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NICE Verminderung der Eisbildung durch Nanostrukturierung von Oberflächen mit einem Ultrakurzpulslaser

Mit Hilfe eines Ultrakurzpulslasers (UKPL) werden Nanostrukturen im sub-µm Bereich auf technischen Oberflächen erzeugt, um damit das Anhaften von Eis zu vermeiden, zu erschweren oder die Lebensdauer von Eisschichten zu verringern. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass durch eine Laser-Nanostrukturierung der Oberfläche von Proben das Vereisen erschwert bzw. die Vereisungsdauer verringert werden kann. Im gegenständlichen Projekt sollen daher Proben aus unterschiedlichen Werkstoffen mit einem UKPL nanostrukturiert und die Ausbildung, Periodizität und Zusammensetzung der erzeugten sub-µm Strukturen auf den Proben untersucht werden. Die Auswirkungen unterschiedlicher Strukturierung auf das Be-netzungsverhalten verschiedener Probenwerkstoffe durch Wassertröpfchen wird mit einem Kontaktwinkelmessgerät analysiert. Begleitend dazu wird das am Institut vorhandene Simulationsmodell des Benetzungsverhaltens von Oberflächen in den sub-µm-Bereich erweitert. Dadurch soll das Finden optimaler Strukturen ermöglicht, die Anzahl an Versuchen reduziert, sowie auch das generelle Verständnis der Vorgänge verbessert werden. Das Aufwachsen von Eis auf nanostrukturierten Proben wird in einem Klimawindkanal beobachtet. In diesem Klimawindkanal werden definierte Bedingungen (Temperatur, Windgeschwindigkeit, Tröpfchengröße, etc.) eingestellt. Diese Untersuchungen sollen zu einem besseren Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Oberflächenstruktur der Proben, ihrem hydrophoben Verhalten und dem Anwachsen von Eis führen. Einzelne Proben werden in Feldversuchen an einer Kleinwindkraftanlage eingesetzt bzw. zusammen mit Vergleichsproben exponiert. Die laserbearbeiteten Proben werden zusammen mit unbearbeiteten Referenzproben kontinuierlich überwacht und die Eisbildung auf der Probenoberfläche quantitativ erfasst. Damit sollen Aussagen über den Grad der Eisbildung sowie die Dauer der Vereisung ermöglicht werden. Die Proben werden im Anschluss an die Exposition demontiert, untersucht und mit den Ergebnissen vor der Exposition verglichen. Ein Vergleich von Oberflächenprofilen und dem hydrophoben Verhalten vor und nach der Exposition ermöglicht Aussagen über Veränderungen und die Lebensdauer der Nanostrukturen. Die Ergebnisse der geplanten Untersuchungen werden Zusammenhänge zwischen der Struktur, dem (super)hydrophoben Verhalten und dem Aufwachsen von Eis liefern.  Die Tests unter realen Bedingungen liefern zudem Erkenntnisse zur Beständigkeit der mittels Laser erzeugten Nanostrukturen.

