheid moeten uitwijzen. De uiterst brede kennis en ervaring die bij de deelnemers aan BLADECO aanwezig is, waarborgt dat er op adequate wijze invulling gegeven kan worden aan alle taken om de doelstellingen van het project te bereiken. Iedere partner heeft minimaal één specialisme dat van toepassing is binnen de uitvoering van BLADECO. Andere deelnemers zullen hier de functie van sparringpartner op zich nemen. Het samenwerkingsverband in deze vorm is nieuw. De bedrijven, instituten en universiteit hebben wel eerder in andere combinaties met elkaar samengewerkt. De kennis van de bedrijven is aanvullend. Samen bestrijken zij het gehele terrein aan kennis en know-how dat noodzakelijk is voor het laten slagen van dit project.
7
BLADECO - BLDPV-105
3.
Opzet van het project
In windturbines worden de laatste jaren steeds meer vezelversterkte kunststoffen (VVK’s) toegepast, met name in rotorbladen. Vervanging van de synthetische- door natuurlijke vezels en, op langere termijn de toepassing van bio-polymeren, heeft een groot aantal voordelen. Door toepassing van geschikte verbindingstechnieken zijn ontwerpers in staat in componenten te denken en te ontwikkelen. Het geautomatiseerd produceren van deze componenten en de toepassing van natuurlijke vezels zal leiden tot kostprijsreductie terwijl verder de milieueffecten van de vervaardiging en verwerking na afdanken sterk worden gereduceerd.
3.1. Fase 1-4 In dit deel van project wordt fundamenteel materiaalonderzoek uitgevoerd met als doel vast te stellen of de verwachte voordelen realiseerbaar zijn. Wanneer dit het geval is zal een verdere ontwikkeling gericht op rotorbladen voor windturbines plaatsvinden. In deze rotorbladen worden de vezels extreem hoog belast. Als bewezen wordt dat bio-composieten aan deze hoge eisen kunnen voldoen dan is de toepassing van bio-vezels haalbaar voor een breed scala aan producten. De vervolgontwikkelingen in het project zijn erop gericht de rotorbladen te produceren in componenten. Hierdoor wordt centrale gemechaniseerde productie mogelijk met lokale assemblage. Voor deze wijze van produceren zijn verbindingstechnieken nodig met zeer hoogwaardige eigenschappen. Om de slaagkans van het project te vergroten, zullen deze verbindingstechnieken niet alleen met de nieuw ontwikkelde materialen, maar ook met de huidige materialen worden onderzocht. Na afloop van fase 1-4 (nominaal vier jaar) volgt een Go/ No go beslissing alvorens de fasen 5-7 van het project op te starten.
3.2. Fase 5-7 De statische en dynamische full-scale testen worden op een zestal rotorbladen uitgevoerd, te weten twee rotorbladen uit één stuk met de nieuwe materiaalkeuze, en vier stuks opgebouwd uit componenten. Deze uit componenten opgebouwde rotorbladen worden uitgevoerd in zowel de nieuwe als de huidige materialen. Als de testen goede resultaten opleveren, worden twee proefsets gemaakt om aan windturbines onder bedrijfscondities te testen. Parallel hieraan wordt de ontwikkeling gestart gericht op het mechaniseren/automatiseren van de componentenfabricage. De rotorbladen worden opgeschaald naar de dan geldende maatvoering. Na afloop van fase 5-7 volgt weer een Go/ No go beslissing alvorens de fasen 8-10 van het project op te starten
3.3. Fase 8-10 Een pilotplant zal worden ontworpen, prototypesets worden gemaakt en tenslotte wordt de pilotplant voor de nieuwe productiewijze geïnstalleerd.
8
BLADECO - BLDPV-105
3.4. Tijdsplanning project Volgens het projectvoorstel zou het eerste deel van het project (fase 1-4) lopen van 1 januari 1997 t/m 31 december 2000. ♦ Omdat het project 3 maanden later begon, is de einddatum eveneens 3 maanden opgeschoven. ♦ Verder in het project is besloten een deel van de conceptuele fase eerder uit te voeren, teneinde een duidelijker kader te scheppen voor het verdere onderzoek. Hierdoor is de Go/NoGo beslissing met 9 maanden naar achteren geschoven. ♦ Ten slotte is door het faillissement van Aerpac en de daaropvolgende vertragingen de einddatum nogmaals 4 maanden naar achteren verschoven. Hiermee is de einddatum voor de fasen 1-4 op 30 april 2002 uitgekomen. Door het wegvallen van Aerpac zijn fasen 5-10 van het project komen te vervallen.
9
BLADECO - BLDPV-105
4.
Beschikbare kennis bij aanvang van het project
Aan het begin van het project was al enige kennis aanwezig met betrekking tot de kernpunten van het project: materialen, LCA en verbindingstechnieken. Veel punten waren gebaseerd op litteratuurverslagen. Een van de taken binnen dit project is bekijken in hoeverre de impressies die aanwezig waren bij aanvang van het project praktisch toepasbaar waren.
4.1. Biologische vezels Naar het gebruik van plantaardige vezels zoals vlas en hennep als versterkers in kunststofmatrices wordt reeds een aantal jaren onderzoek gedaan. De eerste producten komen nu op de markt, hoofdzakelijk binnen de automobiel industrie[7],[8]. Dit betreft nu nog voornamelijk producten als GMT's (Glass -lees vlas- Mat Thermoplastics) waarbij vlasvezels worden gebruikt vanwege hun verstijvende effect (verhoging van de modulus) en niet zozeer ter versterking [9]. Een bijkomend voordeel van natuurlijke vezels ten opzichte van glasvezels is hun geringere dichtheid (1.45 kg/m3 tegen 2.54 kg/m3), waardoor hun specifieke modulus en specifieke sterkte van dezelfde ordegrootte zijn als die van glasvezels. Plantaardige vezels bestaan niet zoals bijvoorbeeld glas uit één continue homogene draad, maar zijn eigenlijk samengestelde vezels. De technische vlasvezel, zoals deze uit de plant wordt gewonnen, is circa 1 meter lang en bestaat weer uit zogenaamde elementaire vezels. Deze elementaire vezels zijn de afzonderlijke plantencellen, ze zijn circa 3 cm lang en 15 tot 25 µm in doorsnee, en ze zijn aan elkaar verbonden via een pectinelaag. Deze pectinelaag is veel zwakker dan de hoog kristallijne cellulose waaruit de elementaire vezels bestaan en dit heeft tot gevolg dat technische vlasvezels een factor 2 zwakker zijn dan de elementaire vezels (800 MPa tegen 1500 MPa). Wanneer de vezels worden gebruikt in een composiet worden ze in principe helemaal benat en goed ingebed, daarom is de verwachting dat de elementair vezels effectief belast kunnen worden en de hoge sterkte van deze vezels kan worden benut. Een voorwaarde hiervoor is wel dat de hechting tussen de vezels en de matrix optimaal is. Gezien de geringe compatibiliteit tussen plantaardige vezels en de gebruikte matrices, zal een compatibiliser moeten worden toegevoegd. De meest ideale compatibiliser zal een covalente binding vormen met de vezel en reageren of mengbaar zijn met de matrix. Voor composieten met polyolefinen wordt vaak gebruik gemaakt van een met maleïnezuur anhydride gegrafte polyolefine als compatibiliser [10], [11], terwijl voor composieten met thermoharders wordt gekozen voor bijvoorbeeld epoxides [12]. Afhankelijk van de matrixkeuze die binnen BLADECO wordt gedaan, zal naar effectieve compatibilisering van de vezel en de matrix moeten worden gezocht. Het feit dat plantaardige vezels niet continu zijn, heeft implicaties voor de verwerking tot composieten [13]. Matten zijn relatief eenvoudig te maken, maar technieken als filament winding zijn niet zonder meer uitvoerbaar. Teneinde voor composiettoepassingen goed verwerkbare vezels te maken kan het nodig zijn om in het vezelvoorbewerkingsproces in te grijpen. De vezels kunnen dan in andere dan standaard vorm -bijvoorbeeld als continu lont- worden aangeleverd. Een verdere toespitsing van de toepassingen van plantaardige vezels als constructiemateriaal in hoogwaardige toepassingen, leert dat er relatief veel ervaring met hout (fineer) op dit vlak is opgedaan. De toepassing van gelamineerd hout als structureel constructiemateriaal werd al in de Tweede Wereldoorlog toegepast in de Havilland Mosquito jachtbommenwerper. Bij de ontdekking van de epoxyharsen als geschikte lijmsoort, werden meer toepassingen mogelijk. Met name in de Verenigde Staten, maar later ook in Europa, werden competitiejachten en ook rotorbladen vervaardigd uit hout-epoxy composieten, Op dit moment zijn er slechts enkele rotorbladproducenten te vinden die in staat zijn om rotorbladen in hout-epoxy uit te voeren. 10
BLADECO - BLDPV-105 Voordelen van hout-epoxy ten opzichte van glas-epoxy, zijn in eerste instantie het gebruik van een hernieuwbaar product als hout ten opzichte van glas; hout kan goed worden gerecycled en/of zonder schadelijke gevolgen worden herverwerkt. Tevens is de hoeveelheid matrixmateriaal (epoxy) in een hout-epoxy product substantieel lager dan in glas-epoxy; circa 20gew. % ten opzichte van 50gew. %! De massa's van rotorbladen die ontworpen zijn met hout-epoxy als constructiemateriaal liggen in dezelfde orde van grootte als bladen die ontworpen zijn met glas-epoxy, bij overigens dezelfde hoofdafmetingen. Andere voordelen van hout-epoxy composieten zijn de weerstand tegen lokale knik, een gunstige stijfheid-sterkte verhouding en goede vermoeiingseigenschappen. Als nadelen dienen de verbindingen en aansluitingen van het fineer genoemd te worden en mede hierdoor het zeer arbeidsintensieve productieproces. De variërende kwaliteit van de grondstof kan eveneens problemen veroorzaken. Recyclingmethoden voor hout-epoxy rotorbladen zijn vooralsnog niet onderzocht, mede vanwege de geringe aantallen geproduceerde producten met deze uitgangsmaterialen.
4.2. Life cycle analysis (LCA) KEMA beeft voor een aantal bedrijven milieugerichte levenscyclusanalyses (LCA) uitgevoerd. Onderwerp van studie waren bijvoorbeeld telecom- en elektriciteitskabels. Tijdens deze analyses is de methode gevolgd die door het centrum voor Milieukunde in Leiden (CML) is ontwikkeld [14]. Bij een LCA wordt onderscheid gemaakt tussen vijf fases: ♦ doelbepaling ♦ inventarisatie ♦ classificatie ♦ evaluatie ♦ analyse In de doelbepalingsfase worden onderwerp, doelstelling, doelgroep en toepassing van de LCA vastgesteld. Uit deze gegevens wordt de benodigde diepgang bepaald. De procesboom wordt opgesteld in de inventarisatiefase. Alle processen die deel uitmaken van de levenscyclus van het beschouwde product worden geïnventariseerd. Vervolgens worden van alle processtappen het gebruik van grondstoffen en energie, en de producten en emissie geïnventariseerd. Tenslotte wordt de tabel van milieuingrepen voor de gehele levenscyclus van een product opgesteld. In de classificatiefase worden de milieuingrepen ingedeeld in een aantal klassen (milieu-thema's) en vervolgens binnen die klassen geaggregeerd met behulp van een tabel met classificatiefactoren. Deze tabel is opgesteld door het CML, in samenwerking met anderen. Voor het uitvoeren van de classificatie wordt veelal het programma SIMAPRO van het ingenieursbureau Pré toegepast. In dit programma is de indeling van het CML nagenoeg overgenomen. De milieuthema's zijn: ♦ broeikas effect (referentie is kooldioxide, CO2) ♦ ozonlaagaantasting (referentie is CFK-11) ♦ verzuring (referentie is sulfaat, S042-) ♦ eutrofiëring (vermesting, het vermogen om biomassa te vormen, referentie is fosfaat PO43-) ♦ zware metalen (referentie is lood, Pb) ♦ carcinogene stoffen (waarschijnlijkheid van het optreden van kanker, referentie is polyaromatische koolwaterstoffen) ♦ winter smog (oorzaak is stof en roet in de lucht) ♦ zomer smog (fotochemische oxydantvorming, referentie is etheen C2H4) ♦ pesticiden ♦ energie gebruik ♦ vast afval 11
BLADECO - BLDPV-105 De klassen stank, geluidsproductie en ruimtebeslag zijn in de uitgevoerde analyses bij KEMA niet gebruikt, omdat ter discussie staat of lokale effecten in het milieuprofiel moeten worden meegerekend en omdat niet alle effecten als milieueffect zijn te beschouwen. De intentie was om in het BLADECO project zowel geluidsproductie als ruimtebeslag mee te nemen. Het resultaat van de classificatiefase is het zogenaamde milieuprofiel; dat is een lijst met voor elke klasse één enkele getalwaarde. In de evaluatiefase moeten de klassen ten opzichte van elkaar worden gewogen om het milieuprofiel te integreren tot één enkel milieukengetal. De evaluatie is veelal het meest subjectieve gedeelte van een LCA. Gezien deze subjectiviteit moet het milieuprofiel worden beschouwd als het hoofdresultaat van de LCA, en de evaluatie als een hulpmiddel voor het beoordelen daarvan. In deze fase worden tevens de validiteit van de gedane veronderstellingen en vereenvoudigingen, en de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de resultaten geëvalueerd. In de analysefase worden de zwaartepunten van de milieu-effecten getraceerd en worden op basis van de doelstelling van de LCA de resultaten geanalyseerd. Door ECN is op basis van de huidige techniek een LCA uitgevoerd van windturbine-bladen [15]. Voor inventarisatie van benodigde gegevens is contact gezocht met een aantal bladfabrikanten. Met de verkregen gegevens is de milieu-impact van rotorbladen berekend met behulp van het softwareprogramma SIMAPRO. De weging is uitgevoerd volgens de Eco-indicator (95) methode waarmee de verschillende milieu-effecten in één getal worden samengevoegd. De beoordeling wordt uitgedrukt in (milli)Punten. Binnen het project zijn de levenscyclusanalyses uitgewerkt van een 500 kW-, 750 kW- en een 1 MW-rotorblad. Rotorbladen bestaan hoofdzakelijk uit glasvezel versterkt kunststof (GVK), het 750 kW-blad is gemaakt van hout met GVK-huid. Dit thermohardermateriaal (GVK) garandeert een stevige constructie. De milieu-impact is voor het houten 750 kW-blad het laagst (4.83 pt), gevolgd door het 500 kW GVK-blad (6.14 pt). Het 1 MW-blad heeft de meeste milieu-impact met een score van 16.8 pt. De onderdelen zomer smog en energie leveren voor alle bladen de hoogste milieu-impact. Verbranden van de afvalstroom met terugwinning van elektriciteit levert het beste resultaat op, gevolgd door verwerking in het ERCOM-proces waarbij het materiaal verwerkt wordt in nieuwe GVK-produkten en in de cementindustrie. De ecologische terugverdientijd kan berekend worden door de milieu-impact van een turbine over 15 jaar uit te zetten tegen de impact van elektriciteitsproductie met een energiecentrale. De ecologische terugverdientijd van de beschouwde 750 kW-turbine ligt op 2.5 maanden, van de 500 kW-turbine op 3.3 maanden en van de 1 MW turbine op 5 maanden.
4.3. Recycling T.a.v. recycling heeft ECN de afgelopen jaren de mogelijkheden voor glasvezel versterkte kunststoffen (GVK) onderzocht. Aan het begin van het project lijken er vier min of meer bewezen technieken te bestaan ter verwerking van GVK's [16]: Hergebruik van gegranuleerd materiaal (ERCOM-proces) Het ERCOM-proces, operabel sinds begin 1992, bestaat uit de volgende stappen: Een mobiele shredding truck maalt GVK-afval ter plekke van de ontmanteling- en productieplaatsen, om transportkosten te reduceren (de dichtheid van het afval wordt vergroot). Het gecompacteerde materiaal wordt vervoerd naar de fractioneringsfabriek in Rastatt, Duitsland. Een groot scala van vezelrijk materiaal wordt terugverkocht aan producenten van SMC's (sheet moulded compounds) en BMC's (bulk moulded compounds). 12
BLADECO - BLDPV-105 Pyrolyse Bij het pyrolyseproces worden macromoleculen bij hoge temperatuur (550-800°C) onder uitsluiting van zuurstof gekraakt. De producten zijn pyrolyse olie en gas. Verder blijft een vast residu over, waarvan de samenstelling afhankelijk is van de herkomst van het afval. De pyrolyse olie is van een kwaliteit die vergelijkbaar of beter is dan aardolie en daardoor dus goed door de petrochemische industrie te verwerken is. De vrijkomende gassen zijn na reiniging geschikt om ter plekke als energiebron voor het proces te dienen. Hydrogeneren Bij het hydrogeneringsproces worden bij verhoogde temperatuur (380-500°C) -C-C- bindingen onder invloed van waterstof (200-400 bar) verbroken tot -C-H H-C-. Ook hier zijn de producten olie en gas, met dezelfde verwerkingsmogelijkheden als in de pyrolyse. Hierbij kan aangetekend worden dat het ontstaan van schadelijke gassen aanzienlijk minder is dan bij pyrolyse. Verbranding De chemische bindingen in polymeren vertegenwoordigen een hoge calorische waarde. Plastics kunnen daarom heel goed in geavanceerde (= schone) verbrandingsinstallaties als brandstof gebruikt worden voor opwekking van bijvoorbeeld stroom. In dit geval wordt plastic gezien als tussenstadium tussen aardolie en stookolie voor de elektriciteitsopwekking. Het merendeel van de gewonnen olie wordt nog als directe energiebron gebruikt.
4.4. Verbindingstechnieken Vele typen verbindingen zijn mogelijk bij construeren in kunststof [17]. Voor de verbindingstechnieken van rotorblad materialen wordt in eerste instantie gedacht aan mechanische verbindingen, lijmen of een combinatie van beide. Misschien zijn voor nieuwe materialen ook andere verbindingen (lassen) mogelijk. Een voorbeeld van een bekende mechanische verbinding is de z.g. T -bout verbinding [18], [19]. Deze verbinding is reeds toegepast in de tachtiger jaren voor de DEBRA 25 turbine. Deze verbindingstechniek is later door andere fabrikanten van rotorbladen overgenomen voor de aansluiting van het rotorblad op de naaf van de windturbine. Door de TUD (WMC groep in het Stevin lab) is onderzoek verricht naar het gedrag van deze verbinding [20]. Gedurende het BLADECO project is in de TUD (WMC groep in het Stevin lab) een onderzoek naar een productietechnisch meer geoptimaliseerde uitvoering van de bladwortel met deze verbinding uitgevoerd in het kader van een Europees research programma [21]. Lijmverbindingen worden in vele kunststof producten toepast [23] en zijn mogelijk goed bruikbaar om rotorbladonderdelen te assembleren. In de huidige bladproductie worden de verschillende bladhelften ook gedeeltelijk verlijmd zodat daar bij de bladfabrikanten ervaring aanwezig is. Lijmverbindingen hebben het nadeel dat zij niet losneembaar zijn. Combinaties van een mechanische en een lijmverbinding, zijn die verbindingen waarbij de metalen delen (studs, inserts) worden ingelijmd. Deze metalen delen vormen dan de demontabele verbinding. Een voorbeeld hiervan zijn de ingelijmde (of ingelamineerde) studs of inserts voor de bladwordtelverbinding. Ook deze verbindingen worden regelmatig beproefd door de TUD (WMC groep in het Stevin lab). Een mogelijke uitvoering van een rotorblad in onderdelen, wordt momenteel bij zweefvliegtuigen toegepast. Hierbij wordt de verlengde hoofdligger van een vleugeldeel gestoken in het volgende en met verschillende middelen gefixeerd. Dit concept zal moeten worden aangepast aan de specifieke condities en afmetingen van een rotorblad. 13
BLADECO - BLDPV-105
5.
Uitgevoerde werkzaamheden en resultaten
In fase 4 zijn een vijftal conceptontwerpen gemaakt. Het denken in traditionele ontwerpen, materialen en productiewijzen is daarmee doorbroken. Dit maakte het mogelijk de fasen 2 en 3 opnieuw op te starten. Door het faillissement van Aerpac, de naar voren gehaalde lange fase 4 ervoor en het tijdsverlies met de overdracht van het penvoerderschap, zijn fasen 5 t/m 10 niet uitgevoerd.
5.1. Fase 1: Materiaalselectie, LCA en recycling 5.1.1. Inleiding In de eerste fase van het project is onderzoek gedaan naar de toepasbaarheid van meer milieuvriendelijke materialen in turbinebladen. Aan de hand van informatie over de materialen die in het huidige blad (de APX 29) gebruikt worden en de constructie van het huidige turbineblad is een materialenlijst samengesteld met daarin mogelijke alternatieve materialen, gesorteerd per materiaalsoort. Via literatuurbronnen en fabrikanten is informatie verzameld over deze alternatieve materialen. Naast deze materialenlijst is een lijst opgesteld met selectiecriteria waaraan de alternatieve materialen moeten voldoen. Koppeling van de lijsten heeft geleid tot een selectie van mogelijk geschikte materialen. De milieuvriendelijkheid van deze materialen en materiaal combinaties is onderzocht in een LCA. Omdat van verschillende materialen en materiaalcombinaties geen goede eigenschappen profielen voorhanden waren is een gedeelte van de korte duurtesten uit fase 2 naar voren getrokken. Aan het eind van fase 1 bleek dat het door de tegenvallende eigenschappen van de alternatieve materialen niet mogelijk was de APX 29 één op één uit alternatieve materialen op te bouwen. Omdat bovendien het APX 29 blad geoptimaliseerd is voor het huidige glas/Epoxy systeem is besloten om de herontwerpfase van fase 4 naar voren te halen waarbij, uitgaande van de alternatieve materialen, nieuwe mogelijke bladontwerpen zijn gemaakt. Op deze manier is de toepasbaarheid van alternatieve materialen vergroot en kon tevens de bladdelingen uit fase 3 meegenomen worden in de studie. Na de ontwerpfase is de LCA vervolgens aangepast aan de hand van de nieuwe ontwerpen. Een samenvatting van de LCA studies is te vinden in hoofdstuk 5.1.5. 5.1.2. Materiaalselectie Inleiding Het doel van de eerste fase van het Bladeco project was het identificeren van meer milieuvriendelijke materialen die geschikt zijn voor toepassing in turbinebladen. De totale lengte van het traditionele APX 29 windturbine blad bedraagt ongeveer 14 meter en het gewicht bedraagt circa 650 kg. Het blad wordt vervaardigd van glasvezelversterkte (epoxy)kunststof met PVCschuim. De productie geschiedt grotendeels handmatig volgens de zogeheten hand-lay-up methode: allereerst worden de benodigde glasvezelmatten op maat geknipt en in een voorverwarmde matrijs gelegd. Hierna worden de glasmatten handmatig met epoxyhars geïmpregneerd. Na deze cyclus enkele malen te hebben herhaald, worden op maat gesneden PVC-schuimblokjes aangebracht. In de omgeving waar de afstandhouder moet komen wordt de zogeheten gording aangebracht. Het geheel hardt in enkele uren verder uit door een geleidelijke doorwarming van de matrijs. De andere bladhelft wordt op een overeenkomstige wijze geconstrueerd, waarna beide helften met behulp van epoxy lijmpasta op elkaar worden bevestigd. Figuur 1 geeft schematisch de opbouw van een rotorblad weer.
