NREL、積層造形で持続可能な風力タービンブレード生産を革新

米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL、コロラド州ゴールデン）の研究チーム（シニア風力技術エンジニア、デレク・ベリー氏率いる）は、リサイクル可能な熱可塑性樹脂と積層造形（AM）の組み合わせをさらに発展させ、先進的な風力タービンブレードの製造における新規技術を前進させています。この進展は、米国エネルギー省先進製造オフィスからの資金援助（技術革新の促進、米国製造業のエネルギー生産性向上、最先端製品の製造実現を目的とした助成）によって可能になりました。

現在、ほとんどの大型風力タービンブレードは同じクラムシェル設計です。2枚のガラス繊維ブレードスキンを接着剤で接合し、1つまたは複数のシアウェブと呼ばれる複合材補強部品を使用します。このプロセスは過去25年間で効率向上に最適化されてきました。しかし、風力タービンブレードをより軽量・長尺・低コスト・風エネルギー捕獲効率向上させるため（温室効果ガス削減目標の一部として風力発電増加が不可欠）、研究者は従来のクラムシェルを完全に再考する必要があります。これがNRELチームの主な焦点です。

まず、NRELチームは樹脂マトリックス材料に注目しています。現在の設計はエポキシ、ポリエステル、ビニルエステルなどの熱硬化性樹脂システムに依存しています。これらは一度硬化すると、藪のように架橋します。

「熱硬化性樹脂システムでブレードを製造すると、プロセスを逆転させることはできません」とベリー氏。「そのためリサイクルが困難です。」

先進複合材製造イノベーション研究所（IACMI、テネシー州ノックスビル）と協力し、NRELの複合材製造教育技術（CoMET）施設で、多機関チームは熱可塑性樹脂を使用するシステムを開発しました。熱硬化性材料とは異なり、熱可塑性樹脂は加熱して元のポリマーに分離できるため、製品寿命終了時（EOL）のリサイクルが可能です。

熱可塑性ブレード部品は、熱溶接プロセスで接合できるため、接着剤（しばしば重く高価な材料）が不要になり、ブレードのリサイクル性がさらに向上します。

「2つの熱可塑性ブレード部品があれば、熱と圧力を加えて接合できます」とベリー氏。「熱硬化性材料では不可能です。」

今後、NRELはプロジェクトパートナーのTPI Composites（アリゾナ州スコッツデール）、Additive Engineering Solutions（オハイオ州アクロン）、Ingersoll Machine Tools（イリノイ州ロックフォード）、バンダービルト大学（ノックスビル）、IACMIと共に、革新的なブレードコア構造を開発し、高性能・超長尺（100m超）で比較的軽量なブレードをコスト効率よく生産することを目指します。

3Dプリントを使用することで、研究チームはタービンブレードの構造スキン間に、高度に設計されたネットシェイプ構造コア（多様な密度と形状）を製造するために必要な設計を生み出せると述べています。ブレードスキンは熱可塑性樹脂システムでインフュージョンされます。

成功すれば、チームはタービンブレードの重量とコストを10%以上、生産サイクルタイムを少なくとも15%削減できます。

主要なAMO FOA助成（AM熱可塑性風力タービンブレード構造）に加え、2つのサブグラントプロジェクトも先進風力タービン製造技術を探求します。コロラド州立大学（フォートコリンズ）が主導するプロジェクトは、3Dプリントで繊維強化複合材を用いた新規内部ブレード構造を開発し、Owens Corning（オハイオ州トレド）、NREL、Arkema Inc.（ペンシルベニア州キング・オブ・プルッサ）、Vestas Blades America（コロラド州ブライトン）がパートナーです。第2プロジェクトはGE Research（ニューヨーク州ニスカユナ）主導で、「AMERICA：積層造形とモジュール対応ローターブレードと統合複合材アセンブリ」と名付けられています。パートナーはOak Ridge国立研究所（テネシー州オークリッジ）、NREL、LM Wind Power（デンマーク・コリング）、GE Renewable Energy（フランス・パリ）です。