Ausgangssituation

Weltweit bieten viele Standorte mit Vereisungsbedingungen hervorragende Windverhältnisse und damit großes Potential für die Installation von Windkraftanlagen (WKA). In Österreich sind praktisch alle bisher installierten WKA zumindest von moderaten Vereisungsbedingungen betroffen. Diese Vereisungsbedingungen stellen jedoch nicht unwesentliche Herausforderungen sowohl in der Planung, als auch im Betrieb von WKA dar. Die drei wesentlichen Aspekte sind:
(a) Das Risiko für Leib und Leben, das von einer vereisten WKA in Hinblick auf Personen, die sich im Nahbereich der WKA aufhalten, ausgeht.
(b) Die geometrische Veränderung des Rotorblattprofiles führt zu einer drastischen Verschlechterung der aerodynamischen Eigenschaften des Rotors und damit zu einer Verringerung des Energieertrags.
(c) Ungleichmäßige Eisbildung auf den verschiedenen Rotorblättern (bzw. ungleiches Abfallen des Eises) kann zu einer starken asymmetrischen Kraft (Unwucht) führen, die eine extreme Belastung der Windkraftanlagen mit sich bringen kann.
In der Betriebsführung von Windkraftanlagen spielt Vereisung, aus den drei oben angeführten Punkten - dem Risiko für Personen, dem Ertragsverlust und der Belastung der Anlage - eine große Rolle. Der kritischste Punkt ist dabei klar das Risiko, das von herabfallenden oder abgeworfenen Eisstücken für Personen in der Nähe der Anlage ausgeht. Auch kommt dem Eisfallrisiko für Personen in Hinsicht auf die öffentliche Akzeptanz von Windkraftanlagen eine besondere Bedeutung zu. Aus diesen Gründen muss eine vereiste Windkraftanlage im Regelfall – folgend der der jeweiligen nationalen Gesetzgebung – abgeschaltet werden, sobald ein Eisansatz vorliegt.
Sobald Vereisung an einer WKA erkannt ist oder die atmosphärischen Bedingungen eine Vereisungsgefahr erkennen lassen, kann durch Heizen des Rotors durch Warmluft oder eine elektrische Widerstandsheizung an der Rotorblattoberfläche das Eis entfernt werden, bzw. die Eisbildung verhindert werden. Abhängig von der Leistung der Heizung, ist diese Strategie nur für einen eingeschränkten Temperaturbereich möglich. Das Problem der Eisbildung an Windkraftanlagen ist daher bisher trotz mehrerer etablierter Methoden zu Eiserkennung und Enteisung nach wie vor nur unbefriedigend gelöst ist. Selbst wenn Personenrisiken durch die Betriebsführung und andere Schutzmaßnahmen begrenzt werden können, werden doch durch die Vereisung hohe Ertragsverluste verursacht.

Projektverlauf

Im Rahmen des gegenständlichen Projekts haben wir folgende Arbeiten geplant:
Erforschung der Laser-Nanostrukturierung unterschiedlicher Werkstoffe
Fertigung von Labormustern für Tests im Klimawindkanal und Feldversuche
Erweiterung des vorhandenen Simulationsmodells zur Benetzung von Oberflächen in den sub-µm Bereich
und der Vorhersage optimaler Strukturen zur Erzeugung hydrophober Eigenschaften
Aufbau einer stationären Beobachtungsstation für nanostrukturierte Proben
Installation von bewegten Vereisungsproben am Rotor einer Kleinwindkraftanlage
Bestimmung des Vereisungsverhaltens unterschiedlicher Proben im Feldversuch
Verbreitung der Forschungsergebnisse in der Fachöffentlichkeit
Praktische Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse in der Windenergiebranche ermöglichen.

Meilensteine
1 Projekt Kick-Off Treffen
2 Internes Review
3 Funktionale Nanostrukturen
4 Parameter Nanostrukturen
5 Funktionsfähiges Simulationsmodell
6 Validierung des Simulationsmodells
7 Aufbau Beobachtungsstation
8 Auswertung Beobachtungsdaten
9 Charakterisierung Proben nach Ende Feldversuche
10 Konferenz Windenergie
11 Konferenz Fertigungstechnik
12 Workshop
Ergebnisse

Besseres Verständnis über den Einflusses unterschiedlicher Bearbeitungsparameter auf die resultierende Topografie bei unterschiedlichen Werkstoffen und von Strukturen mit unterschiedlicher Periodizität (Mikro- bzw. Nanostrukturen oder mehrstufige hierarchische Strukturen) auf das (super)hydrophobe Verhalten.
Besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen dem hydrophoben Verhalten der Proben und dem Anhaften von Eis und Schnee.
Durch vergleichende Tests nanostrukturierter und unbearbeiteter Proben unter realen Bedingungen an ausgewählten Standorten erwarten wir Erkenntnisse über Verschleiß und Beständigkeit.
Geplante Erweiterungen der am Institut vorhandenen Simulationsmodelle zum Benetzen von Oberflächen in den sub-µm-Bereich sollen zu einem verbesserten Verständnis der Vorgänge beim Benetzen und der Eisbildung führen.

Steckbrief

Projektnummer
871733
Koordinator
Gerhard Liedl - Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien
Projektleitung
Gerhard Liedl, gerhard.liedl@tuwien.ac.at
Partner
Energiewerkstatt Verein
Schlagwörter
Ultrakurze Laserpulse Mikro- und Nanostrukturen Hydrophobe Oberflächen
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
04.2018 - 03.2020
Budget
586.646 €