14
BLADECO - BLDPV-105
Figuur 1 Schematische weergave van de opbouw van een rotorblad In deze figuur worden de volgende constructieve onderdelen onderscheiden: A: Epoxy-glasvezel laminaat opgebouwd uit glasmatten. B: Gesloten PVC schuim met een dichtheid van 60 kg/m3. A en B: Vormen samen de huid van het blad die uitknikken van het blad voorkomt. Aan de buitenzijde van de huid wordt een polyester gelcoat aangebracht om de UV bestendigheid te verbeteren. C: Gording uit UD glasvezel en epoxy zorgt voor de stijfheid van het blad D: PVC of PS schuim van 60 kg/m3, fungeert als afstandhouder. E: Laminaat uit glasvezel weefsel en epoxy. F: Epoxy lijmpasta. Materiaallijst Op basis van deze informatie over het windturbineblad zijn de gebruikte materialen opgedeeld in verschillende materiaaltypen namelijk versterkingsmaterialen, matrixmaterialen, schuimen of sandwich materialen, lijmen, gelcoat en hybride systemen. De hybride systemen vervangen niet direct één van de nu gebruikte materialen, maar zijn een alternatief voor complete constructieve onderdelen van het rotorblad zoals bijvoorbeeld de huid. Alle partners hebben bijgedragen bij het opstellen van een materialenlijst met mogelijk geschikte vervangingsmaterialen. Deze materialenlijst is weergegeven in Tabel 2. Van alle genoemde materialen en materiaalgroepen is vervolgens de benodigde informatie verzameld door middel van literatuur onderzoeken en bezoeken aan producenten.
15
BLADECO - BLDPV-105 Tabel 2 Materiaallijst per materiaalsoort Versterkingsmaterialen (nu E-glas) Natuurlijke vezels: Vlas, Jute, Ramie, Cocos, Bamboe, Katoen, Stro, Hennep, Maïs. “High performance” vezels: Koolstof (PAN, teer), Polyetheen, S-glas, Aramide (49 of 149), M5, Staalvezels. Hout: Berk, Beuk, Balsa, Den, Spar, Populier, Eik Verduurzaamd hout en Plato hout, Geacetyleerd hout, Plato vezels, gesponnen vezels: cellulose vezels (viscose). Matrix materialen (nu epoxy) Thermohardende matrices:
Onverzadigd polyester (UP), Vinylesters, (VE), Polyurethanen (PUR), Formaldehyde harsen (PF, UF, MF), Megithan, Lignine harsen, Cebeco hars.
Thermoplastische matrices:
Polypropyleen (PP), UltraHighMolecularWeight Polyethyleen (UHMWPE), HighDensity Polyethyleen (HDPE) Nylon, Carilon, Polycarbonaat (PC), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimide (PEI), Polyalkeenterephtalaat (PET/PBT), Acrylonitrilbutadieenstyreen (ABS), Styreenacrylonitril (SAN), Polymethylmethacrylaat (PMMA), CelluloseAcetaat (CA). Schuimen/sandwich (nu PVC en soms PS) Thermohardende schuimen: Polyester (UP), Polyurethaan (PUR), Phenol-formaldehyde (PF), Ureumformaldehyde (UF). Thermoplastische schuimen:
Polypropyleen (PP), Polyethyleen (PE), Polystyreen (PS), Polyvinylchloride (PVC).
Natuurlijke schuimen:
CelluloseAcetaat (CA), Polylactide (PL), Zetmeel, Ethyleenvinylacetaat (EVA). Natuur rubber. Golfkarton, Honingraat structuur, papier, Stro (AtoutVent).
Elastomere schuimen: Alternatieve materialen: Lijmen (nu epoxy) Thermohardende lijmen: Lijmen op waterbasis: Hot melts: Gelcoat (nu polyester) Hybride systemen en overige materialen:
Polyester (EP), Polyurethaan (PUR), etc. (zie matrix materialen) Zetmeel, Lignine, Inuline, Eiwitlijmen (Caseïne, Collageen), Polyvinylacetaat (PVA) Ethyleenvinylacetaat (EVA), Polyvinylacetaat (PVA), thermoplasten Acrylaten. Aluminium-Polymeercomposieten (Glare), AramideAluminium systemen (ARAL), Hout-glasvezel-epoxy composieten, Hout-natuurlijke vezel-epoxy composieten, “Hilite” (Hoogovens), Trespa platen (Hoge dichtheid spaanderplaten), Co-mingled systemen (meerdere vezels tegelijk mengen), Poeder (thermoplast) geïmpregneerde glasvezels voor gording, RTM/ GMT systemen.
16
BLADECO - BLDPV-105 Selectiecriteria Naast het opzetten van een materialenlijst is gewerkt aan een lijst met selectiecriteria. Deze selectiecriteria kunnen worden opgedeeld in drie groepen (zie Tabel 3): criteria die de prijs van het eindproduct bepalen, criteria voor de materiaaleigenschappen en criteria die de milieuaspecten betreffen. Prijs eindproduct
Tabel 3 Selectiecriteria Materiaaleigenschappen
* prijs materialen * verwerkbaarheid * specifieke eigenschappen * verschijningsvorm * toxiciteit (beschermende maatregelen)
* mechanische eigenschappen (ook specifiek) * duurzaamheid * vochtbestendigheid * temperatuurbestendigheid
Milieuaspecten * recyclebaarheid * toxiciteit * milieu-impact bij productie * publieke opinie
♦ De groep “Prijs materialen” moet als totaalplaatje een goedkoper alternatief bieden aan de huidige uitvoeringsvorm. ♦ De groep “Materiaaleigenschappen” moet als totaal (met of zonder kunstgrepen) een minimaal net zo goed product opleveren als het huidige product in glas-epoxy. ♦ De groep “Milieuaspecten” worden aan de hand van de LCA resultaten bepaald. Materiaalselectie Koppeling van de materiaallijst, de materiaalgegevens en de selectiecriteria heeft een beperkte keuze aan alternatieve materialen opgeleverd, waaraan in eerste instantie de LCA analyse is uitgevoerd (zie Tabel 4). Deze eerste analyse is beschreven in de oorspronkelijke rapportage over fase 1 [24] Tabel 4 Geselecteerde materialen voor de LCA analyse Materiaal functie Huidig materiaal Alternatieve materialen Matrix Epoxy Polyester Ureumformaldehyde Polyurethaan Megithan Polypropyleen Versterking E-glas Vlas Hennep Hout Schuim Polyvinylchloride (PVC) Polystyreen (PS) Cellulose diacetaat (CD) De eigenschappen van deze materialen bleken uiteindelijk niet voldoende om het APX 29 blad mee te kunnen vervangen, waarna een herontwerpfase (fase 4.1) is gevolgd en er uiteindelijk een uitgebreidere LCA is uitgevoerd (zie 5.1.5).
17
BLADECO - BLDPV-105 5.1.3. Einde levensduur scenario’s Inleiding Een belangrijke reden om windturbinebladen te construeren uit alternatieve, meer milieuvriendelijke materialen is dat er geen goede verwerkingsmogelijkheden zijn voor afgedankte turbinebladen. Omdat het aantal windturbines dat over de gehele wereld in gebruik is sterk toeneemt neemt in de toekomst ook het afval probleem toe. De mogelijkheden voor afvalverwerking van een APX 29 turbineblad en voor de alternatieve systemen en de haalbaarheid van de verschillende opties worden in dit hoofdstuk toegelicht. De materiaalsystemen die onderzocht zijn worden weergegeven in Tabel 5. De mogelijke end-of-life scenario’s die onderzocht zijn zijn recycling (meestal downcycling), verbranding met energieterugwinning, pyrolyse, en vergassing. Als doelstelling voor het onderzoek is gehanteerd de centrale vraag: Welke recyclingopties en/of verwerkingsmogelijkheden zijn toepasbaar voor bovengenoemde varianten met de hiervoor aangegeven criteria. Tabel 5 Materiaalsystemen die onderzocht zijn op herverwerkingsmogelijkheden. Matrix Vezel Schuim Gelcoat Epoxy
Glas
PVC
Polyester
Epoxy
Glas
PS
Polyester
Epoxy
Vlas
PVC
Polyester
Megithan
Glas
PVC
Polyester
Polyester
Glas
PVC
Polyester
Polypropeen
Glas
Hout
Polyester Polyester
Voorbehandelingstechnieken Voor elke potentiële verwerkingstechniek geldt dat voorverkleining een essentiële stap voorafgaand aan de eigenlijke verwerking is. De verwachting is dat deze voorverkleining bij windturbinebladen technisch gesproken moeilijk zal zijn. Er zijn diverse soorten shredders en hamermolens geschikt voor verkleining van glasvezelversterkt thermohardermateriaal. Hierbij moet opgemerkt worden dat epoxy moeilijker te verkleinen is dan polyester. Een mogelijkheid voor verkleining is het ERCOMprocédé waarbij het materiaal geshredderd en vervolgens, in fracties, gezeefd wordt. Het huidige ERCOM procédé is waarschijnlijk niet direct toepasbaar voor windturbinebladen. In Tabel 6 worden de procesgegevens van het ERCOM proces weergegeven. Tabel 6 Procesgegevens ERCOM Totaal dieselverbruik: 0,029 l per kg recyclaat. Gemiddelde transportafstand van het product is 250 km Input: SMC-recyclaat voorverkleind: 1 kg Elektrische energie: 0,175 kWh Thermische energie aardgas: 0,53 MJ Output: Verkleind recyclaat: 0,975 kg Metaaldelen als reststof: 0,025 kg Stof wordt opnieuw in het proces ingevoerd
18
BLADECO - BLDPV-105 Er zijn diverse soorten apparatuur voor verkleining van de meest uiteenlopende materialen. In het algemeen kan worden opgemerkt dat het energieverbruik van de apparatuur afhankelijk is van een tweetal factoren, namelijk het soort materiaal (hardheid) en het gewenste formaat. Finale verwerkingsmogelijkheden Recycling/downcycling Hoewel recycling van vezelversterkt thermoharder-materiaal mogelijk is, is er weinig van bekend aangezien de aandacht meer op recycling van thermoplasten ligt. Bij hergebruik van vezel versterkte thermoharders is er altijd sprake van downcycling. Bij hoogwaardige toepassingen wordt namelijk gebruik gemaakt van zeer lange vezels welke bij recycling en/of hergebruik altijd verkort worden zodat ze niet voor een zelfde toepassing geschikt zijn. Het HIDO-thermosets procédé is gericht op hergebruik van de glasfractie en de harsfractie. Na verkleining van het materiaal, door toepassing van een shredderproces, worden de fracties van elkaar gescheiden door naar alle waarschijnlijkheid een solvolyseproces. Gegevens omtrent het proces worden door HIDO niet vrijgegeven. Het proces is geschikt voor verwerking van glasvezelversterkt thermoharder-materiaal. Het vrijkomende materiaal kan voor een aantal toepassingen ingezet worden. Een probleem bij de verwerking van turbinebladen kan de fractie PVC-foam zijn. Deze moet waarschijnlijk voor verwerking verwijderd worden. De emissies behorende bij het HIDO-proces worden niet omschreven. Verbranding met terugwinning van energie Bij verbranding van afvalstoffen wordt het gewicht tot ongeveer de helft gereduceerd doordat de glasvezelfractie bij de gebruikelijke temperaturen niet verbrandt, maar als slak in de verbrandingsoven achterblijft. Bij verbranding bestaat de mogelijkheid tot energie-opwekking. Per ton afval kan gemiddeld 0,5 MWh aan elektrische energie worden opgewekt. De verbranding kan plaatsvinden in AVI’s, afvalverbrandingsinstallaties. Het zware residu dat van het rooster verwijderd wordt is de AVI-bodemas en het lichte stof dat met de rookgassen meegevoerd en door filters afgevangen wordt is het AVI-vliegas. De materialen die in het verbrandingsproces ingebracht worden, worden opgemengd met huishoudelijk afval. Hierdoor zijn geen nauwkeurige gegevens bekend behorende bij de verbranding van turbineblad-materialen. De emissies die vrijkomen uit een AVI bestaan uit vaste componenten (bodemas en vliegas) en gasvormige componenten (rookgassen). De afvalstroom bodemas kan volledig ingezet worden in civieltechnische toepassingen. Gemiddeld kan 20% van de vrijkomende hoeveelheid vliegas toegepast worden als vulstof in asfaltbeton, het overige deel wordt gecontroleerd opgeslagen. De hoeveelheid rookgas reinigings-residu wordt gecontroleerd gestort. Gedurende fase 1 zijn, uitgaande van een studie van het Centrum voor Energiebesparing en Schone Technologie (CE) [25] de emissies bepaald van de huidige materialen die toegepast worden in turbinebladen en voor enkele alternatieve materialen. In Tabel 7 worden de resultaten van dit onderzoek weergegeven. Opvallende resultaten zijn de relatief grote hoeveelheden zware metalen in voornamelijk de gelcoat, maar ook in het polystyreenschuim en de glasvezels. Algemeen bekend maar ook duidelijk naar voren komend in de resultaten is de slechte geschiktheid van glas voor verbranding in een AVI installatie. De resultaten uit deze bepalingen zijn verwerkt in de LCA.
19
BLADECO - BLDPV-105 Tabel 7 Emissies die optreden bij de verbranding van materialen die toegepast (kunnen) worden in turbinebladen Materiaal Cr Co Ni Cu Zn Cd Sb Pb Hg verbr1 asrest mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg MJ/kg wt% Detectie limiet 5,5 1,5 2,9 0,3 0,3 0,28 2,0 11,7 0,014 (mg/kg) Gelcoat UP hars
5.4
274.7
Ampreg EP hars
1.9
0.9
PVC schuim
0.8
0.6
25.4
4.1
41.48 3.9
3.0
27.43 3.68
PS schuim
423.3
62.5
Megithan Hars E-glas vezel
44.1 4.3
39.0
3.4
34.2
13.3
26.5
27.03 9.2 32.22 7.0 16.3
7.0
64.8
Hout
21.97 0.6
1.76
90.5
18.7
0.38
1
Verbrandingswaarde NB: lege cellen betekent gemeten waarden kleiner dan de detectie limiet. Verwerking in cementoven Directe verbranding in een cementoven kan worden toegepast om (de kosten van) fossiele brandstoffen te besparen. In een cementoven kunnen de meest uiteenlopende brandbare reststoffen bijgestookt worden. Verder kunnen hoogovenslak, bodemas en vliegas op grote schaal benut worden ter vervanging van de grondstoffen leem en mergel. Een voordeel van toepassing van reststoffen is dat dit op grote schaal uitgevoerd kan worden. In de APME-rapportage “An alternative fuel for cement-production” [26] wordt een emissieoverzicht weergegeven indien Mixed Plastic Waste als brandstof in de cementindustrie ingezet wordt. Pyrolyse Kunststofafval, rubberafval en organisch materiaal worden bij een temperatuur lager dan 900º C en onder uitsluiting van zuurstof omgezet in uitgangsstoffen en/of kleinere koolwaterstofketens. De omzetting kan bijvoorbeeld plaats vinden in een wervelbedverbranding. Bij het proces ontstaat cokes, pyrolyse-olie en pyrolyse-gas met een hoge calorische waarde. De componenten verhoudingen zijn afhankelijk van de bedrijfstemperatuur en de ingevoerde afvalmaterialen. 20
BLADECO - BLDPV-105 Enkele karakteristieken voor pyrolyse zijn: ♦ geringe te reinigen gashoeveelheden; ♦ optimale terugwinning van de in de materialenmix opgesloten energie; ♦ energie komt vrij in hanteerbare vorm (olie en gas); ♦ het cokes residu heeft een intrinsieke waarde als brandstof of als actieve kool. Toepassing van het pyrolyseproces is mogelijk voor vele variëteiten koolwaterstofverbindingen. Voor het pyrolyseproces zijn vrijkomende emissies bepaald uitgaande van de invoer van Mixed Plastic Waste. Om emissies specifiek voor het APX-29 rotorblad te achterhalen moeten karakterisering- en verbrandingsproeven van de toegepaste materialen uitgevoerd worden. Conclusies In de komende jaren worden zullen grote aantallen rotorbladen vervaardigd van glasvezel versterkte kunststoffen op de markt komen. Bij huidige windturbine ontwikkelingen richt men zich met name op gewichtsreductie, gebruiksduurverlenging en kostprijsreductie. Gelet op de toename van toepassing van windturbines over de gehele wereld zou de vrijkomende afvalstroom van afgedankte turbinebladen en afval dat vrijkomt bij de productie in de toekomst een groot probleem kunnen gaan vormen. Gezien de samenstelling van windturbinebladen lijkt recycling, d.w.z. materiaalhergebruik voor dezelfde toepassing, niet haalbaar. Downcycling processen als HIDO en ERCOM lijken enig perspectief te bieden. Verbranding van turbinebladen met energieterugwinning is een reële mogelijkheid, hetzij in AVI’s hetzij anderszins bijvoorbeeld in cementovens. Uit levenscyclus analyse (LCA) is gebleken dat de milieueffecten van verbranding met energieterugwinning minder dan 10% van het totaal bedragen. 5.1.4. Materiaalproeven Inleiding In het oorspronkelijke Bladeco projectvoorstel waren geen materiaalproeven opgenomen voor fase 1. Tijdens de selectie procedure is echter gebleken dat van enkele materialen geen geschikte informatie over de verwerkbaarheid en de mechanische eigenschappen voorhanden was. Van vlas was bijvoorbeeld wel informatie beschikbaar over de individuele vezelsterkte, maar er was geen informatie over de mechanische eigenschappen van een vlas/epoxy composietmateriaal. Ook de verwerkbaarheid van Megithan kon alleen bepaald worden door het materiaal zelf te verwerken. Een gedeelte van de materiaalproeven uit fase 2 is naar voren geschoven om deze benodigde gegevens zelf te bepalen. In de uitleg over de constructie van het windmolenblad is naar voren gekomen dat het onderdeel dat het meest bijdraagt tot de sterkte van het blad de gording is (zie Figuur 1). Deze gording bestaat uit Uni-Directionele (UD) glasvezels die ingebed zijn in een epoxy matrix. Wanneer composietmaterialen voldoende mechanische eigenschappen hebben om in de gording toegepast te kunnen worden kan tevens aangenomen dat het in alle overige onderdelen van het blad voldoet. Voor de korte duur testen zijn de composietmaterialen gemaakt die vergelijkbaar zijn met de gording uit het windmolen blad met behulp van pultrusie. Materiaalproductie via pultrusie Voor pultrusie is gebruik gemaakt van 2 mal typen: een cilindrische mal (diameter: 6 mm, lengte 21.5 mm) voor het maken van compressiemonsters en een rechthoekige mal (4x10x155 mm) voor het maken van buig- en ILSS-monsters. De vezelversterkingsmaterialen werden geknipt in lengten van respectievelijk 360 mm voor de vierkante mallen en 460 mm voor ronde mallen. Vervolgens werden hiervan vezelbundels gemaakt van respectievelijk 5.5 en 5.0 g. Deze vezelsbundels werden gedroogd, geïmpregneerd met hars en in een pultrusiemal getrokken. De overmaat hars en eventuele luchtbellen worden hierbij uit de vezelbundels geperst. De resulterende composietmaterialen 21
BLADECO - BLDPV-105 hadden een vezelgehalte van ca. 50% v/v. De composieten werden overnacht geprecured bij 35°C, en overnacht gecured bij 70°C. Voor de materiaaltesten werden de composietmaterialen met behulp van een diamantzaag op maat gezaagd. Tabel 8 geeft een overzicht van de gebruikte matrix materialen. De vezelversterkingsmaterialen die zijn meegenomen in de materiaaltesten zijn het referentie materiaal E-glas en de alternatieve materialen warm waterroot vlas en CERES vlas. Bovendien is met behulp van extra experimenten de invloed van de voorbehandeling van vlas op de composiet eigenschappen bepaald. Dit om te identificeren hoe het vlas optimaal kan worden voorbehandeld. Tabel 8 Matrix materialen die gebruikt zijn voor materiaalproeven Hars Harder Versneller Ampreg 20 Ultra Slow n.v.t.
Soort Epoxy Polyester
Synolite 0175N1
Butanox LPT
Cobalt NL-49P
Natuurlijk polyurethaan
Megithan 2MDVP615N
Megidur M330
n.v.t.
MF
Maduriet 909
n.v.t.
n.v.t.
PF
PF B21
n.v.t.
n.v.t.
MUF
Melurex 5120
n.v.t.
n.v.t.
Materiaaltesten Om een goed beeld te verkrijgen van de mechanische eigenschappen zijn de geproduceerde UD composietmaterialen onderworpen aan verschillende testen. Compressie testen zijn uitgevoerd met een snelheid van 1 mm/min aan monsters met een lengte 25 mm (ATO) respectievelijk 30 mm (TU Delft) en een diameter van ca. 6 mm, zie Figuur 2.
Test specimen Rekstrookje
Figuur 2 Testopstelling TUD compressietesten (met stalen dummy proefstuk)
22
BLADECO - BLDPV-105 BLADECO materiaal test :1c
Fo rc e [k N]
BLADECO materiaal test :17c
Fmax = 19.1 kN
24
24
22
22
20
20
18
18
16
16
14
14
12
12
10
10
8
Fo rc e [k N]
6 4
Fmax = 14.8 kN
8 6 4 2
2
0
0 0
5000
10000 6
St ra i n [10]
15000
20000
25000
0
5000
10000
15000
20000
25000
6
Strai n [10 ]
Figuur 3 Resultaten druktesten TU Delft op glas (links) en vlasvezel (na toepassing verbeteringstechnieken, rechts) Bij de TU Delft zijn met behulp van 3 rekstrookjes in de lengterichting van het proefstuk (om de 120º) nauwkeurig de modulus (stijfheid) van de compressiemonsters bepaald, zie Figuur 3. De resultaten van de drie rekstrookjes getoond als drie lijnen in de figuur dienen verder ter controle van de kwaliteit van de belasting. Zuiver centrische druk, zonder buiging leidt tot identieke rekken bij kleine belastingen. Bij grotere belastingen kan door gedeeltelijk bezwijken of instabiliteit verschil op gaan treden, zie bij voorbeeld de rode lijn in de rechter figuur. Buigtesten zijn uitgevoerd bij een snelheid van 2 mm/min met een opleglengte van 64 mm (monsterlengte 80 mm, monsterdikte 4mm). ILSS-testen zijn uitgevoerd bij een snelheid van 1 mm/min met een opleglengte van 20 mm (monsterlengte 25 mm, monsterdikte 4 mm). Resultaten De resultaten van de korteduurtesten zijn gerangschikt in kleinere tabellen om een goede vergelijking te kunnen maken tussen de verschillende matrix materialen en vezelversterkingsmaterialen. Tabel 9 geeft de individuele vezelsterkte van de verschillende versterkingsmaterialen weer. Tabel 9 Individuele vezelsterkte van de verschillende versterkingsmaterialen. Vezel Dichtheid Treksterkte E-modulus 3 [soort] [kg/m ] [MPa] [GPa] Waterrootvlas 1.4 911 ± 192 50 - 60 Dauwrootvlas 1.4 733 ± 99 50 - 60 Waterrootvlas ontvet 1.4 760 ± 59 50 - 60 CERES vlas 1.4 737 ± 57 50 - 60 Elementaire vlasvezels 1.4 1800 70 E-glas 2.6 2600 73 23
BLADECO - BLDPV-105 Uit de gegevens kan opgemerkt worden dat de voorbehandeling van het vlas bepalend is voor de vezelsterkte. Waterrootvlas is duidelijk sterker dan dauwrootvlas. Ook vermindert de sterkte van vlas door het ontvetten en door de CERES behandeling. Wordt bij vlas gekeken naar de elementaire vezels i.p.v de technische vezels dan blijken deze beduidend sterker te zijn. Door de veel lagere dichtheid van vlas ten opzichte van glas is de specifieke sterkte van de elementaire vlasvezels vergelijkbaar met de specifieke sterkte van glasvezels. De moduli (stijfheid) van de verschillende versterkingsmaterialen zijn van een zelfde orde grootte. In Tabel 10 worden de resultaten vermeld van epoxy hars versterkt met vlasvezels die verschillende voorbehandelingen hebben ondergaan. Standaard vlas is warmwaterrootvlas dat gedroogd is voor pultrusie. Ook ontvet vlas, dauwroot vlas en CERES vlas zijn gedroogd voor pultrusie. Tabel 10 Invloed van de voorbehandeling van vlas op de mechanische eigenschappen van epoxy-vlas composietmaterialen. Compressie buig Buig Compressie Materiaal ILSS σ E-mod σ E-mod 2 τ [GPa] [GPa] [MPa] [MPa] [MPa] (vlas /Ampreg) Standaard Nat
1 2
16.3±1.4
294±12
26.4±1.4
143±8
293±7
21.4±1.2
111±71
Ontvet
137±13
Dauwroot
121±7
Ceres
152±7
22.7±1.3 385±19 32.7±3.5 zonder pre-cure gemeten door TU-Delft m.b.v. rekstrookjes
30
34
Uit de metingen blijkt dat de voorbehandeling van het vlas niet alleen invloed heeft op de vezelsterkte maar ook op de sterkte van de composietmaterialen. De materialen die versterkt zijn met CERES vlas zijn duidelijk het sterkst en stijfst. Ook blijkt dat het drogen van de vlas vezels essentieel is. Het ontvetten van de vezels heeft echter geen duidelijke invloed op de composieteigenschappen. Verder kan geconcludeerd worden dat warmwaterroot vlas beter voldoet dan dauwroot vlas.In een volgende stap zijn vlasvezels vergeleken met de standaard glasvezels. Als matrixmaterialen is gekozen voor Ampreg (epoxy, standaard matrixmateriaal van Aerpac) en Synolite (polyester, ook veel gebruikt in windmolenwieken en vergelijkbare toepassingen). Uit Tabel 11 blijkt dat de glasvezel composieten beduidend betere eigenschappen hebben dan de vlasvezel composieten. Wel zijn materialen die gemaakt zijn met CERES vlas beter dan materialen uit standaard vlas. Opvallend is dat vooral de sterkte van de vlascomposieten minder is en dat de modulus (stijfheid) van dezelfde orde grootte is. SEM onderzoek heeft aangetoond dat de tegenvallende eigenschappen veroorzaakt worden door een slechte hechting tussen de vlasvezels en de matrixmaterialen.
24
BLADECO - BLDPV-105 Tabel 11 Vergelijking van de mechanische eigenschappen van composiet materialen versterkt met glasvezels en met vlasvezels. Materiaal ILSS buig Buig Compressie Compressie τ σ E-mod σ E-mod 2 [GPa] (vezel/matrix) [MPa] [MPa] [GPa] [MPa]
1 2
vlas1/Ampreg
16.3±1.4
294±12
26.4±1.4
143±8
30
Ceres/Ampreg
22.7±1.3
385±19
32.7±3.5
152±7
34
glas/Ampreg
65.4±2.2
1055±106
40.3±3.9
595±81
33
vlas1/Synolite
241±12
19.9±1.1
135±4
34
Ceres/Synolite
324±27
28.7±4.2
146±11
glas/Synolite
1036±253
36.3±7.0
792±143
36
warmwaterrootvlas, gedroogd voor pultrusie. gemeten door TU-Delft m.b.v. rekstrookjes
Tenslotte geeft Tabel 12 resultaten weer van experimenten met alternatieve matrices. Tabel 12 Composietmaterialen uit alternatieve matrix materialen. ILSS buig Buig Compressie Compressie σ E-mod σ E-mod 1 τ (vezel/matrix) [GPa] [MPa] [GPa] [MPa] [MPa] Materiaal
vlas/megithan
252±6
24.2±1.8
ceres/megithan
128±7
glas/megithan
1
104±8
726±38
33.7±0.9
434±31
vlas/MUF
10.2±0.8
149±11
glas/MUF
7.2±0.7
72±11
vlas/PF
49±4
vlas/MF gemeten door TU-Delft m.b.v. rekstrookjes
31±6
31
Alleen de glas/megithan composieten bezitten redelijke eigenschappen. De verwerkbaarheid van megithan is echter problematisch gezien de hoge viscositeit en de korte pot-life (tijd waarin de hars verwerkt kan worden). De slechte eigenschappen zijn wat betreft de formaldehyde harsen (MUF, PF en MF) te verklaren met de verwerking van de harsen. Deze harsen worden opgelost in water. Dit water verdampt gedeeltelijk tijdens de curing van de harsen waardoor een poreus materiaal ontstaat. Tenslotte is opvallend dat het vlas/MUF composiet betere eigenschappen vertoont dan het glas/MUF composiet. Dit is de enige hars waarbij met vlas betere resultaten worden behaald, waarschijnlijk door een betere vezel matrix hechting. 25
BLADECO - BLDPV-105 Conclusies Uit de experimenten is gebleken dat het moeilijk is om met alternatieve, meer milieuvriendelijke materialen composieten te maken met vergelijkbare eigenschappen als het huidige systeem (glas/ampreg). De eigenschappen van composietmaterialen met een vlasvezel versterking vallen tegen door een gebrek aan hechting tussen vezels en matrix. Naar aanleiding van de resultaten is daarom een onderzoek uitgevoerd om deze hechting te verbeteren. De resultaten van dit onderzoek zijn uitgebreid beschreven in het “Verslag hechtingsonderzoek vlas/epoxycomposieten (zie Appendix B) en worden tevens gepubliceerd in het Journal of Materials Science. 5.1.5. Samenvatting LCA Dit hoofdstuk geeft een samenvatting van twee LCA studies. In een eerste LCA studies zijn diverse alternatieve materialen onderzocht wat betreft milieueffecten. Milieueffecten van diverse materialen zijn bepaald aan de hand van door de diverse leveranciers verstrekte gegevens. In een tweede LCA studie zijn alternatieve bladconcepten ontworpen waarin diverse materialen zijn toegepast. Voor de milieueffecten van de diverse materialen wordt hierbij teruggegrepen op de resultaten van de eerste LCA studie. Milieueffecten van huidige en alternatieve materialen. De milieueffecten van de diverse materialen worden weergegeven in Tabel 13. In deze tabel valt op dat de score van de epoxyhars hoog is. Vervanging door UP hars kan een verbeterde milieuscore opleveren mits gebruik gemaakt wordt van een gesloten systeem om styreenemissie te voorkomen. Van de Megithane hars zijn de gegevens niet compleet waardoor een vertekend beeld onstaat. Opvallend zijn de lage scores van houtfineer en vlasvezels.
26
BLADECO - BLDPV-105 Tabel 13 Eco-indicator lijst van toegepaste materialen en processen Materiaalgroep Materiaal Eco-indicator Opmerkingen / Processen [mPt/kg] tenzij anders vermeld Gelcoat UP-gelcoat 2.30 inclusief productie grondstoffen en transport Epoxy hars 10.2 inclusief winning grondstoffen, transport en productie; gemiddelde Europese gegevens UP hars 2.84 Score mogelijk te laag doordat (productie) gegevens van energiedragers niet worden meegenomen PUR hars 8.67 inclusief winning grondstoffen, transport en Matrix productie; gemiddelde Europese gegevens Materialen Megithane 0.26 Inclusief transport. Score hoogstwaarschijnlijk te laag door ontbreken specificatie gebruikte grondstoffen productiegegevens van deze grondstoffen PP 2.99 inclusief winning grondstoffen, transport en productie; gemiddelde Europese gegevens Hout fineer 0.304 inclusief kappen, drogen en productie E-glas 2.31 inclusief winning belangrijkste grondstoffen, transport en productie Vezel Vlas 0.34 gehekelde, lange vezels. Score mogelijk te materialen laag doordat geen productiegegevens van de benodigde gewasbeschermingsmiddelen beschikbaar zijn PVC 24.1 inclusief productie van de meest relevante grondstoffen, transport en schuimproces EPS 11.1 inclusief winning grondstoffen, transport en Schuimen productie; gemiddelde Europese gegevens CD 11.7 In proces vraagt terugwinning azijnzuur veel energie Versneller UP 1.37 inclusief productie van het belangrijkste bestanddeel (DOP) Hulpstoffen Verharder UP 6.58 Score is een benadering van de productie van de betreffende verharder (MEK-peroxide) Transport 0.18 vrachtwagen met 25 ton lading mPt/ton km Opwekking 0.31 inclusief winning en transport energiedragers, elektriciteit mPt/kWh maar exclusief productie van kapitaalgoederen. Gemiddelde Nederlandse EProcessen model, jaar 1995 Handlamineren 4.67 Score wordt bepaald door vrijkomende gelcoat styreenemissies Handlamineren 6.37 Score wordt bepaald door vrijkomende UP styreenemissies
27
BLADECO - BLDPV-105 Resultaten LCA studie 1; Gebruik alternatieve materialen. Uitgaande van het huidige APX-29 bladconcept zijn bladvariaties uitgevoerd gebruikmakend van alternatieve materialen. De resultaten van deze LCA studie worden weergegeven in Tabel 14. Weergegeven zijn de eco-indicator scores in mPt.
Onderdeel Gelcoat Epoxy-hars
Blad 0 57.5
Tabel 14 Resultaten eerste LCA studie. Blad Blad Blad Blad Blad Blad 1 2 3 4 5 6 57.5 57.5 57.5 57.5 57.5 57.5
2816. 2816. 2 2
2816. 2
Blad 7 57.5
Blad 8
5633. 4
PUR hars Megithane
1265 2393. 8 71.8
UP hars PP
784.1
1568. 3 488.9
Houtfineer E-glas
Blad 9 57.5
176.3 792.1
792.1
792.1
Vlas
792.1
792.1
792.1
126
PVC schuim EPS schuim CD schuim Lamineren gelcoat Lamineren UP hars Transport materialen Elektriciteit Totaal
248.4
Verbranding Totaal incl.
248.4
755.4 126
248.4
248.4
248.4
248.4
114.3 116
116
113
111 120.5 116 116
116
116
116
116
1659
3318
116
44.6
42.8
42.2
42.2
141
38.1
37.1
27.2
59.1
150
305 4380
305 4244
305 4250
458 6680
168 3917
168 1492
183 3877
183 5644
213 1516
183 2172
1345 5725
950 5194
2132 3624
715 4592
1379 7023
703 2219
1213 3385
2627 9307
Uit de resultaten blijkt dat de milieuscore het hoogst is voor bladsysteem 3 (6680 mPt) en bladsysteem 7 (5673 mPt). Dit zijn de bladsystemen waarin vlasvezels zijn verwerkt. In verband met de tegenvallende sterkte van de vlasvezels moet ca. een dubbele hoeveelheid composietmateriaal verwerkt worden om tot een bladsysteem met aanvaardbare eigenschappen te komen. Het systeem waarin de natuurlijke PUR hars "Megithane" wordt toegepast scoort het laagst. Deze score is echter een "best case" benadering, omdat niet alle gegevens van de Megithane hars beschikbaar zijn. Verder blijkt dat ook de PP-glas variant een lage milieuscore heeft (2332 mPt). Onduidelijk is echter of de voorgestelde constructie wat betreft mechanische eigenschappen 28
BLADECO - BLDPV-105 voldoet. Waarschijnlijk zal de milieuscore van de houten variant (bladsysteem 9) uiteindelijk het laagst zijn. Uit de LCA-berekeningen is gebleken dat de epoxyhars en de PUR-hars een grote bijdrage leveren aan de totale milieuscore van de systemen waarin genoemde harsen zijn verwerkt. Voor de bladsystemen waarin polyester hars is verwerkt blijken de tijdens het handlamineren van de hars optredende styreenemissies een aanzienlijke bijdrage aan de totale milieuscores te leveren. Toepassing van alternatieve schuimen heeft een beperkte invloed op de milieuscore van bladsystemen omdat de bijdrage van de schuimen in het gehele systeem gering is. Nieuwe bladconcepten. Om de toepasbaarheid van alternatieve materialen te vergroten en tevens bladdelingen op te kunnen nemen in de bladsystemen zijn nieuwe bladconcepten ontworden. Deze bladconcepten worden beknopt beschreven in Tabel 15. Zie ook Appendix A. Tabel 15 Overzicht van de rotorblad concepten Nummer
fabricage concept
belangrijkste materialen
0
huidige blad
glas, epoxyhars, pvc-schuim
I II
rtm gordingen, overig handlaminaat (huidige techn., in nieuwe geometrie 'w3' ) 'oneshot' geïntegreerd product
glas, epoxyhars, polystryreenschuim glas/polyesterhars/pur-schuim
III
'oneshot' geïntegreerd product
IV
neus uit co-mingled materiaal, eraan gelast rotatiegegoten thermoplast staartlijst.
V
kokerbalk; gezet metaalplaat, geïntegreerd in thermoplast rotatiegietstuk neus; gezet metaalplaat. staartpanelen; sandwich uit glas/epoxyhars/eps gelamineerde stalen gordingen, overig handlaminaat neus; gezet metaalplaat, staart; rtm sandwich uit metaalplaat schuim en thermohardende hars 'oneshot' geïntegreerd product
co-mingledglas/polypropyleen, PUR-schuim co-mingledglas/polypropyleen, polypropyleen & geschuimd PP staal, polypropyleen en geschuimd PP staal glas, epoxyhars en polystyreenschuim stalen gordingen in glasvezels/ epoxyhars/polystyreen schuim. Aluminium-plaat,epoxyhars en polystyreenschuim
VI VII VIII IX X
gelamineerde houten gordingen, overig handlaminaat
koolstofvezels/epoxyhars/ poly-styreenschuim berken-schilfineer/glasvezels/ epoxyhars/ polystyreenschuim
In deze bladconcepten is gebruik gemaakt van alternatieve materialen zoals staal, aluminium, en koolstofvezels. Er zijn nieuwe fabricagetechnieken toegepast zoals rotatiegieten, zetten (van metaal) en injectietechnieken. Ook zijn bladdelingen toegepast. De bruikbaarheid van de bladdelingen fabricagetechnieken en van diverse materialen moet nog blijken in een later uit te voeren testfase.
29
BLADECO - BLDPV-105 Resultaten LCA vergelijking alternatieve bladconcepten. De alternatieve bladconcepten zijn gedimensioneerd en de milieubelasting van de bladen is onderling vergeleken. De resultaten zijn niet direct vergelijkbaar met de eerdere LCA studie omdat is uitgegaan van verschillende randvoorwaarden. De resultaten worden weergegeven in Tabel 16. Onderdeel Epoxyhars
Tabel 16 Resultaten LCA studie 2 Blad Blad Blad Blad Blad Blad Blad Blad Blad Blad Blad 0 I II III IV V VI VII VIII XIX X 1663 1663 102 938 112 1142 1244
Eurostaal
1974 1806
Bladstaal
1032
UP hars PP
570 697
1052 583
Houtfineer Koolstof vezels E-glas
165 3597 776
776
767
769
686
48
402
Aluminium
383 4740
PVC schuim 265 EPS schuim
122
PUR schuim
178
178
178
178
133
154
Transport materialen Elektriciteit
39
37
36
50.4
58
34.1
19
29
16
49
174
155
155
155
124
248
124
31
78
31
124
186
Totaal incl.
2898 2753 1582 1794 2045 2715 2184 2656 5077 5080 2286
Door gebruik te maken van alternatieve bladconcepten kan een breder scala aan materialen worden toegepast. Ook kunnen bladdelingen al in het bladconcept worden opgenomen. Belangrijke kanttekeningen bij deze vergelijkende LCA studie zijn dat van diverse materiaalsystemen niet voldoende gegevens beschikbaar zijn om toepasbaarheid in de praktijk te toetsen. Zo zijn bijvoorbeeld de verbindingstechnieken niet beproefd en moeten de glas/PP composieten meer uitvoerig getest worden. Uit de resultaten blijkt dat de milieuscore het hoogst is voor bladsysteem VIII en XIX. Dit zijn de bladsystemen waarin respectievelijk aluminium en koolstofvezels verwerkt zijn. De beschikbare eco-indicatoren van deze materialen zijn hoog, ook al wordt gebruik gemaakt van gedeeltelijk gerecycled aluminium en is het materiaalverbruik voor het koolstof/epoxy blad laag. Het systeem waarin UP-hars wordt toegepast scoort het laagst. Dit positieve resultaat wordt toegeschreven aan de relatief lage milieuscore van UP-hars wanneer het wordt toegepast in een gesloten systeem. Wordt UP-hars in een open systeem toegepast dan is de score vergelijkbaar met epoxyhars vanwege de optredende emissie van styreen. Ook blijkt dat de systemen waarin PP-glas 30
BLADECO - BLDPV-105 verwerkt worden lage milieuscore hebben. Dit resultaat is overeenkomstig aan het resultaat van de eerdere LCA studie zoals beschreven in hoofdstuk 5.1.5 onder “Resultaten LCA studie 1; Gebruik alternatieve materialen”. Dit zelfde geld voor de houten variant (bladsysteem X). Een ander "nieuw" materiaalconcept dat een relatief lage milieuscore bezit is bladsysteem VI waarin staal wordt gecombineerd met glas/epoxy. Uit de LCA-berekeningen is gebleken dat de epoxyhars een grote bijdrage levert aan de totale milieuscore van de systemen waarin de hars is verwerkt. 5.1.6. Algemene conclusies fase 1 De eerste fase van het Bladeco project is destijds goed van start gegaan. Er is een zeer brede inventarisatie gemaakt van materialen die wellicht toegepast kunnen worden in turbine bladen. De materialen die op dat moment het meest geschikt leken, zijn geselecteerd aan de hand van de opgestelde selectie criteria. Verder konden uit de materiaalselectie de volgende conclusies getrokken worden: ♦ De materiaaleisen waren erg hoog. Tijdens het project is voortdurend gerefereerd aan het APX 29 turbine blad. Dit zeer slanke glas-epoxy blad vereist materialen met zeer goede mechanische eigenschappen tegen een zeer scherpe prijs. ♦ Goede eigenschappenprofielen waren niet voor alle materialen beschikbaar. Vanwege dit feit zijn vingeroefeningen uit fase 2 naar voren getrokken. Toch heeft dit probleem een vertragend een effect op de materiaalselectie gehad. ♦ De beschikbaarheid van milieuvriendelijke materialen op de markt was (en is) gering. In de LCA is een zeer brede keuze aan materiaalcombinaties onderzocht. Uit deze LCA blijkt dat vooral de harsen belangrijk bijdragen in de milieuscore. Vervanging van deze harsen of vermindering van het gebruik van deze harsen lijkt een goede methode om de milieuimpact van turbinebladen te verminderen. Gebruik van vlas levert in de APX 29 geen winst op omdat de materiaaleigenschappen van vlas composieten minder zijn dan glas composieten waardoor het materiaalgebruik en dus ook de milieuscore toenemen. Door gebruik te maken van alternatieve bladconcepten kan beter gebruik gemaakt worden van alternatieve materialen. De meest veelbelovende systemen zijn gebaseerd op het gebruik van Polypropyleen, hout en in sommige gevallen staal. Op basis van de (schaarse) beschikbare gegevens op het gebied van de milieuscores zijn koolstofvezels minder geschikt voor toepassing in windturbinebladen, wanneer nagestreefd wordt duurzaam te produceren. Ook aluminium is dan minder geschikt, tenzij een hoge mate van recycling plaatsvindt. De beste methode om het afval dat onstaat bij de afdanking van windturbines te verwijderen lijkt verbranding in een AVI verbrandingsinstallatie. De effecten van verbranding op het milieu zijn bepaald en ingevoerd in de LCA. Vervanging van glasvezels levert veel voordelen op omdat glas niet verbrandt maar achterblijft als slak in de verbrandingsoven. Voor de vingeroefeningen zijn materiaalproductie en testmethoden opgezet. De materiaaleigenschappen van huidige systeem (glas-epoxy) konden alleen geëvenaard worden door glas-UP composieten. De vlasvezel-composieten bleven sterk achter qua materiaaleigenschappen door een zeer slechte vezel/matrix hechting. Wanneer het geheel aan resultaten beschouwd wordt moet opgemerkt worden dat aan het eind van fase 1 duidelijk was dat vervanging van het glas/epoxy systeem moeilijk werd gezien de kostprijs en de mechanische eigenschappen. Als richtlijn voor het onderzoek in fase 1 is voortdurend het APX 29 blad genomen. Dit blad is ontworpen voor glas/epoxy materialen. Aan het eind van fase 1 was duidelijk dat wanneer glas/epoxy wordt vervangen ook het bladontwerp moet worden aangepast. Daarom is de conceptstudie naar alternatieve bladontwerpen (fase 4.1) naar voren gehaald. Hierbij heeft het ontwerpen van turbinebladen uit materialen met “slechtere” mechanische eigenschappen, maar met een betere milieuscore centraal gestaan. 31
BLADECO - BLDPV-105
5.2. Fase 2: materiaalselectie en -beproeving Aanvankelijk is vastgesteld dat de selectie in twee series uitgevoerd wordt: Met twee thermoplastische composieten en drie thermohardende een beperkt aantal proeven doen Met het beste materiaal uit de eerste serie, mogelijk aangevuld met een tweede (runner up) materiaal uitgebreidere proeven doen, met een groter herhalingsvoud. In de eerste proevenserie is gekozen voor: glas/PP, glas/PET, T600 (koolstof)/epoxy, Panex (koolstof)/epoxy en Ahlstrom (glas)/epoxy. Deze zijn geselecteerd op hun potentie betreffende mechanische eigenschappen en op basis van ecologische kenmerken. Dit is uitgevoerd in eerdere fase van het project. De uitgevoerde beproevingen zijn: treksterkte, druksterkte, Interlaminar Shear Strength en vermoeiing (vierpuntsbuiging met opgelegde verplaatsing). De proeven voor vermoeiing in vierpuntsbuiging met opgelegde verplaatsing is uitgevoerd op de zogenaamde Epsiflex machines. Het voordeel is dat simultaan vier proefstukken getest kunnen worden en dat de proeven qua uitvoering eenvoudig zijn. De laminaatopbouw van de proefstukken is vastgesteld in overleg met Aerpac en TUD, mede op grond van de beschikbare weefsels en legsels. De laminaatopbouw voor de trekproeven en de vermoeiingsproeven is symmetrisch en bestaat uit afwisselende lagen UD materiaal en +/- 45° materiaal (of van +45° en -45° materiaal, afhankelijk van hetgeen beschikbaar is). De laminaatopbouw voor de drukproeven en de ILSS-proeven is eenvoudigweg een aantal identieke lagen van UD-materiaal. De proefplaten voor de thermohardende composieten zijn gemaakt door Aerpac door middel van vacuüminjectie. Voor de thermoplastische composieten waren doeken van comingled materiaal beschikbaar. De voorziene consolidatietechniek daarvoor is verwarmen in een mal met een vacuümzak. Om praktische redenen is gekozen voor consolideren in een temperatuur geregelde pers bij KEMA. De oppervlaktedruk komt overeen met de omgevingsluchtdruk. Omdat dit een nog onbekende techniek was kostte het veel inspanning om hiermee goede proefplaten te maken. Het blijkt noodzakelijk te zijn het glas/PET materiaal te drogen om detrimentele hydrolyse te voorkomen. De drukproeven op korte, blokvormige proefstukken leverden problemen op omdat de proefstukken locale splijting vertoonden. KEMA heeft de proeven herhaald met blokjes van UD-materiaal die in een sponning opgesloten waren en de TU Delft heeft de drukproeven voor de beide koolstof/epoxy composieten nogmaals uitgevoerd op opgesloten cilindrische proefstukken, die door ATO-DLO door middel van pultrusie gemaakt waren. De uit te voeren beproevingen zijn: treksterkte, druksterkte, Interlaminar Shear Strength en vermoeiing (uniaxiale spanningstoestand bij drie verschillende gemiddelde spanningsniveaus). Hiervoor was ook het proevenprogramma vastgesteld (soort proeven en het herhalingsvoud), inclusief de planning en het gebruik van alle specialistische apparatuur. In het stadium van vervaardiging van de proefplaten hiervoor maakte het faillissement van Aerpac een einde aan de goede voortgang in deze taak. De fabricage van proefplaten van glas/PP en glas/PET op de druk- en temperatuurgestuurde pers bij KEMA betekende een leerproces ten aanzien van de tijdsduur, temperatuurverloop en vlakheid van de platen. Bij glas/PET hadden we aanvankelijk ook te maken met afbraak van het polymeer door hydrolyse, maar dit bleek te voorkómen door het comingled weefsel zeer goed te drogen tot kort voor het verwerken.
32
BLADECO - BLDPV-105 5.2.1. Resultaten van de proeven
epsiflex proeven 1000.0 y = 827.65x-0.0193
max.spanning S [Mpa]
y = 1047.8x-0.0485 y = 406.53x-0.0194
y = 150.22x0.0044 100.0 y = 894.38x-0.2047
10.0 1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.E+06
1.E+07
aantal cycli N T600
Panex 33
Ahlstrom
glas/PP
glas/PET
Figuur 4 S–N lijnen van de mechanische vermoeiing Uit de vermoeiingsproeven met de Epsiflex blijkt dat T600 (koolstof)/epoxy, Panex (koolstof)/epoxy en Ahlstrom (glas)/epoxy elkaar niet veel ontlopen qua helling van de S-N lijn; deze is 1 op 20 of beter. De vermoeiingssterkte van T600 en Panex liggen beide op circa 600 MPa bij 1 miljoen wisselingen. Uit de vermoeiingsproeven met de Epsiflex blijkt dat de thermoplastische composiet glas/PP een vermoeiingssterkte heeft van circa 150 MPa bij 1 miljoen wisselingen. Opmerkelijk is dat de helling van de spanning versus aantal-wisselingen-tot-breuk lijn in de log-log grafiek voor glas/PET veel steiler is dan voor glas/PP en daarmee op lagere vermoeiingssterkte uitkomt. De lijn van glas/PP heeft geen significante helling en die van glas/PET is ongeveer 1 op 5; deze lijnen kruisen elkaar. Kennelijk is bij glas/PP sprake van relaxatie van het matrixmateriaal.
33
BLADECO - BLDPV-105
Treksterkte
Treksterkte [MPa]
1200 910
1000 800
641
600
446 299
400
219 200 0 T600
Panex 33
Ahlstrom
glas/PP
glas/PET
Figuur 5 De treksterkten en de meetspreiding De T600/epoxy is superieur op treksterkte met een waarde van circa 900 MPa, tegenover Panex/epoxy met ongeveer 650 MPa en Ahlstrom/epoxy met 450 MPa.
800
720
Druksterkte [MPa]
700
500
602
577
600
452
449
486
400 300 200 100 0 T600 (blok)
T600 (cyl)
Panex (blok)
Panex (cyl)
Ahlstrom (blok)
Ahlstrom (cyl)
Figuur 6 De druksterkten De resultaten van de proeven op de blokjes en die op cylinders dekken elkaar niet, maar beide tonen ze dat de druksterkte van de koolstof/epoxy materialen kleiner is dan die van glas/epoxy. Dit is een gegeven waarmee serieus rekening gehouden moet worden in het ontwerp. De druksterkte is de enige eigenschap waarin koolstof/epoxy inferieur is aan glas/epoxy.
34
BLADECO - BLDPV-105
ILSS waarden [MPa]
60 50
49
52
45 42
40 25
30 20 10 0 T600
Panex
Ahlstrom
Glas/PP
Glas/PET
materialen
Figuur 7 De Interlaminar Shear Strength (ILSS) De ILSS (interlaminar shear strength) van T600 is met 49 MPA iets lager dan die van Panex (52 MPa). De ILSS waarde is een onderscheidende eigenschap van de thermoplastische composieten. Voor glas/PP is deze waarde 25 MPa en voor glas/PET is de ILSS 45 MPa. De waarde voor glas/PP is laag, maar de waarde voor glas/PET is goed te noemen en is vergelijkbaar met de proefstukken met epoxy-matrix. 5.2.2. Algemene conclusies fase 2 De proeven die in de uitgevoerd zijn hebben de volgende status: Ze geven een goede indicatie van de mechanische eigenschappen van de onderzochte materialen. Ze bieden voldoende basis om een keuze te maken voor het materiaal waarmee verder de tweede proevenserie ingegaan zou worden. Deze keuze is gebaseerd op de resultaten van de mechanische beproevingen, verwerkbaarheid, algemeen bekende eigenschappen en daarnaast op enkele andere argumenten. De koolstofvezel/epoxy materialen zijn superieur aan het glas/epoxy op de aspecten treksterkte en vermoeiingssterkte, als is dit binnen dit project nog niet onderbouwd met trek/druk vermoeiingsonderzoek. De druksterkte van koolstofvezel/epoxy blijkt significant lager te zijn dan van glas/epoxy, terwijl de treksterkte juist fors hoger is dan van glas/epoxy. In het ontwerp moet hiermee terdege rekening gehouden worden. Uit ontwerpberekeningen zal moeten blijken of drukzones in het windturbineblad niet beter van glasvezel/epoxy gemaakt kunnen worden of dat daar toch ook de betere vermoeiingseigenschappen van koolstof/epoxy de doorslag geven. De proefresultaten hebben geleid tot de keuze voor T600/epoxy. De onzekerheid over de vermoeiingseigenschappen (helling en spreiding) heeft tot de beslissing geleid om de thermoplastische composieten niet verder te onderzoeken. Belangrijk nevenargumenten, met van name Aerpac, om thermoplastische composieten niet te kiezen is de moeilijkheid van lijmen (vooral glas/PP) en de kruip die deze materialen vertonen en die in de huidige ontwerp- en rekenregels niet verdisconteerd is. De lage treksterkte en vermoeiingssterkte van glas/PET is niet goed te verklaren, anders dan door niet juiste verwerking van het materiaal. Genoemd zijn reeds hydrolyse en oxidatie. Betere procescondities en beheersing daarvan tijdens de consolidatie zal waarschijnlijk betere resultaten opleveren. 35
BLADECO - BLDPV-105 De vermoeiingsresultaten van glas/PP geven een zeer optimistisch beeld in deze proef met opgelegde vervorming. Het materiaal lijkt permanent te herstellen door relaxatie en rekristallisatie; fenomenen waarvoor PP overigens bekend staat. Het is echter zeer de vraag wat het gedrag zal zijn bij vermoeiingsbelasting met constante spanningsamplitude. De geringe helling van de S-N lijnen van T600, Panex en Ahlstrom doen vermoeden dat deze materialen over goede vermoeiingseigenschappen voor hoge N-waarden (belangrijk voor windturbinebladen!) beschikken. De grote verschillen tussen de treksterkte en de druksterkte van de materialen T600 en Panex doen vermoeden dat een asymmetrisch Goodman diagram zal ontstaan uit vermoeiingsmetingen; met andere woorden, bij testen in het drukgebied zal vermoedelijk een lagere vermoeiingssterkte gevonden worden dan bij testen in het trkegebied.
5.3. Fase 3: Verbindingstechnieken 5.3.1. Doelstelling Het belang van het vinden van geschikte verbindingstechnieken voor de assemblage van componenten tot rotorbladen is een niet te onderschatten onderdeel van dit project. Door het kunnen toepassen van geschikte verbindingstechnieken, zijn de ontwerpen van rotorbladen modulair uit te voeren. Dit stelt een producent in staat om relatief kleine componenten te produceren, die later tot een rotorblad te assembleren zijn. Kleine componenten zijn productietechnisch veel eenvoudiger automatisch te produceren dan grote producten en dit geldt dus zeker voor rotorbladen, mede gezien de uitgesproken 3D-vormgeving van de rotorbladen. Naast de mogelijke automatisering, is het transport van rotorblad-componenten veel efficiënter dan het transport van gerede rotorbladen. De componenten zijn stapelbaar, waardoor de hoeveelheid te transponeren lucht gering is. Dit in tegenstelling tot het transport van complete rotorbladen. De bekende verbindingstechnieken zullen worden geëvalueerd. Op basis van de evaluatie zullen twee veel belovende verbindingstechnieken worden geselecteerd. Deze verbindingstechnieken zullen verder worden onderzocht om de sterkte en vermoeiingsgedrag vast te stellen. Dit zal worden uitgevoerd op het huidige door Aerpac toegepaste materiaal en op één of twee alternatieve materialen welke uit fase 1 als veelbelovend zijn gekenmerkt. Getracht zal worden de verbindingen te optimaliseren met betrekking tot hun sterkte en vermoeiingsgedrag zonder daarbij de economische aspecten uit het oog te verliezen. Op basis van dit onderzoek zullen ontwerprichtlijnen m.b.t. de sterkte en het vermoeiingsgedrag worden opgesteld. De verbindingstechnieken moeten zodanig gedetailleerd kunnen worden dat het aërodynamisch profiel van het rotorblad niet (te) nadelig wordt beïnvloed. Deze eis beperkt mogelijk het aantal geschikte verbindingen. De uiteindelijke geschiktheid van de verbindingen is afhankelijk van de te verbinden materialen en de toepassing. Zo hebben in het blad sommige constructiedelen een overheersend dragende functie, terwijl op andere plaatsen alleen de vormvastheid (aërodynamisch profiel) van belang is. Dit stelt verschillende eisen aan de materialen en de verbindingen. Daar waar bijvoorbeeld alleen vormvastheid van belang is, worden veelal sandwichconstructies (met een schuimkern) toegepast. Dit kan ook leiden tot een optimum waarbij verschillende typen verbindingen in één rotorblad worden toegepast. Hoewel het in fase 3 nog niet zal worden onderzocht, moet bij de selectie van de geschikte verbindingen ook rekening worden gehouden met de invloed van de “on-site" assemblage van de componenten op de sterkte en het vermoeiingsgedrag. Dit omdat de kwaliteitsbewaking bij de montage van de verbindingen mogelijk niet gewaarborgd kan worden. De “on-site" omstandigheden moeten lokale assemblage toelaten. Resumerend moeten de verbindingstechnieken relatief goedkoop, eenvoudig aan te brengen en reproduceerbaar zijn. 36
BLADECO - BLDPV-105 5.3.2. Indeling verbindingsmiddelen De indeling is slechts schematisch, aangezien er veel combinaties van verbindingstypen optreden en verbindingen niet éénduidig te classificeren zijn. Niettemin is een globale indeling vaak handig voor een beter overzicht. Als eerste aanzet kan de Eurocomp ontwerpgids worden aangehouden [27] , weergegeven in Tabel 17. Er kunnen dus twee hoofdtypen verbindingen worden onderscheiden: ♦ Lijmverbindingen, laminaatverbindingen, ingegoten verbindingen ♦ Mechanische verbindingen Ook combinaties van beide typen verbindingen zijn mogelijk. Beide hoofdtypen worden in Tabel 17 verder ingedeeld naar verbindingstechniek en –vorm. ♦ Krachtsoverdracht mechanismen. ♦ Het aantal onderdelen/doorsnedewijziging. Tabel 17 Eurocomp verbindingsoverzicht Joints Categories Bonded Joints
Mechanical Joints
Combined Joints
Joining Techniques Adhesively bonded joints Laminated joints Moulded joints Cast-in joints Bonded insert joints
Bolted joints (shear loaded) Bolted joints (axially loaded) Riveted joints (shear loaded) Riveted joints (axially loaded) Clamped joints Contact joints (keyed, hooked)
Bonded-Bolted joints Bonded-Riveted joints
Joint Configurations Lap joints Strap joints Scarf joints Butt joints Tee joints Angle joints Others
Lap joints Strap joints Tee joints Angle joints Others
Lap joints Strap joints Tee joints Others
37
BLADECO - BLDPV-105 Lijmverbindingen Er kunnen verschillende typen lijmverbindingen worden onderscheiden: ♦ Verbindingen waarvan de krachtsoverdracht (voornamelijk) via afschuiving plaats vind, verbindingen waarbij overdracht via axiale krachten plaats vindt, en combinaties van beide mechanismen. ♦ Verbindingen die uit de twee te verbinden onderdelen bestaan en verbindingen waar één of meerdere onderdelen zijn toegevoegd. ♦ Verbindingen waarbij de doorsnede niet (of nauwelijks) verandert en verbindingen waarbij dit wel het geval is. In Tabel 18 wordt een globaal overzicht van diverse lijmverbindingen van platen gegeven. Uiteraard bestaan veel meer varianten: ♦ Rechte uiteinden van single lap joints of strap joints kunnen worden afgeschuind (bevelled joints). ♦ Andere lijmnaden, bij voorbeeld combinaties van scarf en step joints. ♦ Meerdere in- of aangelijmde delen, als bij de Groove and Tongue joint. Tabel 18 Overzicht gelijmde verbindingen van platen Geen verandering van Doorsnede
Wel verandering van Doorsnede
Butt Lap Joint 2 Onderdelen
Scarf Lap Joint Step Lap Joint Laminate Joint
Single Lap Joint
Finger Joint
3 of meer Onderdelen
Groove and Tongue Joint
Single Strap Joint
Double Strap Joint
Ongewenste Krachtsrichting
Gewenste Krachtsrichting
38
BLADECO - BLDPV-105 Mechanische Verbindingen Mechanische verbindingen zijn verder nog globaal in te delen naar bij voorbeeld het krachtsoverdrachtmechanisme: ♦ Opstuiking van te verbinden delen(meestal loodrecht op de krachtsrichting staande) verbindingsmiddelen (b.v. bouten, klinknagels). ♦ Voorspankracht (afschuiving van de te verbinden delen). ♦ Axiale belasting van verbindingsmiddelen (welke bijvoorbeeld ingelijmd zijn in de te verbinden delen (b.v. studs). ♦ Combinaties van opstuiking en voorspankracht (b.v. voorspanbouten). ♦ Combinaties van opstuiking en axiale belasting (b.v. IKEA verbinding). ♦ Geklemde verbindingen. ♦ Contactverbindingen (b.v. sleutelgat verbindingen). ♦ Verbindingen die uit de twee te verbinden onderdelen bestaan en verbindingen waar één of meerdere onderdelen zijn toegevoegd. De eerste categorie bestaat hier vooral uit klikverbindingen, die berusten op plastische vervorming van de te verbinden delen (niet bijzonder bruikbaar voor vvk en zeker niet voor rotorbladen) en sleutelgatverbindingen waarbij de delen door bij voorbeeld draaien aan elkaar worden verbonden en krachtsoverdracht plaatsvindt door afschuiving van de te verbinden delen. In principe zijn er bij mechanische verbindingen geen al te grote veranderingen in doorsnede. Voor voldoende krachtsoverdracht is echter vaak een vergroting van de doorsnede noodzakelijk. 5.3.3. Generatie van mogelijke verbindingstechnieken Teneinde een goede start te maken met het genereren van oplossingen voor de verbindingen in bladen en zoveel mogelijk materiaal te vergaren, zijn een aantal experts vanuit de onderzoekswereld en de industrie uitgenodigd om in een vrij formaat allerlei ideeën te genereren, welke wellicht als basis kunnen dienen voor verdere uitwerking. 30 januari 1998: Eerste brainstorm sessie op TUD met experts van buiten de BLADECO groep om in vrije gedachtenuitwisseling te komen tot een overzicht van (on)mogelijke verbindingstechnieken ten behoeve van een gedeeld blad. 28 oktober 1998: tweede ronde brainstorm sessie, met andere deelnemers met kennis op het gebied van (ontwerpen in) lichtgewicht constructies, mechatronica, composieten en windenergie-systemen. 17 december 1998: na selectie en clustering zijn uit de brainstorm sessie de eerste concepten opgesteld, voor een kritische beschouwing door de projectpartners en de ontwerpafdeling van Aerpac. Op basis van de resultaten van beide brainstorm bijeenkomsten werden 5 concepten samengesteld. Deze werden schriftelijk ter commentaar voorgelegd aan de projectpartners en de ontwerpafdeling van Aerpac en uiteindelijk verwerkt in het voorontwerpwerk (zie hoofdstuk 5.4 en Appendix A). Probleemstelling en doel van de eerste brainstorm sessie Voor de eerste brainstorm sessie, op 30 Januari 1998 gehouden op de TU Delft, is een kleine inleiding gehouden voor de deelnemers van buitenaf welke veelal niet bekend zijn met de specifieke problemen van bladen voor windturbines. Een rondleiding door het WMC lab diende om de deelnemers een eerste indruk te geven van de aard van het probleem. Een belangrijk onderdeel van het BLADECO project is de beschouwing van huidige verbindingstypen van rotorbladen en mogelijke ontwikkeling van alternatieven. Doel is een reductie in de kosten van het blad als totaal.
39
BLADECO - BLDPV-105 Momenteel maakt de bladvoetverbinding ongeveer 20% van de totale kosten van het blad uit, wegens de materiaal- en arbeidsintensieve plaatselijke verdikking van het blad en de kosten van de verbinding zelf. Een andere belangrijke toepassing van verbindingstechnieken is voor toepassing in rotorbladen, welke uit meerdere delen zijn opgebouwd. Toepassing van kleinere onderdelen biedt voordelen t.a.v. verwerking (vooral automatisch, malgrootte e.d.) en transport: ♦ Problemen Fabricage ♦ Mallen ♦ Vereiste druk ♦ Hanteerbaarheid ♦ Problemen Vervoer ♦ Nu al 30 m lang per Rotorblad en meer in de toekomst ♦ Doel : Totale Kosten Blad omlaag ♦ Vervaardiging, Montage, Reparatie … Doelstelling Vind Geschikte Verbindingstechniek voor Toepassing in Rotorbladen Criteria voor selectie Deze verbindingen dienen minimaal te voldoen aan de volgende eisen: ♦ Mechanische Eigenschappen • Sterkte • Stijfheid • Vermoeiingssterkte. ♦ Kosten • Niet duurder dan huidige verbinding (betrokken op totale kosten rotorblad). • Verbindingsdeel • Complexiteit / materiaal blad-delen • Montage ♦ Uitvoerbaarheid in productieproces • Vereiste precisie • Vereiste druk/temperatuur • Bereikbaarheid • Betrouwbaarheid, vooral bij “on-site” assemblage. ♦ Duurzaamheid • Temperatuur • UV straling • Vocht ♦ Geen verstoring aërodynamisch gedrag ♦ LCA. Algemene problemen voor verbindingstechnieken voor rotorbladen Sommige onderdelen moeten relatief hoge krachten overbrengen, andere moeten voornamelijk vormvast zijn. Probleem hierbij is de hoge sterkte van Glasvezel - Epoxy (of Polyester) (orde van grootte 500 MPa, gebruikt wordt toch nog altijd zo’n 100 MPa) ten opzichte van staal (100 MPa) en veel lijmverbindingen (<<…< 100 MPa). Dit leidt ertoe dat veel “verbindingsdoorsnede” vereist is om de sterkte van de oorspronkelijke doorsnede te halen, wat tot de eerder genoemde verdikking van de doorsnede (wand) leidt en 40
BLADECO - BLDPV-105 daarmee dure verbindingen. De krachtsinleiding van de verbindingsmiddelen naar de vezels geschiedt meestal via afschuiving en trek in het matrixmateriaal, wat ook veel minder sterk is; dit is een andere belangrijke belemmering voor het maken van efficiënte verbindingen. Deelnemers aan de brainstorm sessie BLADECO deelnemers Jan Braam (KEMA; voorzitter) Hendrik Jan Zwanenburg (Aerpac) Don van Delft (TUD) Arno van Wingerde (TUD)
Overig Bert Janssen (ECN) Jan Spoormaker (TUD) Roel Marissen (TUD) Peter Reed (TUT) Kees van den Ende (KEMA)
Eerste gedachten omtrent alternatieve verbindingsmiddelen In dit hoofdstuk worden een aantal eerste principes omtrent mogelijke alternatieven genoemd, waarvan eventueel veelbelovende varianten worden uitgewerkt tot duidelijk is dat ze geen goede uitgangsmogelijkheid vormen voor de fabricage van rotorbladen. Het is uiteraard niet reëel te veronderstellen dat een dergelijke gedachte in één klap een nieuw en bruikbaar type verbinding oplevert en veel van de mogelijkheden zullen bij voorbeeld een orde van grootte te kort schieten in de vereiste sterkte of vele malen duurder zijn dan de huidige verbindingen. Directe krachtsoverdracht tussen vezels en verbindingsdelen Bij veel van de huidige verbindingen worden krachten uit stalen verbindingsdelen overgebracht via stuik/afschuiving (IKEA verbindingen) of afschuiving alleen (studs). Het zou in principe mogelijk moeten zijn in plaats hiervan directere krachtsoverdracht tussen verbindingsdelen en vezels te bewerkstelligen, zonder teveel op het matrixmateriaal te rekenen, denk bij voorbeeld aan kabels die om haken e.d. zijn geslagen. Een mogelijkheid is om vezels 180° om een verbindingsdeel heen te slaan en terug te voeren als basis voor het verdere blad. Het doorlopende verbindingsdeel zou bij voorbeeld een koolstof ring kunnen zijn met uitstekende delen voor verdere verbinding. De vezels zouden “ingestort” worden in het matrixmateriaal als twee lagen vezels. De verbindingen tussen de koolstofringen worden dan wel groot t.o.v. de beschikbare doorsnede en het hele productieproces van het blad wordt ingrijpend gewijzigd, vanwege de eisen van de verbinding
Tussenstuk i.p.v. bladvoetverbinding De huidige bladvoetverbindingen zijn vrij zwaar, omdat ze krachten overbrengen vanuit de rotorbladen naar de as. Aangezien een deel van de externe belastingen van rotorblad naar rotorblad moet is wellicht een middendeel toepasbaar. Dan is nog steeds een verbinding tussen dit middendeel en de rotor-as noodzakelijk. Echter, in deze verbinding hoeven de momenten ten gevolge van het eigen gewicht van de bladen en (het 41
BLADECO - BLDPV-105 symmetrische deel van) de momenten door (wind)krachten loodrecht op het rotorvlak (flapwise) op de bladen niet meer te worden overgedragen. De in principe ongewijzigde “bladvoetverbindingen” blijven aan de uiteinden van dit middendeel, maar ook daar zijn de momenten nu kleiner, door de kleinere hefboomsarm. Met één extra verbinding (namelijk middendeel-naaf) kan bij gegeven onderdeel lengte nu een anderhalf maal zo grote rotordiameter bereikt worden als bij de traditionele opstelling. Nadeel is wel dat het middendeel ofwel met flap uitgevoerd moet worden, wat de uitvoering bemoeilijkt, of dat de windenergie van het middelste deel onbenut wordt gelaten, wat ten koste gaat van het rendement. Dit idee is eerder bestudeerd door Polymarin voor een 1MW windmolen ontwerp, maar weer verlaten. Uitvoeringstechnisch veruit het meest geschikt voor 2-bladige rotors, omdat voor 3-bladige rotors het middendeel veel complexer wordt. Nieuwe Bladvoetverbinding
Ongeveer huidige Bladvoetverbinding
Gegenereerde oplossingen Mogelijke verbindingsmiddelen Van een aantal verbindingen is een principeschets gemaakt, in de praktijk zullen de meeste verbindingen er waarschijnlijk heel anders uit gaan zien. Na afloop van de brainstorm heeft elke deelnemer tot 5 stemmen uitgebracht, elke stem is aangegeven met . Alleen de verbindingen waarop één of meerdere stemmen zijn uitgebracht worden hier opgesomd. ♦ IKEA (T-bout) Thread for Bolts etc. Steel Barrel
♦ Studs
Laminate Build up
Thread for Bolts etc. Steel Studs Laminate Build up
♦ Trek/druk lus ♦ Vingerlas ♦ Gording als buis uitvoeren, met schroefeinden (boorstang)
42
BLADECO - BLDPV-105 ♦ Hütter (zie tekening) of Ingelijmde ring
♦ Laminaat omzetten Opsluiten tussen stalen vormstukken, die vastgezet worden m.b.v. voorspanbouten o.i.d. ♦ Overlamineren ♦ Verspringende gording draagt grootste deel kracht over ♦ I.p.v. gording: pultrusie staafjes (oprolbaar) over de gehele lengte ♦ Transportband verbinding ♦ Pianoscharnier: laminaatdelen U-vormig omzetten en staaf erdoorheen ♦ ‘Wrist-clamp’
♦ -Laminaat van te verbinden delen aan uiteinde opgedikt -2 Stalen (o.i.d.) klampen eromheen -Vastgehouden door voorspanbouten o.i.d. ♦ Pen-gat verbinding ♦ Conische buisverbindingen ♦ Tui splitsing, later impregneren (als betonverbinding) ♦ Gording: telescopische buis + opschuifdelen
♦ Gording met overlap, idee zweefvliegtuig. Overige delen zijn platen die in vorm gebogen aan het frame worden bevestigd.
Geselecteerde oplossingen De vier alternatieven die de meeste stemmen verwierven bij de brainstorm sessie zijn nog nader beschouwd: Bij sommige van de genoemde voor –en nadelen bestaan twijfels, dit is aangegeven met (?).
43
BLADECO - BLDPV-105 IKEA verbinding Thread for Bolts etc. Steel Barrel
Laminate Build up
Voordelen: ♦ Beproefd concept ♦ Eenvoudige montage ♦ Goed maakbaar ♦ Gunstige kostprijs ♦ Demontabel Nadelen: ♦ Kosten laminaatverdikking ♦ ± 45° lagen vezels nodig, ook in gordingen
Trek/druk lus
♦
Alleen vezels aan één kant van de ring getekend ♦ 1e Lus : U-vorm om de ring ♦ 2e Lus, volledig rond, ♦ houdt 1e lus vast bij druk Voordelen: ♦ In principe hoge strekte ♦ Geen (of geringe) doorsnede verandering of vezel-doorsnijdingen ♦ Simpel principe ♦ Demontabel (?) Nadelen: ♦ Maakbaarheid ♦ Speling is wellicht een probleem
44
BLADECO - BLDPV-105 Wristclamp
♦
Laminaat van te verbinden delen aan uiteinde opgedikt, eventueel met holte in het midden ♦ 2 Stalen (o.i.d.) klampen eromheen ♦ Vastgehouden door voorspanbouten o.i.d., zowel de voorspankracht als door vormvastheid Voordelen: ♦ Compact ♦ Kost weinig materiaal ♦ Eenvoudige montage ♦ Demontabel Nadelen: ♦ Kosten per deling (?) ♦ Slechtere aërodynamische eigenschappen ♦ Mogelijkerwijs ontstaat op den duur speling ♦ Vermoeiingssterkte kan een probleem zijn ♦ Vocht inwerking buisvormige gording met opschuifdelen
Voordelen: ♦ Modulair ♦ Goede axiale en buigstijfheid (?) ♦ Maakbaarheid ♦ Materiaal onafhankelijk ♦ Kosten ♦ Bewezen toepassing in het veld (?) Nadelen: ♦ Beheersbaarheid coniciteit ♦ Kost extra materiaal voor dwarsschotten ♦ Veel naden
45
BLADECO - BLDPV-105 Voorbeschouwing geselecteerde alternatieven De alternatieven uit de brainstorm sessie kunnen nader worden beschouwd. Om er zeker van te zijn dat de aangenomen belastingen min of meer realistisch zijn, moet hierbij worden gekeken naar een echt ontwerp en echte belastingen. De APX29 is wellicht wat minder geschikt als uitgangspunt, aangezien deze bladverbindingen vooral belangrijk zijn voor grotere diameters, maar in dit stadium is vooral de orde grootte belangrijk. Uiterste belasting. Stel een blad wordt doorsneden en de bladdelen verbonden met de geselecteerde verbindingstechnieken. Reken met 100MPa effectieve belasting. Aangezien de verbinding kan meeschalen met de wanddikte en omtrek kan voor een eerste indruk een recht plaatje met een dikte van 1 cm (een reële waarde) worden berekend, al dient bij uitwerking van verbindingen van de huid wel rekening te worden gehouden met de aërodynamische eisen en de geometrie van de verbinding. In overleg met Aerpac is voor deze fase als eerste een systeem gekozen, gebaseerd op de APX-60, doorgesneden op 50% van de straal. IKEA verbinding Ook bij verdere beschouwing van deze verbinding zijn in samenwerking met de fabrikant geen fundamentele problemen ontdekt, eerste schetsen worden door Aerpac uitgewerkt. Het testen van de verbinding is mogelijk op een proefstuk van beperkte omvang, in dit stadium is geen volledige doorsnede vereist. In het kader van een EG project is overigens een dergelijke bladdeling met IKEA verbindingen uitgevoerd, zij het door een andere fabrikant [21]. In verband met de vertrouwelijkheid kon, hoewel medewerkers van de TUD (namelijk de WMC groep in het Stevin lab) bij beide projecten betrokken waren, geen informatie worden uitgewisseld, alhoewel wel geprobeerd is hiervoor toestemming te verkrijgen van de penvoerders en industriële partners. Trek/druk lus Bij beschouwing met de fabrikant bleek dat dit concept toch wel heel lastig te vertalen is naar de realiteit. Daarmee viel dit concept voorlopig af. Wristclamp Dit alternatief stuit op wat bezwaar i.v.m. fabricage, maar vooral vanwege verstoring van aërodynamische eigenschappen, indien halverwege de rotorstraal een ring enige centimeters uitsteekt t.o.v. het algemene profiel. Vanwege het draaien van het blad, stroomt er namelijk veel lucht vanuit de as naar buiten (centrifugaalwerking). Belemmering van deze stroming verhoogt de weerstand van het blad en verlaagt hiermee het rendement. Volgens de fabrikant zou 1% vermogensverlies al bijzonder nadelig uitwerken op de haalbaarheid. Echter: ♦ Veel berekeningen berusten op soms grove aannames: 1% lijkt niet zo heel veel in vergelijking met niet of slecht gekwantificeerde effecten van andere ontwerpbeslissingen…… Een verlies aan vermogen is op te vangen met een iets grotere diameter, het is dus kostenverhogend, maar behoeft een oplossing niet a-priori uit te sluiten. De werkelijke invloed op het rendement is onbekend, valt wellicht mee, of is te verbeteren bij aanpassing in de vormgeving.
46
BLADECO - BLDPV-105 Buisvormige gording met opschuifdelen Vanwege de relatief hoge belasting is eerste gekeken naar de mogelijkheid van toepassing van koolstof buizen. Het bleek bij een eerste schatting al dat dit de kosten van het blad zou verdubbelen bij een aanname van € 27.-/kg vezel (hfl. 60.-). Voor een Europees project van de WMC groep dat zich specifiek richtte op de toepassing van koolstof vezels in rotorbladen [22], dat gelijktijdig met BLADECO liep is overigens gerekend met waarden die dichter bij de €18.-/ kg lag en hier luidt de conclusie dat er zeker mogelijkheden liggen. In glasvezel worden de mogelijkheden beter. Bij toepassing van een ronde buis wordt het materiaal wel wat oneconomisch gebruikt. Conclusies en aanduiding vervolg werkzaamheden In deze fase is een eerste onderzoek gedaan naar mogelijkheden om bladen met elkaar te verbinden. Gezien het grote aantal mogelijkheden wat betreft geselecteerde materialen e.d. en de mogelijkheid van hybride materialen, zijn veel opties mogelijk interessant voor verdere uitwerking. Verder dient opgemerkt te worden dat de meeste verbindingen gericht zijn op de verbinding van grotere delen, welke op zich nog niet bijzonder geschikt zijn voor geautomatiseerde productie en de financiële mogelijkheden die dit oplevert voor de Nederlandse rotorbladfabrikanten. 5.3.4. Vervolgtraject verbindingstechnieken In verband met een zeker verlies van de oorspronkelijke doelstelling (fabricage van het blad in kleine delen, zodat automatisering mogelijk wordt vereist meer dan alleen lengtedelingen) is nog een tweede brainstorm sessie gevolgd en een interne sessie bij Aerpac met name ook gericht op productie-technische aspecten, wat de kans op uiteindelijk (commercieel) succes van het Bladeco project alleen maar verhoogt. De resultaten zijn verwerkt in de conceptrapportage voorontwerpwerk en in de eindrapportage opgenomen als Appendix A. Zie ook hoofdstuk 5.4, waar het voorontwerp wordt besproken. 5.3.5. Vaststellen van het te verwachten sterkte- en vermoeiingsgedrag van de geselecteerde verbindingstechnieken Taakomschrijving taak 3.2 Voor de geselecteerde verbindingstechnieken zal het sterkte- en vermoeiingsgedrag worden getoetst. Voor de lijmverbindingen zullen oriënterende proeven worden uitgevoerd op couponproefstukken. Voor de mechanische verbindingen zullen schaalproeven worden uitgevoerd. In beide gevallen zullen van belang geachte parameters worden gevarieerd om het sterkte- en vermoeiingsgedrag beter te kunnen vast stellen. Op basis van deze resultaten zullen een tweetal verbindingen worden geselecteerd. Uitvoering In samenwerking met Aerpac, zijn door de TU Delft een tweetal ontwerpen gemaakt, gebaseerd op de bankcapaciteit bij de TUD. Bij aanvang van de fase was de beschikbare capaciteit 600 kN, voor doorsnede van het koolstof van 200x8=1600 mm2 levert dit een maximale trekspanning 375 MPa. Er werd voorzien dat grotere krachten de mogelijkheden van een realistische test zouden vergroten, zeker voor de geoptimaliseerde verbindingen, dus is bij de TUD een bank met een capaciteit van 2500 kN dynamisch (3500 kN statisch) opgebouwd. Voor de eerste testen was deze capaciteit nog niet beschikbaar, zodat veiligheidshalve moest worden ontworpen op een maximale sterkte van 600 kN. De ontwerpen zijn de (dubbele) IKEA- of T-bout verbinding, weergegeven in Figuur 8 en de gelijmde scarf verbinding tussen koolstof en glas, zie Figuur 9. 47
BLADECO - BLDPV-105
Load Introduction T-bolt w/o thread Steel Nut Thread 111
Threaded T-bolt
GFRP wall of blade root section
Load 240
40
10
30
80
80
40
280
IKEA connection, longitudinal view
e1 e1
e3
30
30 81
40
80
dt
Double IKEA connection, side view
8
24
Figuur 8 de dubbele IKEA of T-bout verbinding
150
300
150
300
150
Figuur 9 de gelijmde scarf verbinding Rekenend met een sterkte van het UD/±45º van 400 MPa, en een schuifspanning in de lijmnaad van 10.5 MPa is voor een enkelzijdige lijmnaad een lengte van 400/10.5·t nodig (met t de dikte van het centrale deel). Bij een dikte van 8 mm, moet de lijmnaad dus 305 mm lang worden. De gekozen verbindingen zijn conservatief (T-bout en scarf), maar zijn beide representatief voor veel andere verbindingen en zijn ook noodzakelijk indien een windturbineblad opgebouwd wordt uit meerdere materialen en delen. Op het moment van het faillissement van Aerpac, was begonnen aan het modelleren van de numerieke simulatie van de IKEA verbinding. Het proefstuk is nooit gemaakt en dus ook niet getest, zodat ook de vervolgtaken: ♦ 3.3 Optimalisatie van de geselecteerde verbindingstechnieken, ♦ 3.4 Onderzoek naar sterkte en vermoeiingsgedrag van de geoptimaliseerde verbindingen en ♦ 3.5 Vaststellen ontwerprichtlijnen kwamen te vervallen.
48
BLADECO - BLDPV-105
5.4. Fase 4: Voorontwerp testbladen 5.4.1. Inleiding Om in fase 2 met meer zekerheid een materiaal keuze te kunnen maken zodat dit in extenso kan worden gekarakteriseerd bleek het noodzakelijk om in meer detail naar de materiaaleigenschappen te kijken. Dit is een gebruikelijk ontwerpdilemma dat je vooraf graag wil weten of de keuze die je maakt goed is. Om hier toch een indicatie te kunnen geven is door Aerpac een voorontwerp studie opgestart waarin een rotorblad werd ontworpen in een geautomatiseerd ontwerpproces. Om dit programma van gegevens te voorzien zijn een drietal databases of catalogi gemaakt. Deze catalogi zijn gevuld met materiaaleigenschappen, fabricagetechnologieën en verbindingstechnieken. Om deze materialen catalogus te vullen is gebruik gemaakt van gegevens uit literatuur en beperkte experimentele gegevens verkregen uit dit project. De fabricagetechnologie catalogus is gevuld met verschillende automatiseringsprocessen die beschikbaar zijn en een indicatie voor welke materiaalcombinaties deze toepasbaar zijn. De catalogus verbindingstechnieken is gevuld met verbindingstechnieken en bijbehorende randvoorwaarden waaraan voldaan moet zijn om zo’n verbinding levensvatbaar te maken. Beide laatste catalogi zijn verkregen uit een brainstorm gehouden met mensen uit verschillende disciplines die geen of weinig ervaring hebben met de praktijk van rotorblad engineering. De resultaten hiervan zijn later gecombineerd met een “interne” brainstorm van ontwerpers van Aerpac en onderzoekers van TU Delft, ATO-DLO, ECN en KEMA. Met de genoemde catalogi zijn een tiental ontwerpen geanalyseerd. Schetsen van een aantal beschouwde concept ontwerpen staan in Figuur 10, terwijl een beknopte beschrijving van alle onderzochte ontwerpen is weergegeven in Tabel 19. De criteria waarop de genoemde concept ontwerpen zijn beoordeeld zijn weergegeven in Tabel 20. Door de voortijdige beindiging werkzaamheden hebben de bovenstaande tabel niet kunnen vullen;
Schets Concept 4 Schets Concept 2 en 3
Schets Concept 5
Schets Concept 6 en 8
Figuur 10 Schetsen concept ontwerpen
49
BLADECO - BLDPV-105 Ontwerp: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tabel 19 Beschouwde concept ontwerpen Fabricageconcept: Belangrijkste materialen: huidige blad, APX29/30 glas,epoxy, pvc-schuim rtm gordingen, overige handlaminaat glas,epoxy,polystyreen-schuim (huidige techniek in nieuwe geometrie ‘w3') ‘oneshot' geïntegreerd product glas/polyester/pur-schuim ‘oneshot' geïntegreerd product co-mingledglas/polypropyleen, purschuim neus uit co-mingled materiaal, eraan vast co-mingled-glas/polyprop., gelast rotatiegegoten thermoplast polypropyleen & geschuimd staartlijst. polypropyleen. kokerbalk; gezet metaalplaat, geïntegreerd staal , polyethyleen en geschuimd polyethyleen in thermoplast rotatiegietstuk neus; gezet metaalplaat. staal glas, epoxy en polystyreen-schuim staartpanelen; sandwich uit glas/epoxy/polystyreenschuim gelamineerde stalen gordingen, overig stalen gordingen in glasvezels/epoxy/ handlaminaat. polystyreenschuim. neus; gezet metaalplaat., staart; rtm Aluminium-plaat, epoxy en sandwich uit metaal-plaat, schuim en polystyreenschuim thermohardende hars oneshot geïntegreerd product Koolstofvezels/epoxy/polystyreenschuim gelamineerde houten gordingen, overig berken-schilfineer/glasvezels/ handlaminaat epoxy/polystryreen-schuim.
50
BLADECO - BLDPV-105
Rotorblad nummer:
Tabel 20 Criteria voor concept ontwerpen Gewich 1 2 3 4 ts -factor
5
6
Arbeidsvriendelijkheid (dampen, stof, warmte, lawaai, gewicht bij. tillen etc. Beschikbaarheid Contoleerbaarheid (productie en eind product) Hanteerbaarheid Cosmetische en aërodynamische eisen (flush aansluiten van delen huidtextuur e.d.) Mechaniseerbaarheid proces Montage-gemak Ongevoeligheid voor productiefouten (onvoldoende lijm etc.) Passing tolerantie Repareerbaarheid Reproduceerbaarheid Uitwisselbaarheid Veiligheid Kosten Massa verdeling Milieuvriendelijkheid Prestatie [kWh/jaar] Robuustheid Som [gewichtfactor*waardering]
Wordt gekwantificeerd Wordt gekwantificeerd Wordt gekwantificeerd (incl. recyclebaarheid Wordt gekwantificeerd Bij allen i.p. gelijk (wordt naar gedimensioneerd)
5.4.2. Resultaten De engineering resultaten voor de onderzochte concepten staan in Tabel 21.
51
BLADECO - BLDPV-105 Tabel 21 Engineering resultaten concept ontwerpen massa zwaarte Massa eigenfrequ punt traagheid entie straal [ton] [m] [ton m2] [Hz] 0 APX 29/30, glas/epoxy 0.76 1 Huidige techniek glas/epoxy 0.65 5.1 26 2.6 2 One shot glas/polyester 0.64 5.1 26 2.6 3 one shot co-mingled 0.70 5.1 28 2.5 glas/polyprop 4 D-neus co-mingled glas/pp, 0.77 5.7 37 2.1 staart rotatiegiet pp 5 Kokerbalk staal in p.e. 0.83 5.5 37 2.6 rotatiegiet. 6 U-neus aluminium, staart 0.64 5.1 26 3.2 alu/eps/epoxy sandwich 7 Staal laminaat, gordingen, 0.60 5.0 24 3.2 glas/epoxy staart 8 U neus aluminium, staart 0.60 4.8 23 2.6 alu/eps/epoxy sandwich 9 one short koolstof epoxy.eps 0.44 4.9 18 4.4 10 Houtlaminaat, gordingen, 0.94 6.5 51 2.4 glas/eps/epoxy Ontwerp:
fabricage kosten
milieusc hade
[k€] 9 7 5 6
punten 4 3 3
6
3
6
4
5
3
7
4
7
6
9 12
6 3
De overige criteria zijn door deelnemers aan de twee brainstorm sessies ingevuld, dus eerst door mensen die niet deskundig zijn op de windturbine rotorblad ontwerp techniek en later door mensen met expertise op dit onderwerp. 5.4.3. Conclusies ♦ Het blijkt noodzakelijk te zijn om voor een gedegen materiaal en fabricagetechniek keuze een nieuw ontwerp te maken voor elk concept. Elk concept ontwerp moet dezelfde functie en eigenschappen hebben, echter de vorm en geometrie kan flink afwijken van het origineel. ♦ Koolstof blijkt uit milieu en economie overwegingen niet interessant voor deze schaal (maar zie opmerking in hoofdstuk 5.3.3, onder “Voorbeschouwing geselecteerde alternatieven”). ♦ In de huidige ontwerp normen worden hout en andere natuurvezels gestraft met een hogere veiligheidsfactor op de materiaaleigenschappen dan de nu gebruikelijke constructiematerialen. ♦ Constructies uit meer materiaalcombinaties zijn uit milieu en technische gronden vaak minder interessant. Dit komt door grote verschillen in eigenschappen, zoals stijfheidmodulus en maximaal toelaatbare rek en omdat materialen in de afval fase slecht kunnen worden gesplitst ♦ De beschouwde thermoplasten zouden bij de gevonden resultaten niet interessant zijn als constructie materiaal daar dit tot onacceptabel hoge massa’s leidt. ♦ De concepten 2,3 en 6 komen uit deze studie als meest belovend naar boven, doordat economie, milieu en techniek hier samen gaan. 52
BLADECO - BLDPV-105
6.
Evaluatie
Door het faillissement van Aerpac is voltooiing van het project en daarmee de volledige realisatie van de doelstellingen onmogelijk geworden. Afgezien daarvan moet worden gesteld dat het vinden van geschikte ecologisch vriendelijke materialen voor rotorbladen niet is geslaagd. De onderzochte rotorblad delingen zouden in de uitvoeringsfase uiteindelijk beperkt blijven tot tamelijk conventionele concepten zodat ook hier geen doorbraken zijn bereikt.
6.1. evaluatieparameters Ten aanzien van de evaluatieparameters die in Bijlage VI van de subsidieverstrekking zijn omschreven, kunnen slechts indicaties worden gegeven, aangezien het project niet is voltooid. Nu een aantal voorontwerpen zijn bekeken zouden na testen van de gekozen materialen en verbindingstechnieken de parameters ingevuld kunnen worden. Met de tot dusverre verkregen inzichten in (de mogelijkheden voor) het ontwerp en de productie van een milieuvriendelijker en goedkoper blad is alvast een schatting gemaakt. Rotorblad uit ecologisch vriendelijker materialen Eerder in het project is duidelijk geworden dat het gebruik van hernieuwbare grondstoffen voor de vezel slechts mogelijk is in niet-dragende delen. “Groene” harsen hebben vooralsnog onvoldoende verwerkingseigenschappen om ze op industriële schaal te kunnen toepassen. Bovendien is de beschikbaarheid van de harsen veelal beperkt en is op economische gronden toepassing niet haalbaar door een de zeer hoge prijs van deze materialen. Milieuvriendelijker alternatieven voor het huidige glas/epoxy zijn staal en (vezelversterkte) thermoplasten. Helaas zijn de vezelversterkte thermoplasten die getest zijn, dusdanig tegengevallen dat de materialen zijn afgevallen voor de 2e serie materiaaltesten. Gesteld moet worden dat geen aantrekkelijke milieuvriendelijk alternatieven zijn gevonden voor glas-epoxy, al dient hierbij te worden aangetekend dat op veel gebieden nog ontwikkelingen gaande zijn die dit beeld in de toekomst rooskleuriger kunnen maken. Ook kan niet met zekerheid worden gesteld dat de optimale eigenschappen van de materialen binnen het project behaald zijn, onder meer door onbekendheid met de verwerkingseigenschappen. Bij onderzoek naar het gebruik van vlasvezels is ATO erin geslaagd de druksterkte gedurende het project te verdubbelen. Er bestaan aanwijzingen (bij voorbeeld de hoge stijfheid van het materiaal), dat een verdere verhoging mogelijk is. Binnen het project is echter ook aangetoond dat, omdat de epoxy voor zo’n tweederde van de LCA score zorgt, een vezel met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van glas vereist is om de LCA score van de vezel-matrix combinatie onder die van glas-epoxy te krijgen. Wordt in de toekomst een milieuvriendelijker matrixmateriaal gevonden (desnoods met iets mindere mechanische eigenschappen), dan kan wat LCA score betreft ook bij de huidige vlasvezel sterkte wellicht een concurrerend product worden gemaakt. Het gebruik van thermoplasten PET en PP werd nader beschouwd: omdat de schuifsterkte van PP aan de ondergrens van het toelaatbare lag en PP lastig te verlijmen is, is co-mingled glas/PET getest. Het blijkt van belang de materialen goed te drogen voor het consolideren en vormen. De resultaten vallen tegen, zodat PET niet zou worden meegenomen voor de 2e ronde testen in fase 2. Rotorblad dat 20% goedkoper is De bedoelde kostenreductie zou moeten worden gerealiseerd door goedkoper transport, een minder arbeidsintensieve productie en goedkopere materialen. Alleen op het gebied van de materiaalkosten 53
BLADECO - BLDPV-105 is voldoende inzicht om een schatting van de reductie te kunnen maken. Deze besparingen zouden voor een compleet blad wellicht tot 10% kunnen oplopen t.o.v. de conventionele oplossing. Hier dient dan nog verder bedacht te worden dat met het huidige materiaal door de verdere ontwerpoptimalisatie sinds het referentieblad APX-29 nog een extra 20% besparing haalbaar lijkt. Rotorblad in componenten Delingen in het blad zijn maar beperkt mogelijk. Dit wordt veroorzaakt doordat iedere deling leidt tot lokale verzwaring en daardoor meer materiaalgebruik en arbeidsuren waardoor de kosten en de LCA-score stijgen. Verder leiden delingen tot een hogere “foutgevoeligheid” van de productie. In spanwijdte-richting zijn 3 delingen mogelijk. In de overige richtingen zijn 3 opties reëel: de huidige deling (X- en O-zijde), neus en twee staartpanelen en neus en staart-aanzetstuk. Het huidige inzicht zegt dat, tenzij delingen onvermijdelijk zijn door b.v. onoplosbare transportproblemen, mechanische delingen in lengterichting altijd kostenverhogend zullen werken. Alleen gelijmde verbindingen, om b.v. het stijvere, sterkere en lichtere koolstof aan de tipzijde te kunnen gebruiken lijken kansrijk. Bij bladen met een losse tip ligt vervaardiging van het tipdeel m.b.v. koolstof voor de hand, maar de meeste huidige bladen hebben geen los tipdeel meer. Het gebruik van dragers en vormdelen of –panelen lijkt mogelijkheden te bieden, maar hierover valt in dit stadium van het project weinig te zeggen. In verband met het vervoer van delen van bladen is de lengte van een container (40 voet, ongeveer 12 meter) een handige maat. Rotorblad d.m.v. geautomatiseerde productieprocessen De ingewikkelde geometrie legt beperkingen op aan het productieproces. Eerst dienen de mogelijkheden tot vereenvoudiging van die geometrie te worden onderzocht alvorens zinvolle uitspraken gedaan kunnen worden. Een verlaging van de opbrengst verlaagt het totale rendement van de turbine. Omdat de bladen maar een bescheiden deel van de totale kosten uitmaken, moet zelfs een kleine rendementsverlaging van de bladen al snel door zeer substantiële kostenverlagingen worden gecompenseerd. Dit laatste lijkt alleen bij drastisch verschillende (en volledig ongeteste) fabricagemethoden haalbaar.
6.2. Knelpunten Door het faillissement van Aerpac, de twee jaar durende lange conceptfase ervoor en het tijdsverlies met de overdracht van het penvoerderschap erna, is fase 2 niet volledig uitgevoerd. Omdat fase 3 afhankelijk is van de resultaten in fase 2, zijn er vrijwel geen resultaten in fase 3 bereikt. Fase 1 is daarentegen afgerond en het conceptontwerp van fase 4 is grotendeels uitgevoerd. 6.2.1. LCA gegevens koolstof Een inhoudelijk probleem dat ook in deze periode niet is opgelost is het vinden van LCA gegevens voor met name koolstof. De enige huidige LCA score die in de literatuur is gevonden zou een ernstige belemmering vormen voor de inzet van koolstof. Verdere gegevens omtrent de LCA van koolstof zijn naar de mening van de BLADECO partners essentieel voor de rol van dit materiaal binnen met name een ‘groene’ sector als windenergie. Er is door ECN en TUD een enquête naar een tweetal koolstofproducenten gestuurd. Op de eerste, vrij algemene enquête is geantwoord door de fabrikanten, maar ondanks herhaalde pogingen van ECN, TUD en Aerpac, zijn de fabrikanten niet bereid geweest meer inzicht in de feitelijke chemische processen te verschaffen. Al met al moet daarom voorlopig aangenomen worden dat de beschikbare gegevens over de LCA van koolstof op waarheid berusten. Vanuit milieutechnisch oogpunt zou dan hooguit een betere prestatie van koolstof bladen de LCA van het gebruikte materiaal kunnen compenseren.
54
BLADECO - BLDPV-105 6.2.2. Aanpak project Terugkijkend zijn de partners van mening dat er te snel volledige eisen voor ontwerp en materialen zijn neergelegd: ♦ Voor een bestaand blad zou het materiaal zo ongeveer 1 op 1 vervangen moeten worden door een nieuw materiaal dat ecologisch/economisch gezien gunstiger zou zijn. Dat is een vrijwel onmogelijke opgave t.o.v. een gevestigde techniek. Van dit uitgangspunt is pas na de studie van het voorontwerp afgestapt, maar dat is (te) laat in het project geweest en heeft fnuikend gewerkt op de materiaalselectie. ♦ Verder is ook binnen deze gedachte nog eens onduidelijkheid geschapen door te stellen dat het (met name voor de bladdelingen) ook voor een tweemaal zo groot blad moest opgaan. ♦ De insteek voor natuurlijke vezels lijkt gebaseerd te zijn geweest op ATO onderzoek naar individuele vezels, i.p.v. een vezel/matrix materiaal waarvan reële delen gefabriceerd kunnen worden. De resultaten van de natuurvezels vielen dan ook aanzienlijk tegen en te snel is besloten naar het weinig ecologische materiaal koolstofvezel-epoxy over te gaan voor de rest van het project. Overigens zou dit materiaal door de efficiency van rotorbladen te bevorderen wel degelijk een positieve ecologische bijdrage kunnen leveren. ♦ Voor gebruik van thermoplasten in de normale vorm zouden veel kleine mallen zijn vereist, i.v.m. de hoge viscositeit van thermoplasten. Niet onoverkomelijk, maar dat vereist wel een volkomen ander productieproces en zou waarschijnlijk sterk kostenverhogend werken. De nader onderzochte comingled versie kent dit bezwaar niet, maar de korte in het project beschikbare tijd voor een correcte productie van dit nieuwe type materiaal heeft wellicht ook deze optie onterecht uitgeschakeld. 6.2.3. Suggesties voor verbetering ♦ Er werd gesteld dat er veel uitgebreidere materiaalproeven zouden moeten worden gedaan, in combinatie met een vezelverbeteringsonderzoek, hierna pas verder gaan richting toepassing. ♦ Een LCA catalogus zou ook een bruikbaar hulpmiddel zou zijn geweest, vooral indien er ook prestatiespecifieke waarden in zouden zijn opgenomen. Dit zou een bruikbare tool kunnen zijn voor veel EET projecten. Ongelukkigerwijs is een dergelijk onderzoek echter niet subsidiabel voor EET.
6.3. Conclusies Er moet worden geconcludeerd dat de doelstellingen van het project toch te divers en tegelijk ambitieus zijn gekozen, dat realisatie ervan binnen de beperkte mogelijkheden van het project apriori al erg hoog gegrepen was: ♦ Het vervangen van een verregaand onderzocht en geoptimaliseerd materiaal als glasvezelepoxy door een nieuw onbekend materiaal dat dan zowel milieutechnisch als economisch gezien superieur zou zijn is sowieso een enorme uitdaging. Wellicht had beter op bescheidener schaal (b.v. niet-dragende delen) kunnen worden ingezet. ♦ De nieuwe verbindingstechnieken hadden wellicht een doorbraak kunnen forceren als de fabrikant er volledig en enthousiast achter was gaan staan. De ontwerpafdeling van Aerpac heeft echter altijd sceptisch gestaan t.a.v. de nieuwe mogelijkheden. Vezelversterkte materialen laten zich per definitie lastig verbinden. Zoals boven gesteld, zal het toevoegen van lengtedelingen in een blad bijna per definitie een belangrijke kostenverhoging betekenen, welke met lagere transportkosten onmogelijk te compenseren valt. Slechts als het gebruik van bladen in één deel vrijwel onmogelijk wordt bestaat er een kans dat deze oplossing haalbaar wordt en dan met name bij gebruik van een spacer met een mechanische verbinding of gelijmde verbindingen. 55
BLADECO - BLDPV-105 ♦ Bij gebruik van een dragende spar en losse vormdelen lijken de mogelijkheden reëler, maar dat vereist een belangrijke omschakeling in het ontwerp- en fabricageproces en zijn derhalve sterk afhankelijk van de visie van de fabrikant.
56
BLADECO - BLDPV-105
7.
Deelnemers 7.1. Aerpac
Aerpac was wereldwijd de tweede onafhankelijke producent van rotorbladen voor windturbines en wilde deze positie minimaal handhaven maar eerder nog versterken. De huidige ontwikkelingen in de windenergie zetten de prijzen voor turbines sterk onder druk en daarmee ook de toeleveringen. Door alle marktpartijen wordt gestreefd naar schaalvergroting en efficiëntie-verbetering, hetgeen met de huidige, zeer arbeidsintensieve productiewijze van rotorbladen nauwelijks meer mogelijk is. Daarnaast wordt het transport van rotorbladen door de toenemende lengte een probleem. Aerpac heeft deze problemen in een vroegtijdig stadium onderkend en heeft een strategie ontwikkeld die berust op drie kerndeskundigheden; systeemkennis, productietechnologie en globalisering. Systeemkennis van turbines is de kerndeskundigheid van het bedrijf en met name de kennis van de invloed van de rotorbladen op het systeem. Deze kennis wordt verder ontwikkeld in samenwerking met consultants, kennisinstituten, hogescholen en via metingen aan eigen testturbines. De productietechnologie wordt verder ontwikkeld om te komen tot modulaire opbouw van rotorbladen en gemechaniseerde/geautomatiseerde productie van delen van rotorbladen. Deze delen worden dan centraal geproduceerd en wereldwijd geassembleerd. Voor toekomstige ontwikkelingen is kennis van alternatieve materialen noodzakelijk. Deze kan worden verkregen door acquisitie van of samenwerking met bedrijven die over deze kennis beschikken. BLADECO heeft betrekking op de ontwikkeling van de hierboven genoemde productietechnologie. Als voorwaarde voor automatisering van de productie wordt een modulaire opbouw verondersteld, waarbij verbindingstechnieken cruciaal zijn. Automatisering/mechanisering is de belangrijkste voorwaarde om substantiële kostprijsbesparingen te realiseren. Door toepassing van goedkopere grondstoffen zal de prijs-prestatie verhouding nog verder positief beïnvloed worden. Het gebruik van hernieuwbare (groene) energie vraagt ook gebruik van materialen die milieuvriendelijk en goed recyclebaar zijn waardoor de publieke opinie over windenergie zich positief blijft ontwikkelen. Binnen het kader van BLADECO heeft Aerpac zich vooral gericht op de aanmaak van productiemiddelen en het ontwerp van de rotorbladen. Door een combinatie van geforceerde groei, beperkte financiële middelen en een geschil met een klant, ging Aerpac begin 2001 failliet, waarmee zowel de penvoerder, alsook de enige industriële partij uit het project viel en verdere uitvoering onpraktisch werd.
7.2. ATO B.V. ATO B.V. verricht fundamenteel en toegepast onderzoek op het gebied van industriële toepassing van landbouwgrondstoffen. De business unit Renewable Resources (150 medewerkers) doet onder andere onderzoek naar processen voor de ontsluiting en verwerking van vezelgrondstoffen voor een breed scala aan industriële applicaties, zoals onder andere de traditionele toepassing in de linnen-textielindustrie en de papier & pulp industrie. Een belangrijk deel van het onderzoek richt zich op de ontwikkeling van composietmaterialen op basis van plantaardige vezelgrondstoffen voor onder andere de automobielindustrie (extrusiecompounds, GMT, thermohardende composieten. etc.).
57
BLADECO - BLDPV-105 De in dit project beoogde ontwikkeling zal een optimale performance van de vezelversterkte materialen vereisen, hetgeen veel kennis heeft opgeleverd met betrekking tot de inzetbaarheid van agro-vezelgrondstoffen in hoogwaardige producten. Deze kennis is toegepast in nieuwe projecten. Bovendien ontwikkelt ATO B.V. thermoplastische en thermohardende materialen op basis van hernieuwbare grondstoffen (zetmeel, eiwitten, lignine en cellulose derivaten. Deze materialen worden grotendeels via bestaande technieken verwerkt. De milieuvriendelijkheid van de verwerkingstechnieken wordt daarbij goed in het oog gehouden en waar mogelijk geoptimaliseerd. Binnen BLADECO heeft ATO B.V. zich voornamelijk bezig gehouden met onderzoek naar alternatieve materialen als vervanger voor de huidige materialen.
7.3. Energieonderzoek Centrum Nederland, ECN Het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) in Petten is het centrale instituut voor energieonderzoek in Nederland. ECN ontwikkelt technologieën voor een veilige, efficiënte en milieuvriendelijke energievoorziening. De units van ECN werken aan duurzame energie (wind en zon), fossiele brandstoffen, nucleaire energie en beleidstudies. Sinds het midden van de jaren zeventig heeft de unit Duurzame Energie van ECN het voortouw in het onderzoek en de ontwikkeling van windenergie in Nederland. Zij werkt hierbij nauw samen met de industrie aan de ontwikkeling van windturbines. In dit kader wordt aan alle aspecten van de ontwikkeling van windturbines aandacht geschonken. Zo is in 1993 al een start gemaakt met het onderzoek naar de mogelijkheden voor hergebruik van rotorbladmaterialen. De in het project opgedane kennis en ervaring, met name met betrekking tot de LCA technieken en de recycling, zal door ECN toegepast kunnen worden op andere vraagstukken. Binnen BLADECO heeft ECN zich vooral bezig gehouden met recycling, LCA en het ontwerpen van rotorbladen.
7.4. KEMA Het werkterrein van KEMA wordt gevormd door alle mogelijke combinaties tussen de aandachtsgebieden Energie, Milieu en Kwaliteitsmanagement. Naast het alom bekende certificatieen keurwerk doet KEMA onderzoek, adviseert, ontwerpt, houdt toezicht, doet kwaliteitscontroles, meet en inspecteert. Onderzoek op het gebied van alternatieve materialen voor toepassing op het terrein van duurzame energie valt binnen de core-competence van de firma. KEMA is een belangrijke adviseur voor de Nederlandse elektriciteitsproductie en distributiebedrijven. Voor consultancy over duurzame energie is het noodzakelijk om op de hoogte te blijven van de meest recente ontwikkelingen. In dit kader wordt binnen KEMA onderzoek gedaan naar vermoeiing van rotorbladen, materiaalkeuzes voor windturbines, en worden er ontwerp- en verificatie- berekeningen uitgevoerd aan complete windturbines. Daarnaast zijn KEMA en ECN in CIWI verband verantwoordelijk voor de afname-keuring van windturbines die worden geplaatst in Nederland. Binnen BLADECO heeft KEMA zich vooral bezig gehouden met LCA en het testen van materialen.
58
BLADECO - BLDPV-105
7.5. Technische Universiteit Delft, TU Delft De Technische Universiteit Delft (TU-Delft) is een onderwijs- en onderzoeksinstelling. Binnen de TU-Delft zijn een aantal secties actief op het gebied van windenergie. Het betreft hierbij secties van verschillende faculteiten. Deze secties van de faculteiten Civiele Techniek, Elektrotechniek, Werktuigbouwkunde en Lucht & Ruimtevaart, zijn verenigd in het DUWIND samenwerkingsverband. In dit samenwerkingsverband zijn de vele disciplines welke betrokken zijn bij het windturbine ontwerp vertegenwoordigd. De secties binnen DUWIND doen o.a. onderzoek op het gebied van aërodynamica, aëro-elastics, structural dynamics, sterkte en vermoeiing van windturbine materialen en componenten, meet- en regeltechniek en generatorontwerp. De sectie welke deelnemer is aan het onderhavige EET project BLADECO is de WMC groep. Momenteel is deze sectie gehuisvest in het Stevin laboratorium van de faculteit der Civiele Techniek, maar wegens behoefte aan grotere en meer geavanceerde testfaciliteiten wordt aan een nieuw laboratorium gewerkt in de kop van Noord Holland. Dit laboratorium komt tot stand met een ICES/KIS subsidie en is een samenwerkingsverband tussen de faculteit Lucht- en Ruimtevaart van de TU Delft en ECN. De WMC groep doet onderzoek naar de sterkte en het vermoeiingsgedrag van materialen en componenten. Het onderzoek is zowel experimenteel als numeriek. Deze sectie is sinds 1984 betrokken bij het materiaal- en componentenonderzoek op het gebied van windturbines. Het laboratorium heeft een grote naam op het gebied van zogenaamde "Full-Scale" vermoeiingsproeven op rotorbladen. Vrijwel alle sterkte- en vermoeiingsproeven op rotorbladen van de Nederlandse industrie zijn door de WMC groep uitgevoerd. Hiernaast wordt in Europees verband aan tal van onderzoeksprogramma’s deelgenomen, vaak met steun van de NOVEM. Momenteel is de groep coördinator van een groot (ongeveer € 5 mln.) onderzoeksproject “OPTIMAT BLADES” dat met 18 partners, 10 toonaangevende onderzoeksinstituten op het gebied van materialen in de windindustrie, 6 industriële partners (met een gezamenlijk aandeel in de wereldmarkt van ongeveer 80%), en de twee belangrijkste certificeerders in Europa tot nieuwe voorschriften voor rotorbladen van windturbines zal gaan leiden. Verder heeft de WMC groep in samenwerking met het IVW (het Instituut voor Windenergie, een andere sectie van DUWIND) en met Stork P.E het ontwerppakket FOCUS ontwikkeld. Dit pakket is een geïntegreerd ontwerpgereedschap voor windturbines dat door een aantal rotorblad- en turbinefabrikanten wordt gebruikt. De resultaten van het project zullen het kennisniveau van de WMC groep verder verhogen op het gebied van materialen, verbindingstechnieken en testen. Deze kennis kan onderwezen worden waaruit spin-off effecten kunnen ontstaan. Binnen BLADECO heeft de WMC groep zich voornamelijk bezig gehouden met materiaaltesten. Verder zijn eerste ontwerpen gemaakt voor de verbindingen. Na het wegvallen van Aerpac heeft de WMC groep ook het penvoerderschap van het BLADECO project op zich genomen.
7.6. Samenwerking tussen de deelnemers Waar nodig wisten de partners, ook buiten de formele taakverdeling om, elkaar te vinden voor nader advies en hulp, zoals bij voorbeeld de door ATO door pultrusie vervaardigde proefstukken met koolstof-epoxy, als aanvulling op de testen van KEMA. De samenwerking tussen de WMC groep en ECN zal worden geïntensiveerd worden met de bouw van het nieuwe laboratorium. 59
BLADECO - BLDPV-105
8.
BLADECO publicaties en referenties 8.1. Bladeco publicaties
Naast een groot aantal interne rapporten zijn ook naar buiten toe resultaten gepubliceerd: ♦ In ‘De Constructeur’ is in december 2001 het artikel “De milieuprestatie als leidraad in het ontwerpproces” gepubliceerd als hoofdartikel van dat tijdschrift [1]. ♦ In het voorjaar van 2000 zijn de resultaten van de hechtingsstudie door ATO gepresenteerd op het congres “Polymer Fibres 2000” in Manchester [2]. De resultaten werden hier goed ontvangen. Naar aanleiding van een aantal discussies met o.a. AKZO na de presentatie is besloten nog een aantal aanvullende experimenten te doen alvorens de concept publicatie die gereed ligt op te sturen naar het “Journal of Material Science”. ♦ Het LCA als ontwerpprincipe is door ECN gepresenteerd op de IEA expert meeting in Roskilde. [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Bulder, B.H., Lafleur, M.C.C., Braam, J, de Bonte, H., Molenveld, K., Bos, H.L., van Delft, D.R.V. en van Wingerde, A.M., “De milieuprestatie als leidraad in het ontwerpproces”, De Constructeur, 12 (2001) 18. Molenveld, K., Teunissen, W. en Bos,H.L., (Lecture)”Optimization of the Compressive Strength of UD Flax Fibre reinforced Materials”, Proc. Polymer Fibres 2000, July 5-7, Manchester, UK, (2000). Lafleur, M.C.C., Bulder, B.H., Braam, J, de Bonte, H., Molenveld, K., Bos, H.L., van Delft, D.R.V. en van Wingerde, A.M., “Using LCA in the design of Wind Turbine Rotor Blades”, IEA topical Expert Meeting on Life Cycle assessment of Wind Turbines, March 7/8 Riso Roskilde Denmark, 2002. van den Oever, M.J.A, Bos, M.J.A en Snijder, M.J.A, “Facts and Myths on Flax Fibre Composites”, Proc. The Global Outlook for Natural Fibre Reinforced Composites 2001, December 3-5, Orlando, Florida, USA (2001) Bos, H.L., Molenveld, K., Teunissen, W., van Wingerde, A.M. en van Delft, D.R.V.,” Compressive Behaviour of Unidirectional Flax Fibre Reinforced Composites”,(submitted to J. Mat. Sci., 2002)
8.2. Referenties [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]
[15] [16]
Wijziging Uitvoeringsregeling E.E.T. 1998, 8 mei 1998/nr WJA/JZ-98031099. Fölster, Th. en Michaeli, W., Kunststoffe, 83 (1993) 687. Schlößer, Th. en Fölster, Th., Kunststoffe, 85 (1995) 319. Mieck, K.-P. en Reußmann T., Kunststoffe, 85 (1995) 366. Mieck, K.-P., Nechwatal A. en Knobelsdorf, C., Angew. Makromol. Chemie, 225 (1995) 37. Felix, J.M. en Gatenholm P., J. Appl. Polym. Sci., 50 (1993) 699. Buijs, J. en Groenewegen R., Kunststof & Rubber, 10 (1991) 13. “Toepassing van agrovezels in bouw- en composietmaterialen”, ATO-DLO 1996. Heijungs. R. (ed.). “Milieugerichte levenscyclus van produkten”. Handleiding en achtergronden. Geschreven in het kader van het nationale onderzoekprogramma hergebruik van afvalstoffen (NOH) van NOVEM en het RIVM/CML. Leiden/TNO Apeldoorn/Bureau Brand- en Grondstoffen, Rotterdam.1992. Overbeek, J.P., "LCA van windturbinebladen", ECN-C-96. Haije, W.G. "Evaluatie van de mogelijkheden voor recycling van windturbinebladen", Energie Engineering 6202-GR 1. 60
BLADECO - BLDPV-105 [17] [18] [19] [20] [21]
[22]
[23] [24] [25]
[26]
[27]
de Bruin, J.C.M. "Lassen en Lijmen, bij het construeren in Kunststof", Lastechniek November 1995. Kensche, Ch. W. “Dehnbolzenverbindingen in Faserverbundwerkstoffen”, VDIWerkstofftag, 4- 5 March 1991, Munich. Kensche Ch. W., “Environmental effects on gl-ep material and tests on blade components with T-bolt load attachments”, DLR FB 94-09. Rink, H.D., “Fatigue tests on T -Bolt Connections in Glass Fibre Epoxy", Stevin report 694-6, 1994, Delft. Dutton, A.G.,Kildegaard, C., Dobbe, T., Bensoussan, R., Kensche, C., Hahn, F., van Delft, D.R.V. en de Winkel,G.D., “Design, structural testing, and cost effectiveness of sectional wind turbine blades”. (publishable final report). Sectional Blades. Contract JOR3-CT970167. Publishable final report. Duration: August 1 st 1997- November 30 th 2000. Joose, P.A., van Delft, D.R.V, van Wingerde, A.M., Kensche, C., Kooij, J.F., van den Berg R.M., Soendergaard, D., Korsgaard, J. en Hagg, F., “Development of large CFRP rotor blade components”. (publishable final report). Contract JOR3-CT98-260. Publishable final report. Duration: September 1st 1998-January 1st 2002. Vereniging FME, “lijmen van Kunstoffen”,voorlichtingspublicatie VM88,1994. BLADECO: Windturbine bladen van ecologische materialen. Rapportage fase 1Levenscyclusanalyse van windturbine bladen. Sas, H., “Verwijdering van huishoudelijk kunststofafval: analyse van milieu-effecten en kosten”, 15 september 1994, Centrum voor Energiebesparing en Schone Technologie Caluori A., Mark F.E., Moser M. en Prisse A., “An alternative Fuel for Cement Production - Source Separated Plastics Waste”, APME technical paper series, 8021/GB, 1997. European Structural Polymeric Composites Group, “Structural Design of Polymer Composites”, E & FN Spon, London, UK, 1996.
61
BLADECO - BLDPV-105
62
BLADECO - BLDPV-105
Appendix A BLADECO Verslag hechtingonderzoek vlas/epoxy composieten mei 2002
Inhoudsopgave 1. 2.
3.
4.
Inleiding .......................................................................................................................................2 Experimenteel ..............................................................................................................................3 2.1. Inleiding..........................................................................................................................3 2.2. Materialen ......................................................................................................................3 2.3. Methoden ........................................................................................................................4 2.4. Materiaaltesten ..............................................................................................................5 Resultaten.....................................................................................................................................6 3.1. Vezelbundel sterkte .......................................................................................................6 3.2. Screening van sizingmethoden .....................................................................................7 3.3. Optimalisatie van de sizingmethode ..........................................................................10 3.4. Trekproeven .................................................................................................................14 Conclusies...................................................................................................................................16
1
BLADECO - BLDPV-105
1.
Inleiding
In het kader van het EET project Bladeco (Windturbine bladen van ecologische materialen) wordt onderzoek uitgevoerd naar alternatieve, meer milieuvriendelijke materialen die kunnen worden toegepast in windturbine bladen. In de eerste fase van het project is o.a. onderzoek uitgevoerd naar de eigenschappen van UD vlas/epoxy composiet materialen als mogelijke vervanging van glas/epoxy composieten. De resultaten van deze vingeroefeningen zijn vermeld in de rapportage van fase 11. Uit het onderzoek bleek dat de mechanische eigenschappen van vlas/epoxy composiet materialen ver beneden verwachting waren, vermoedelijk door een zeer slechte hechting tussen de vlasvezels en de epoxymatrix. Deze conclusie werd getrokken omdat de toevoeging van vlasvezels aan de epoxymatrix nauwelijks een verbetering van de mechanische eigenschappen opleverde en omdat uit SEM (Scanning Electron Microscopy) foto's bleek dat interactie tussen vlasvezels en de epoxymatrix vrijwel afwezig was. Naar aanleiding van deze resultaten is een onderzoek opgestart om de vezel/matrix hechting te verbeteren. Gebrek aan vezel/matrix hechting is een bekend probleem voor composiet materialen. Zo is er tientallen jaren onderzoek verricht om de hechting van glasvezels met diverse matrixmaterialen te optimaliseren. Dit onderzoek heeft inmiddels geresulteerd in een scala van glasvezelsizings die ieder geschikt zijn voor een specifiek matrixmateriaal. Gezien de polariteit van natuurlijke vezels en de aanwezigheid van reactieve groepen (zoals hydroxylgroepen) aan het oppervlak van de vezels, bestond de verwachting dat de hechting van natuurlijke vezels met epoxyharsen van nature goed zou zijn. Het aantal reactieve groepen en de beschikbaarheid van deze reactieve groepen aan het vezeloppervlak is echter vermoedelijk te gering om in een significante (chemische) interactie tussen vlasvezels en de epoxyhars matrix te resulteren. Het onderzoek naar de verbetering van de hechting tussen vlasvezels en epoxyhars bestaat uit een eerste fase waarin een groot aantal sizings wordt uitgetest, gevolgd door een tweede fase waarin de meest veelbelovende methode wordt geoptimaliseerd. Omdat veelvuldig gebruik wordt gemaakt van chemische (oppervlakte) modificatiemethoden en vlasvezels voor een belangrijk deel bestaan uit cellulose zijn de sizingproeven simultaan uitgevoerd op viscose. Viscose is een semi-natuurlijke vezel die volledig uit cellulose bestaat, en waarvan verwacht wordt dat het aan het oppervlak dezelfde reactieve groepen bezit als vlasvezels. Viscose heeft bovendien een vergelijkbare sterkte als vlasvezels. Door een vergelijking te maken van natuurlijke vezels met viscose wordt getracht extra informatie te verkrijgen over bijvoorbeeld de invloed van de opbouw van natuurlijke vezels op de mechanische eigenschappen en de invloed van andere componenten die aanwezig zijn in de natuurlijke vezels zoals lignine en pectine op de reactiviteit van het vezeloppervlak.
1
Windturbinebladen van ecologische materialen: Rapportage fase 1, 3 juli 1998.
2
BLADECO - BLDPV-105
2.
Experimenteel 2.1. Inleiding
Het onderzoek naar de verbetering van de hechting tussen natuurlijke vezels en epoxyhars is uitgevoerd met een brede selectie oppervlakte modificatie methoden. Er is gebruik gemaakt van sizings, van vezeloppervlakte modificatie methoden en van coating/impregnatie methoden. Een belangrijke groep sizingagents, die bijvoorbeeld worden toegepast op glasvezels, zijn silanen. In dit onderzoek zijn oppervlaktemodificaties uitgevoerd met tri(m)ethoxysilanen met verschillende eindgroepen. Tevens zijn oppervlakte modificaties uitgevoerd met maleïnezuuranhydride en met ftaalzuuranhydride. Van deze anhydrides wordt verwacht dat ze het oppervlak van natuurlijke vezels reactiever maken voor bijvoorbeeld epoxyhars. Ook zijn vezels gecoat/geïmpregneerd met phenol/formaldehyde hars (PF hars), melamine/formaldehyde-hars (MF hars), en epoxyhars. PF hars en met name MF hars staan bekend om hun zeer goede hechting met cellulose materialen. Vanuit de literatuur is bekend dat gemodificeerde MF hars kan binnen dringen in de vezels van diverse houtsoorten2. Het is daarom niet onwaarschijnlijk dat met behulp van MF vlasvezels kunnen worden geïmpregneerd om zodoende de vezel/matrix hechting te verbeteren. De epoxyhars dient als vergelijkingsmateriaal om de invloed van een extra harslaag die om de vezel wordt aangebracht te onderzoeken. Van epoxyhars wordt niet verwacht dat het binnendringt in de vlasvezels3. De mate van hechting van de composietmaterialen is bepaald aan de hand van de Inter Laminar Shear Strength (ILSS) en de compressiesterkte. Aanvullend zijn enkele trekproeven uitgevoerd.
2.2. Materialen Vlas vezels Warmwaterroot vlas is intern aangeleverd. Warmwaterroten is een methode om vlasvezels die zich in het bastgedeelte van de vlasplant bevinden los te maken van de houtstengel. Om invloeden door kwaliteitsverschillen te voorkomen is gebruik gemaakt van één batch (V94-II). Duralin vlas is verkregen via CERES. Duralin vlas heeft een verduurzamingbehandeling ondergaan vergelijkbaar aan het PLATO proces dat toegepast wordt voor hout. Viscose vezels Twee typen viscose zijn verkregen via AKZO-NOBEL: 1. Standaard viscose “Cudenka 700 garen” met een treksterkte van ±500 mN/tex (=770 MPa) en een titer van 2440 dtex 4. Dit type viscose is gemaakt volgens het Rayon-proces en bevat een twist. 2. Experimenteel viscose (code PR960284N) met een treksterkte van 870 mN/tex (=1330 MPa) en een titer van 2440 dtex. Dit type viscose is geproduceerd via het fosforzuur-proces. Epoxyhars De epoxyhars is verkregen via Aerpac: SP Systems, Ampreg20 met ultraslow harder. Mengverhouding 100:30 (w/w).
2 3 4
Rapp, et al., Holzforschung vol. 53, (1997). Hepwordth et al., Composites: Part A vol. 31 (2000) Het tex systeem is afkomstig uit de textiel industrie en is een maat voor het gewicht van een vezel in grammen per 1000 meter.
3
BLADECO - BLDPV-105 Sizings ♦ 3-aminopropyl-trimethoxysilaan (97%), phenyl-triethoxysilaan (98%) en vinyltrimethoxysilaan (98%) zijn geleverd door Aldrich. ♦ Maleïnezuur anhydride (geschikt voor synthese) is aangeschaft via Merck. ♦ Ftaalzuuranhydride (99%) is gekocht bij Aldrich. ♦ De PF hars is van het type resole met een watergehalte van 40% en een PH van 11. De hars is verkregen via Trespa. ♦ Madurit MW909 MF hars is afkomstig van DSM. ♦ Melamine (99%) is aangeschaft bij Aldrich. ♦ Een oplossing van 37% formaldehyde in water, gestabiliseerd met 10% methanol is gekocht bij Merck.
2.3. Methoden Ethanolextractie Vlasvezels zijn “ ontvet “ d.m.v. een tweevoudige extractie met kokende ethanol gedurende 3 uur. Met behulp van deze methode wordt het waslaagje dat het oppervlak van vlasvezels van nature bedekt verwijderd en de toegankelijkheid van het vezeloppervlak vergroot. Silanisering De reactie bestaat uit 2 stappen: hydrolyse van de (m)ethoxy-groepen van de silaanverbinding tot reactieve hydroxyl-groepen, gevolgd door reactie van de silaanverbinding met de vlasvezels. Volledige hydrolyse wordt bereikt door water (0.8 ml) toe te voegen aan een oplossing van silaanverbinding (0.8 ml) in methanol (80ml). De reactie wordt uitgevoerd in een 200ml PPbekerglas en is volledig na reactietijd van 1 uur bij kamertemperatuur. Vervolgens worden in deze oplossing gedurende 1 uur 16 g vezels gedrenkt. Na afloop van de silaanbehandeling worden de vezels overnacht gedroogd in een heteluchtoven bij 70°C. Uitgaande van een volledige reactie is het percentage silaanverbinding op de vlasvezels ca. 3 wt%. Modificatie met Maleïnezuuranhydride (MA) en Ftaalzuuranhydride (FA) De modificaties worden uitgevoerd in de gasfase. MA wordt hiertoe verhit tot 100°C. Vlasvezelsbundels worden gedurende 1 uur in MA-damp gebracht, waarbij MA op de vezels sublimeert, en met de vezels reageert. De gemodificeerde vezels worden gedurende 2 dagen gedroogd bij 50°C. Bij deze temperatuur verdampt het niet gereageerde MA. Het percentage MA op de vlasvezels is bepaald m.b.v een HPLC methode (verzepen met natronloog en opgeloste stoffen bepalen) en is ca 0.29wt%. De FA behandeling wordt overeenkomstig deze methode uitgevoerd, waarbij FA verhit wordt tot 150°C en de behandeltijd 1.5 uur is. Na afloop van de reactie worden de vezels gewassen om overtollig ftaalzuuranhydride te verwijderen. Het percentage FA op de vlasvezels is 0.35wt%. Behandeling met Phenol-Formaldehyde- (PF), Melamine-Formaldehyde- (MF) en epoxyhars De harsen worden verdund tot 10% oplossingen. De PF- en de epoxyhars worden opgelost in ethanol en MF hars wordt opgelost in water. De vlasbundels worden gedurende 10 minuten in de oplossing gedrenkt (de behandeling wordt uitgevoerd bij kamertemperatuur) en overnacht gedroogd bij 70°C. De percentages PF- en epoxyhars op de vezels zijn niet bepaald. Het percentage MF hars op de vezels is bepaald door weging en kan variëren (afhankelijk van aanpassingen aan de behandelmethode) van 10 tot 50wt%.
4
BLADECO - BLDPV-105 Composietmaterialen via pultrusie UD composietmaterialen worden geproduceerd via een labschaal pultrusie methode. Hierbij wordt gebruik gemaakt van 3 mal typen. 1. Rechthoekige messing mallen (4*10*155 mm) voor het maken van ILSS samples 2. Dunne rechthoekige messing mallen (2*10*155mm) voor het maken van trekstaafjes 3. Cilindrische teflon mallen (6 mm doorsnede, lengte 21.5 mm) voor het maken van compressie samples. De technische vlasvezels en viscosevezels worden geknipt in lengten van resp. 360 mm voor de rechthoekige mallen en 460 mm voor de cilindrische mallen. Vervolgens worden hiervan vezelbundels gemaakt van resp. 5,0 g voor maltype 1, 1,5 g voor maltype 2 en 5,0 g voor maltype 3. De vezelbundels worden gedroogd, geïmpregneerd met epoxyhars en in een pultrusiemal getrokken. De overmaat epoxyhars en eventuele luchtbellen worden hierbij uit de vezelbundels geperst. De composieten worden overnacht geprecured bij 35 °C en overnacht gecured (uitgehard) bij 70 °C. De composietmaterialen voor ILSS en compressietesten (maltype 1 en 3) hebben een vezelgehalte van ca. 50% (v/v). De trekstaafjes hebben een vezelgehalte van 30% (v/v). De dimensie van de mallen voor de trekstaafjes laten geen hoger vezelgehalte toe. Vezelgehaltes zijn bepaald door weging.
2.4. Materiaaltesten Stelometertesten De treksterkte van vezelbundels is bepaald met behulp van de stelometer (Spinlab AG) volgens ISO 3060 (1974), met een inklemlengte van 3.2 mm. De vezelbundels bestaan uit 1 laagdikte vezels met breedte van ca. 2 mm. De testen zijn in 5-voud uitgevoerd. Compressietesten Compressietesten zijn uitgevoerd in 5-voud aan cilindrische samples met een lengte van 25 mm en een diameter van ca. 6 mm, met een snelheid van 1 mm/min (ISO3597-3). De tests zijn uitgevoerd met behulp van een Zwick 1445 universal tester. ILSS metingen ILSS testen zijn uitgevoerd in 5-voud aan rechthoekige samples met een lengte van 25 mm, een dikte van 4 mm en een breedte van 10 mm. De testen zijn uitgevoerd met een opleglengte van 20 mm en een snelheid van 1 mm/min (ISO4585) met behulp van een Zwick 1445 universal tester. Trekproeven E-modulus en treksterkte-metingen zijn uitgevoerd aan samples met een lengte van 150 mm, een dikte van 2 mm en een breedte van 10 mm. Om klembreuk te voorkomen worden op de trekmonsters aluminium tabs (10*25 mm) geplakt m.b.v. epoxy-lijm (Araldite). De metingen zijn uitgevoerd bij een snelheid van 1mm/min (E-modulus) en 10 mm/min (treksterkte,ISO527) met behulp van een Zwick 1445 universal tester.
5
BLADECO - BLDPV-105
3.
Resultaten 3.1. Vezelbundel sterkte
In het onderzoek naar de verbetering van de hechting in vlas/epoxy composietmaterialen is gebruik gemaakt van verschillende typen vezels; warmwaterrootvlas (wwr.), Duralin vlas, standaard viscose en experimenteel viscose. Met behulp van een stelometer is de vezelbundel sterkte van de verschillende typen vezels beoordeeld. De resultaten worden weergegeven in Tabel 1, waarbij de standaarddeviatie tussen haakjes wordt weergegeven. Opgemerkt moet worden dat de vezelsterkte van warmwaterrootvlas en Duralin vlas per batch kan variëren. Tijdens het gehele hechtingsonderzoek wordt daarom gebruik gemaakt van één batch warmwaterrootvlas en één batch Duralin vlas. De resultaten wijken af van eerdere resultaten uit de vingeroefeningen omdat deze behaald zijn met zowel een andere batch Duralin vlas als met een andere batch warmwaterrootvlas. Tabel 1. Vezelsterkte zoals bepaald met behulp van een stelometer Monsteromschrijving Sterkte Breukrek [MPa] [%] 750 (131) 2.4 (1.0) Warmwaterrootvlas Ontvet wwr. Vlas 820 (52) 1.7 (0.4) Duralin Vlas 546 (77) 1.9 (0.7) Standaard Viscose 510 (19) 28.9 (3.9) Experimenteel Viscose 1064 (28) 8.4 (0.7) De sterkte van het warmwaterrootvlas laat een grote spreiding zien. Deze spreiding kan verklaard worden met het feit dat de meting in 5-voud is uitgevoerd en één vezelbundel van beduidend slechtere kwaliteit was. Het gemeten ontvette warmwaterrootvlas was van een meer constante kwaliteit, en ontvetten heeft geen negatieve invloed op de vezelsterkte. Uit de experimenten blijkt dat Duralin vlas iets minder sterk is dan standaard warmwaterrootvlas. De verduurzamingbehandeling die het vlas heeft ondergaan veroorzaakt deze daling in de vezelsterkte. Verondersteld wordt dat de vezels tijdens deze behandeling enigszins thermisch degraderen. Standaard viscose is iets minder sterk dan vlas, maar experimenteel viscose is beduidend sterker dan vlas. De vezelbundel sterktes zoals gemeten met de stelometer zijn voor beide typen viscose lager dan de opgegeven vezelsterktes (resp. 510 versus 770 en 1064 versus 1330). Dit verschil wordt vermoedelijk veroorzaakt door het bundeleffect. De opvallend hoge rek van standaard viscose wordt veroorzaakt door de twist die in viscose garen aanwezig is. Experimenteel viscose bevat geen twist, maar de rek van dit type viscose is aanzienlijk hoger dan de rek van standaard wwr. vlas en Duralin vlas. Een verklaring voor deze hoge rek is moeilijk te geven maar moet gezocht worden in de structurele verschillen tussen vlasvezels en viscose vezels. Drie belangrijke verschillen zijn: 1. Viscose vezels bestaan voor 100% uit cellulose waar vlasvezels ook hemicellulose (ca. 15%), lignine (ca. 3%) en pectine (ca. 2%) bevatten. 2. Viscose vezels hebben een oneindige lengte terwijl technische vlas vezels maximaal 1 m lang zijn en zijn opgebouwd uit elementaire vlasvezels van ca. 30 mm. 3. De kristalstructuur en de kristalliniteit van het cellulose in viscose en vlas zijn verschillend. Onderzoek heeft aangetoond dat met name dit laatste verschil een belangrijke invloed heeft op de mechanische eigenschappen van de vezels. Viscose bestaat uit 100% geregenereerd cellulose (Cellulose II). De kristalstructuur van geregenereerde cellulose is niet gelijk aan de kristalstructuur 6
BLADECO - BLDPV-105 van natuurlijk cellulose (Cellulose I) waaruit vlasvezels zijn opgebouwd, en de kristalliniteit (dus het percentage kristallen) van geregenereerd cellulose is over het algemeen lager (ca. 50%) dan de kristalliniteit van natuurlijke cellulose (ca. 70%) . Cellulose I zoals gevonden in vlas bevat veel meer intramoleculaire waterstofbruggen dan Cellulose II waardoor natuurlijk cellulose (Cellulose I) in principe een hogere treksterkte en modulus heeft dan Cellulose II (de E-modulus van de Cellulose I keten is 140 GPa t.o.v. 90 GPa voor de E-modulus van de Cellulose II keten), hetgeen in de resultaten wordt teruggevonden.5
3.2. Screening van sizingmethoden ILSS metingen In de eerste fase van het hechtingsonderzoek is een scala van sizingmethoden uitgetest op standaard warmwaterroot vlas. De effectiviteit van de behandelingen is in eerste instantie bepaald aan de hand van ILSS metingen. Tijdens ILSS metingen wordt een grote afschuifkracht aangebracht op de composietmaterialen. De Inter Laminar Shear Strength wordt in grote mate bepaald door de hechting tussen vezels en matrix. De resultaten van de ILSS metingen worden weergegeven in Tabel 2 waarbij tussen haakjes de standaarddeviatie vermeld wordt. Tabel 2. Invloed van sizing methoden op de Inter Laminar Shear Strength. Behandeling Wwr. Vlas Ontvet Wwr. Vlas Stnd. Viscose Exp. Viscose ILSS [MPa] ILSS [MPa] ILSS [MPa] ILSS [MPa] 15.5 (0.4) 25.4 (0.5) 39.6 (0.6) 45.4 (0.8) Geen Ontvetten 25.4 (0.5) Nvt. 37.8 (0.9) 45.9 (1.8) MA 16.7 (1.0) 26.7 (0.5) 42.1 (2.2) 50.7 (0.9) FA 14.9 (1.0) --39.3 (1.6) 46.5 (2.5) Amino silaan 13.1 (0.2) --38.7 (2.4) 39.2 (2.9) Phenyl silaan 16.9 (0.9) --39.6 (0.8) 47.6 (1.6) Vinyl silaan 12.6 (1.0) --38.8 (1.6) 45.7 (3.4) MF (10%) 19.7 (0.6) 30.5 (0.7) 39.5 (1.6) 44.4 (2.5) PF (5%) 14.8 (0.8) --40.4 (1.6) 47.4 (1.4) Epoxy (5%) 13.6 (0.7) --40.8 (1.0) 43.9 (1.1) Opvallend in deze resultaten is het effect van ontvetten op de ILSS van warmwaterroot (wwr.) vlas (zie kolom 1). Om de vlasvezels bevindt zich een waslaagje. Wanneer dit waslaagje wordt verwijderd verbetert de hechting de expoymatrix aanzienlijk. De MA behandeling resulteert in een minimale (niet significante) stijging van de ILSS waarde. Het meest effectief lijkt de behandeling met MF hars. Met behulp van deze methode wordt een significante verbetering van de ILSS bereikt. Het is moeilijk een uitspraak te doen over de effectiviteit van de overige sizingmethoden omdat deze in principe herhaald zouden moeten worden met ontvet warmwaterroot vlas. Zowel de MA als de MF behandeling zijn herhaald gebruikmakend van ontvet vlas (zie kolom 2). Uit de resultaten blijkt dat het effect van ontvetten doorwerkt op de effectiviteit van behandelingsmethoden die na het ontvetten worden toegepast. Wanneer ontvet warmwaterroot vlas wordt behandeld met MA of MF is de ILSS hoger dan wanneer uitgegaan wordt van standaard warmwaterroot vlas. Deze uiteindelijke verbetering in ILSS waarde lijkt een optelling van het effect van ontvetten en de sizingmethode.
5
Kroon-Batenburg et al., Polym. Comm. Vol. 27 (1986).
7
BLADECO - BLDPV-105 Zowel standaard als experimenteel viscose presteren beter dan vlas in de ILSS-metingen (zie kolom 3 en 4). De hechting tussen viscosevezels en de epoxymatrix lijkt dus beter dan de hechting tussen vlasvezels en de epoxymatrix. Dit effect is groter dan het effect van het ontvetten van vlas. Viscose bestaat uit puur geregenereerd cellulose (cellulose II). Vlas bevat naast (ca. 70%) cellulose I ook lignine, pectine en hemicellulose. De verschillen in de ILSS-metingen kunnen er op duiden dat het oppervlak van vlas verschilt van het oppervlak van viscose. Dit verschil kan enerzijds het aantal reactieve groepen aan het oppervlak van de cellulose kristallen zijn door het verschil in de kristalstructuur van cellulose (Cellulose I t.o.v. Cellulose II) en anderzijds het voorkomen van de andere componenten (lignine, pectine en hemicellulose) aan het oppervlak van vlasvezels. Meer waarschijnlijk is het echter dat het verschil in de ILSS-metingen wordt veroorzaakt door structurele verschillen in de vezels zelf. Cellulose II (viscose) bevat veel meer intermoleculaire waterstofbruggen dan Cellulose I (vlas). Deze intermoleculaire waterstoffen zorgen voor interacties tussen kristallagen waardoor de afschuifmodulus van Cellulose II hoger is dan die van Cellulose I (de shear-modulus van de Cellulose I keten is 1.5 GPa t.o.v. 2.5 GPa voor de shear-modulus van de Cellulose II keten).6 Bovendien zijn de viscose vezels enkelvoudige vezels terwijl de technische vlasvezels opgebouwd uit elementair vezels die op hun beurt opgebouwd zijn uit microfibrillen. Dit maakt technische vlasvezels intern gevoelig voor afschuiving. De enige behandelingsmethode waarmee een positief effect op de ILSS-waarde van viscose composieten wordt verkregen is de behandeling met MA. Waar voor vlasvezels slechts een miniem effect verkregen werd, is dit effect voor viscose significant. Wanneer vlasvezels worden behandeld met MF hars stijgt de ILSS aanzienlijk. Voor de beide viscose typen wordt echter geen effect van deze behandeling gevonden. Een verklaring voor dit verschil in effectiviteit van de behandeling kan zijn dat de vezel/matrix hechting in de viscose composieten al veel beter is dan de vezel/matrix hechting in de vlascomposieten. Een meer voor de hand liggende verklaring is dat MF in de vlasvezels dringt en crosslinked met de vlasfibrillen waardoor de vlasvezels minder gevoelig worden voor afschuiving. Dit effect treedt niet op in viscose omdat viscose vezels enkelvoudige vezels zijn. Duidelijk is wel dat de ILSS waarde van viscose composieten niet daalt onder invloed van de MF behandeling. Compressie testen Een tweede beoordeling van de invloed van oppervlakte behandeling op de hechting in vlasvezel/epoxy composieten is uitgevoerd aan de hand van compressie metingen. Deze metingen zijn uitgevoerd aan een selectie van materialen, gemaakt naar aanleiding van de ILSS resultaten. De resultaten van de compressie testen worden weergegeven in Tabel 3 met tussen haakjes de standaarddeviatie.
6
Gardner et al., Biopolymer Vol. 13 (1974).
8
BLADECO - BLDPV-105
Behandeling Geen Ontvetten MA FA Amino Silaan Phenyl Silaan Vinyl Silaan MF PF Epoxy
Tabel 3. Invloed van sizing methoden op de compressiesterkte. Wwr. Vlas Ontvet Wwr. Vlas Stnd. Viscose Exp. Viscose σcomp [MPa] σcomp [MPa] σcomp [MPa] σcomp [MPa] 119 (2) 137 (13) ----137 141 --110 114 116 -------
(13) (13) (4) (4) (7)
nvt 133 (13) --------250 (13) -----
151 (5) 142 (8) --------220 (14) -----
176 (4) 170 (6) --------214 (9) -----
Ook tijdens de compressietesten wordt een groot effect gevonden van het ontvetten van vlasvezels. Een verbeterde hechting tussen vezels en matrix resulteert hier in een hogere compressiesterkte. Composieten op basis van beide typen viscose bezitten over het algemeen een hogere compressiesterkte dan de vlascomposieten. De intermoleculaire waterstofbruggen in de cellulose II kristallen van viscose vormen een stevige 3-dimensionale structuur die een hogere compressiesterkte heeft dan de 2-dimensionale structuur van de cellulose I kristallen in vlas. De resultaten van de ILSS-metingen laten een lichte verbetering van de hechting zien wanneer vezels werden behandeld met MA. Uit de compressietesten blijkt geen duidelijk positief effect van deze behandeling. De compressiesterkte van standaard warmwaterroot vlas stijgt na de MA behandeling tot ongeveer de sterkte van ontvet warmwaterroot vlas (van 119 naar 141 MPa). Wanneer echter ontvet vlas wordt behandeld met MA wordt geen extra effect van de MA behandeling gevonden (133 in plaats van 137 MPa). Ook voor beide viscose typen wordt geen positief effect gevonden van de MA behandeling op de compressiesterkte, ondanks de lichte stijging van de ILSS-waarden. Van de 3 silaanbehandeling bleek tijdens de ILSS metingen alleen de behandeling met phenyltriethoxysilaan een licht positief effect op de vezel/matrix hechting te vertonen. Compressietesten van silaanbehandeld vlas laten echter geen enkele verbetering zien. De methode waarmee een positieve invloed op de Inter Laminar Shear Strength van vlas/epoxy composieten werd bereikt is de behandeling met MF hars. Overeenkomstig aan deze resultaten tonen de compressietesten een sterke verbetering van de compressiesterkte voor zowel de vlascomposieten als de viscosecomposieten. Opvallend is dat waar de MF behandeling geen positief effect op de ILSS waarde van viscose heeft de compressiesterkte wel een grote verbetering laat zien. Deze lijkt dus niet veroorzaakt te worden door een verbeterde hechting. Vermoedelijk dringt MF door in de viscosevezels en treedt crosslinking op waardoor de viscosevezels worden versterkt. Het effect van de MF behandeling is echter minder groot dan het effect dat in geval van vlas gevonden wordt. Resultaat is dat de compressiesterkte van MF behandeld vlas hoger is dan de compressiesterkte van MF behandeld viscose. Conclusie De twee behandelingen die een duidelijk positief effect hebben op de compressiesterkte van vlasvezel/epoxy composieten zijn ontvetten met ethanol en impregnatie met MF hars. Combinatie van de twee methoden levert de beste resultaten. Het positieve effect van ontvetten wordt 9
BLADECO - BLDPV-105 toegeschreven aan een verbeterde hechting. Verwijdering van het waslaagje dat de vlasvezels van nature bedekt maakt het vezeloppervlak beter toegankelijk. Uit de resultaten kan niet eenduidig geconcludeerd worden dat de verbetering van de compressiesterkte door impregnatie met MF hars geheel toe te schrijven is aan een verbeterde hechting. Vermoedelijk treden extra effecten op zoals een interne crosslinking van de vlasvezels en viscose vezels. Ook is het moeilijk extra informatie te verkrijgen door de vergelijking met viscose vezels, omdat het verschil tussen vlasvezels en viscose vezels in structuur en opbouw te groot is. De drie genoemde verschillen; kristalstructuur, zuiverheid en vezelopbouw werken alledrie door in de resultaten en de effecten zijn moeilijk van elkaar te onderscheiden.
3.3. Optimalisatie van de sizingmethode Gezien het positieve effect van MelamineFormaldehydehars (MF) op de compressiesterkte van cellulose composieten is deze methode uitgekozen om in een tweede fase verder te worden geoptimaliseerd. Parameters die in dit onderzoek aan de orde zijn gekomen zijn: 1. De hoeveelheid opgebracht MF hars 2. De impregnatietijd en –temperatuur 3. De Melamine/Formaldehyde ratio 1) De hoeveelheid opgebracht MF hars De hoeveelheid opgebracht MF is gevarieerd door oplossingen te maken van MF hars in water, waarbij de concentratie MF oploopt van 5% tot 20% (zie ook hoofdstuk 2.3: Methoden). Verwacht wordt dat een hoger MF concentratie resulteert in een hogere harsopdracht op de vezels. De invloed van de MF opdracht op de mechanische eigenschappen wordt vermeld in Tabel 4 (tussen haakjes wordt de standaarddeviatie weergegeven en indien beschikbaar de harsopdracht). Uit de experimenten blijkt dat voor alle vezeltypen geldt dat bij hogere opdrachten aan MF de compressiesterkte toeneemt. De beste resultaten worden verkregen door ontvet warmwaterrootvlas (wwr) te impregneren met behulp van een 20% MF oplossing. De ILSS metingen laten een ander beeld zien. Verhoging van de MF concentratie van 5 naar 10% heeft weinig effect op de ILSS waarden. Een verdere verhoging naar een 20% MF oplossing resulteert in een verlaging van de Inter Laminar Shear Strength. Sizings worden meestal in zeer kleine hoeveelheden opgebracht. Optimale resultaten worden meestal bereikt met sizingpercentages van 1-2 gewichtsprocent ten opzichte van de vezels. De MF harsopdracht op de vezels loopt op van 10 tot ca. 50% ten opzichte van de vezels! Deze harsopdracht is de toename van het drooggewicht van vlas door behandeling met hars. Een harsopdracht van 50 % betekent dat 1 gram vlas na behandeling 0.5 g hars heeft opgenomen. Dit houdt in dat in feite vlas/MF/epoxycomposieten worden gemaakt. Daling van de ILSS waarde bij hoge MF concentraties kan worden veroorzaakt door het bezwijken van de zeer brosse MF laag.
10
BLADECO - BLDPV-105 Tabel 4. Invloed van de MF-opdracht op de mechanische eigenschappen. Vezeltype, concentratie ILSS Compressie MF in water τ [MPa] σcomp [ MPa] 17.6 (1.0) -Wwr. Vlas, 5% MF Wwr. Vlas, 10% MF 19.7 (0.6) -Ontvet Vlas, 10% MF 30.5 (0.7) 250 (13) Ontvet Vlas, 20% MF 27.9 (0.7) 307 (21) (48% MF opdracht) Stnd. Viscose, 5% MF 40.4 (0.8) -Stnd. Viscose, 10% MF 39.5 (1.6) 220 (14) Stnd. Viscose, 20% MF 33.7 (0.4) 289 (9) (32% MF opdracht) Exp. Viscose, 5% MF 43.8 (0.9) -Exp. Viscose, 10% MF 44.4 (2.5) 214 (9) Exp. Viscose, 20% MF 37.8 (1.2) 264 (8) (25%MF opdracht) Het stijgen van de compressiesterkte terwijl de hechting niet verbetert, het toenemen van de compressiesterkte met de MF opdracht en de grote hoeveelheid MF die opgebracht wordt duiden erop dat MF ook nog een heel ander effect op de vezels heeft. Een mogelijke verklaring voor deze resultaten is dat de laag MF hars de vezels versterkt in compressie. Een relatief dikke laag MF voorkomt wellicht dat de vezels uitknikken. Wanneer uitgegaan wordt dat de MF hars zeer goed hecht aan de vezels kan verondersteld worden dat de MF laag werkt als een koker die zelfs op microscopische schaal het uitknikken van de vezels tegengaat. Door slechte hechting is de epoxymatrix zelf vermoedelijk niet instaat uitknikken te voorkomen. Een andere verklaring is dat MF beschadigingen in de vezel (kinkbanden) kan opvullen en zo de compressiesterkte verbeteren. De meest voor de hand liggende verklaring is echter dat de vlasvezels worden geïmpregneerd met MF hars en dat de MF hars met de vezel reageert tot een 3dimensionaal gecrosslinked netwerk. Technische vlasvezels zijn opgebouwd uit elementair vezels die op hun beurt zijn opgebouwd uit microfibrillen. Het is goed mogelijk dat MF hars deze structuren in de technische vlasvezels onderling met elkaar verbindt. Van enkele composieten is het MF gehalte op de vezels bepaald. Het valt op dat vlasvezels meer MF hars opnemen dan viscosevezels. Dit verschil wordt veroorzaakt door de open structuur van vlasvezels. 2) De impregnatie methode De hoeveelheid opgebracht MF beïnvloedt de compressiesterkte van de composietmaterialen aanzienlijk. Met behulp van een test waarbij verschillende parameters zijn gevarieerd is getracht de compressiesterkte van de composieten verder te verhogen. Onderzocht is of zwellen in water gedurende 3 uur de vezels meer toegankelijk maakt voor de MF oplossing. Bovendien is invloed van de impregnatietijd onderzocht (5 versus 60 minuten) evenals de temperatuur tijdens de impregnatie (20 versus 70°C. Omdat is gebleken dat de MF opdracht bepalend is voor de compressiesterkte is het percentage MF in de composieten bepaald. Alle experimenten zijn uitgevoerd met ontvet warmwaterroot vlas. De resultaten van de impregnatietesten worden weergegeven in Tabel 5.
11
BLADECO - BLDPV-105 Van enkele materialen met hoge MF gehalten worden geen foutenmarges aangegeven omdat niet voldoende samples gemeten konden worden. De compressiesterkte van deze materialen was dermate hoog dat de materialen niet bezweken in de 10kN trekbank die voor dit onderzoek beschikbaar was. De aangegeven compressiesterkten zijn derhalve ondergrenzen.
Code
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R
Tabel 5. Invloed van de impregnatiemethode op de compressiesterkte. Impregnatie MF in CompressieComposiet sterkte Temp. Zwellen Tijd MF conc. [%] σcomp [MPa] [°C] [uur] [min] [%] 4.8 4 207 (13) 20 0 5 9.1 11 263 (3) 16.7 22 -4.8 4 211 (3) 20 3 5 9.1 10 260 (4) 16.7 18 307 (1 sample) 4.8 7 238 (10) 20 0 60 9.1 16 270 (3) 16.7 29 279 (1 sample) 4.8 4 235 (7) 70 0 5 9.1 9 263 (8) 16.7 12 249 (22) 4.8 4 218 (5) 70 3 5 9.1 7 233 (6) 16.7 15 280 (7) 4.8 7 242 (4) 70 0 60 9.1 17 277 (7) 16.7 18 >300 (1 sample))
Hogere impregnatietemperaturen resulteren vaak in een iets lagere harsopdracht (vergelijk experiment C en L, F en O en I en R). Zwellen in water heeft geen duidelijk effect op de harsopdracht. Langere impregnatietijden daarentegen resulteren in een zeer duidelijk effect op de harsopdracht. Deze neemt significant toe. In figuur 1 worden de resultaten grafisch weergegeven, door de compressiesterkte van de composietmaterialen uit te zetten tegen het MF gehalte in de composieten. Het verband tussen het MF gehalte en de compressiesterkte van het composietmateriaal is duidelijk waar te nemen. Verhoging van de MF-opdracht resulteert in een stijging van de compressiesterkte. De experimenten geven geen helderheid over de optimale impregnatie methode. De spreiding in de resultaten is groot. Gezien het feit dat een langere impregnatietijd leidt tot een hogere MF opdracht heeft de impregnatietijd invloed op de compressiesterkte.
12
BLADECO - BLDPV-105
320
compressiesterkte (MPa)
300
20°C, geen zwelling in water, 5 min. in MF-oplossing
280
20°C, 3 uur zwellen in water, 5 min. in MF-oplossing 20°C, geen zwelling in water, 1 uur in MF-oplossing
260
70°C, geen zwelling in water, 5 min. in MF-oplossing 70°C, 3 uur zwellen in water, 5 min. in MF-oplossing
240
70°C, geen zwelling in water, 1 uur in MF-oplossing
220
200 0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
MF-gehalte in composiet
Figuur 1. Invloed van de impregnatiemethode op de compressiesterkte De Melamine/Formaldehyde ratio Voor het onderzoek is in eerste instantie uitgegaan van een standaard MF hars (Maduriet 909) met een Melamine/Formaldehyde ratio van 1: 1.65. Deze Melamine/Formaldehyde ratio bepaald de crosslinkdichtheid van de hars en daarmee ook het percentage beschikbare vrije reactieve sites. Melamine heeft in principe 3 reactieve sites (NH2-groepen) waarop het kan crosslinken. Een hoge M/F ratio (bijv.) 1:2.0) levert een relatief sterker gecrosslinked netwerk dan een lage M/F ratio (1:1.5). Onderzocht is of de eigenschappen van de composietmaterialen verder geoptimaliseerd konden worden door de M/F ratio te variëren7, en dus de hoeveelheid vrije aminogroepen in de hars te variëren. De resultaten staan vermeld in Tabel 6 en zijn grafisch uitgewerkt in figuur 2. In deze figuur is net als in figuur 1 de compressiesterkte uitgezet tegen de MF gehalte in de composieten. Code Blanco I K A C M N E G 7
Tabel 6. Invloed van de M/F ratio op de compressiesterkte M/F Ratio MF in Composiet Compressiesterkte [%] σcomp [MPa] 100% melamine 5 147 (3) 1:1.5 15 275 (8) 16 267 (6) 1:1.65 (experimenteel) 18 263 (3) 23 273 (7) 1:1.65 (Maduriet) 18 263 (3) 19 268 (6) 1:2.0 14 255 (3) 21 256 (6)
Methode verkregen via DSM onder geheimhouding. MF-ratio is bepaald via elementanalyse.
13
BLADECO - BLDPV-105 Wanneer melamine in de pure vorm wordt toegepast, is het niet in staat de eigenschappen van de composieten significant te verbeteren. Ontvet warmwaterroot vlas levert composieten met een compressiesterkte van ca. 137 MPa. Met melamine behandeld vlas heeft een compressiesterkte van ca. 147 MPa. Deze lichte stijging is niet te vergelijken met de verbeteringen die worden gevonden wanneer MF harsen worden toegepast. 320
300
compressiesterkte (MPa)
ratio M:F= 1:1.5
280
ratio M:F= 1:1.65 ratio M:F= 1:2.0 DSM-Maduriet909
260
240
220
200 0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
MF - gehalte in composiet
Figuur 2. Invloed van de M/F-ratio op de compressiesterkte. Wanneer commerciële MF hars vergeleken wordt met een experimentele MF hars met een vergelijkbare M/F-ratio worden identieke resultaten behaald. Dit duidt er op dat de resultaten die worden verkregen met de via de experimentele methode geproduceerde MF harsen vergeleken mogen worden met eerdere resultaten. Wanneer figuur 2 met figuur 1 vergeleken wordt valt op dat de hars met relatief veel formaldehyde (M/F-ratio 1: 2.0) composieten oplevert met minder goede eigenschappen. Deze hars heeft een hogere crosslinkdichtheid dan standaard MF hars met een M/Fratio van 1:1.65. Het bevat minder vrije NH2 groepen waarvan verwacht wordt dat ze kunnen reageren met de epoxyhars. Verlaging van de M/F-ratio naar 1: 1.5 resulteert niet in een significant beter resultaat. Eens te meer duiden deze resultaten erop dat MF hars niet alleen de hechting in de composieten verbeterd, maar ook de compressiesterkte van de vezels vermoedelijk door het crosslinken van de cellulosemoleculen en andere vezelcomponenten in de vezels waardoor een stevig 3-dimensionaal netwerk ontstaat.
3.4. Trekproeven Uit experimenten die uitgevoerd zijn om de eigenschappen van vlas/epoxy composieten te verbeteren is gebleken dat met behulp van melaminehars (MF) de ILSS verhoogd kan worden en dat de compressiesterkte zelfs verdubbeld kan worden. Aanvullend zijn trekproeven uitgevoerd om te onderzoeken hoe de MF behandeling de treksterkte van deze composieten beïnvloed. De 14
BLADECO - BLDPV-105 trekproeven zijn uitgevoerd aan composieten met een vezelgehalte van 30% (was 50% voor ILSS en compressiemetingen). In Tabel 7 wordt de invloed van de MF behandeling op de vezelssterkte (stelometer methode) en treksterkte van epoxycomposieten weergegeven. Ook wordt een indicatie van de E-modulus vermeld. Indien beschikbaar wordt het percentage MF op de vezel vermeld. Tabel 7. Invloed van de MF behandeling op de treksterkte. Vezelsterkte Treksterkte E-modulus [MPa] [MPa] [GPa] Wwr Vlas 750 (131) 249 (25) 23.3 Ontvet Wwr Vlas 820 (52) 242 (28) 18.5 Wwr Vlas +MF 596 (60) (26% 147 (8) (54% 23.9 MF) MF) Duralin Vlas 546 (77) 254 (11) 24.4 Ontvet Duralin Vlas 604 (58) 230 (29) 23.2 Duralin + MF 337 (27) (15% 208 (24) (38% 26.4 MF) MF) Stnd. Viscose 510 (19) 203 (5) 8.9 Stnd. Viscose + MF 478 (34) (42% 256 (7) (32% 10.7 MF) MF) Exp. Viscose 1064 (28) 310 (9) 16.9 Exp. Viscose + MF 599 (81) (32% 345 (3) (30% 20.0 MF) MF)
Monster
Uit deze experimenten blijkt dat ontvetten van vlasvezels geen invloed heeft op de treksterkte van composieten. Dit resultaat is niet opmerkelijk omdat bij UD-materialen die in de trekrichting worden belast de vezel/matrix hechting een ondergeschikte rol speelt. De vezelsterkte bepaald de treksterkte van de UD-composietmaterialen, en ontvetten verslechtert de vezelsterkte niet. Zowel voor warmwaterroot vlas als voor Duralin vlas heeft de MF behandeling een sterk negatief effect op de treksterkte van de composieten. De treksterkte van composieten op basis van warmwaterrootvlas daalt door de MF behandeling van ca. 249 naar 147 MPa. De treksterkte van composieten op basis van Duralin vlas daalt door de MF behandeling van ca. 230 naar 208 MPa. De daling wordt waarschijnlijk veroorzaakt door een daling in de vezelsterkte in de trekrichting. De MF hars kan een brosse en stijve laag om de vezels vormen. Gedurende de trekproeven zal de MF hars bij zeer lage rekken bezwijken en zo spanningsconcentraties veroorzaken die niet opgevangen kunnen worden door de vezels, waardoor de composieten bezwijken. Ook kan de hars gedeeltelijk in de vezels dringen2. De MF hars die is binnengedrongen in de vezels en daar een 3-D netwerk heeft gevormd kan de vezels ook bros maken. De vezelsterkte van beide viscose typen lijkt af te nemen na behandeling met MF hars. Dit is niet in overeenstemming met de sterkte van de composieten die juist toeneemt door na behandeling met vlas, en kan niet verklaard worden. De toename in composiet sterkte is vermoedelijk toe te schrijven aan de versterking van de viscose vezels met behulp van MF hars. MF hars dringt in de vezels en vormt met de vezels een gecrosslinked netwerk. Daar waar de (technische) vlasvezels zijn opgebouwd uit elementaire vlas vezels, zijn de viscose vezels homogeen van structuur. MF zal daarom in viscose vezels meer homogeen verdeeld zijn dan in vlas vezels. In vlasvezels ontstaan vermoedelijk domeinen met veel MF die een zeer bros gedrag vertonen. De modulus metingen laten zien dat vlasvezelscomposieten een hogere modulus bezitten dan viscosecomposieten. Dit verschil kan verklaard worden met het verschil in kristalstructuur. 2
Rapp, et al., Holzforschung vol. 53, (1997).
15
BLADECO - BLDPV-105
4.
Conclusies
Het ontvetten van vlasvezels heeft een belangrijke invloed op de hechting in vlasvezelcomposieten. Door middel van een behandeling met MF hars kan de ILSS en de compressiesterkte van vlasvezel composieten verbeterd worden. Door deze behandeling wordt de vezelsterkte en de treksterkte van composieten sterk verlaagd. Ook voor composietmaterialen op basis van viscose geldt dat de compressiesterkte kan worden verbeterd door middel van een MF behandeling. In dit geval kan echter ook de treksterkte worden verbeterd. De MF hars werkt niet alleen als hechtingverbeteraar, maar kan waarschijnlijk ook op andere manieren de compressiesterkte verhogen: Het werkt als stijve coating die uitknikken van de vezels tijdens compressietesten tegen kan gaan. Het werkt als crosslinker die de vezel binnendringt en stabiliseert door crosslinking met cellulose en andere componenten in de vezel. Momenteel worden deze hypothesen onderzocht met behulp van SEM onderzoek. Er is een duidelijk verband tussen het MF gehalte in het composietmateriaal en de compressiesterkte. Hoe hoger het MF gehalte in het composietmateriaal hoe hoger de compressiesterkte terwijl bij hoge MF gehalten de ILSS afneemt. Het zou kunnen dat bij zeer hoge MF beladingen de hoeveelheid MF op (dus niet in) de vezel toeneemt waardoor de ILSS afneemt. Er is geen duidelijke optimale methode gevonden om de MF aan te brengen op de vezels. Vergelijkingen tussen viscose en vlasvezels zijn moeilijk te maken en dragen maar gedeeltelijk bij aan de begripvorming. Dit omdat viscose en vlas op te veel fundamentele punten van elkaar verschillen. De mechanische eigenschappen van glasvezelcomposieten kunnen ondanks de sterke verbeteringen die behaald zijn met behulp van MF behandelingen, niet benaderd worden.
16
BLADECO - BLDPV-105
17
BLADECO - BLDPV-105
18
Appendix B BLADECO voorontwerp werk rapport BLDPV-078, t.b.v. Contractnummer: EETK96071/398110-0810, fase 4.1 juli 1999 tekst en illustraties: Guido Zwart, Viro engineering b.v.
Inhoudsopgave 1. 2. 3. 4.
5.
6.
7. 8.
9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Samenvatting ...............................................................................................................................2 Inleiding ......................................................................................................................................... 3 Gevolgde methodiek....................................................................................................................4 Materialen en verwerking milieugegevens ...............................................................................7 4.1. 'Catalogus' Materialen ..................................................................................................7 4.2. Prestatie-specifieke kengetallen..................................................................................11 4.3. Het wisper25 spectrum................................................................................................15 4.4. De wisper25 spanning 'σ σ1u-wispcr25' ..............................................................................16 Fabricage technologieën ...........................................................................................................17 5.1. 'Catalogus' fabricage concepten.................................................................................17 5.2. Bespreking fabricage technologie...............................................................................17 Verbindingstechnieken .............................................................................................................23 6.1. 'Catalogus' verbindingstechnieken ............................................................................23 6.2. Bespreking verbindingstechnieken ............................................................................24 Formulering van rotorblad totaalconcepten ..........................................................................27 Dimensioneren van alternatieve rotorblad-constructies .......................................................39 8.1. Methodiek bij het dimensioneren...............................................................................40 8.2. Veréénvoudigde ontwerp-envelop apx29/30 .............................................................41 8.3. Berekenen van benodigde buigstijfheid.....................................................................42 8.4. Berekenen van de gerealiseerde buigstijfheid...........................................................43 8.5. Afleiding formule ter bepaling van EIy......................................................................45 8.6. Afleiding formule ter bepaling van EIx......................................................................50 8.7. Berekening van tipverplaatsing en eigenfrequentie .................................................51 Resultaten ..................................................................................................................................53 Conclusies ..................................................................................................................................54 Aanbevelingen (waaronder enkele knuppels voor in het hoenderhok)................................55 Referenties .................................................................................................................................57 Gebruikte computerbestanden ................................................................................................58 Adressenlijst (man en paard) ...................................................................................................59 Index .......................................................................................................................................62
Annex 1: Annex 2: Annex 3: Annex 4:
Catalogus materialen Catalogus fabricageconcepten en verbindingstechnieken ('brainstorm oogst') Berekening aërodynamische prestatie van éénvoudiger rotorblad geometrieen Dimensioneren van alternatieve rotorbladconstructies 1
