Zurück in die Zukunft?

Vertikalrotoren haben theoretisch Vorteile bei der Stromerzeugung aus Windkraft - praktisch haben sie sich aber wegen einiger Nachteile nie durchsetzen können. Eine neue Steuerung soll es ihnen nun aber ermöglichen, mit üblichen "Windmühlen" mitzuhalten.

Zwischen den vertrauten Silhouetten der Windkraftanlagen auf der Frimmersdorfer Höhe der Stadt Grevenbroich in Nordrhein-Westfalen scheint sich ein Fremdkörper eingeschlichen zu haben. Vertical Sky A32 heißt das Gebilde, bei dem die Ingenieure des Schweizer Unternehmens Agile Wind Power AG die Rotorblätter ganz anders als bei herkömmlichen Anlagen montiert haben. Von der Nabe, die senkrecht auf einem Gittermast 78 Meter über dem Erdboden montiert ist, ragen drei Speichen waagrecht nach außen, an deren Enden jeweils ein 54 Meter hohes Rotorblatt so montiert ist, dass die rotweiße-Warnfarbe senkrecht in den Himmel zeigt.

"Das ist ein Vertikalrotor und damit eine uralte Technik, die bereits vor mehr als einem Jahrtausend in Persien verwendet wurde", erklärt Andreas Reuter, der das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES) in Hannover leitet und an der Leibniz-Universität Hannover Windenergietechnik lehrt. Solche Anlagen haben Vorteile gegenüber der üblichen "Windmühlen"-Bauweise: Vertikalrotoren funktionieren unabhängig von der Windrichtung mit starren Rotorblättern. Sie müssen daher nicht in den Wind gedreht werden - der aufwändige "Kopf", der ja zudem in der Höhe des Mastes großen Kräften standhalten muss, entfällt. Ein solcher Rotor ist billiger herzustellen und, weil er sich langsamer dreht, auch leiser.

Dem stehen allerdings auch einige gravierende Nachteile gegenüber: "In der Theorie können Windkraftanlagen höchstens 59 Prozent der Windenergie nutzen, tatsächlich erreichen sehr gute herkömmliche Anlagen heute 52 bis 54 Prozent", erklärt Reuter. Vertikalrotoren liegen dagegen bisher bei 32 bis 34 Prozent: "Eine Kilowattstunde dürfte daher zumindest doppelt so teuer wie derzeitiger Windstrom sein." Dazu kommt ein weiteres Problem: Baut man die Blätter eines Vertikalrotors in einer gewissen Länge, entstehen immer mehr Schwingungen, die das Material sehr stark belasten und so die Rotoren gefährden. "Abgesehen von kleineren Anlagen spielen Vertikalrotoren daher heute beim Nutzen der Windenergie kaum eine Rolle", so Fraunhofer-Forscher Reuter.

Seit inzwischen zehn Jahren versucht der Gründer und Geschäftsführer der Agile Wind Power AG Patrick Richter, genau das mit Hilfe einer raffinierten Technik zu ändern. "Heutige Windkraftanlagen nutzen die gleichen physikalischen Kräfte, die auch ein Flugzeug in der Luft halten", erklärt der Ingenieur die naturwissenschaftliche Grundlage der Windenergie: Tragflächen und Rotorblätter sind beide so geformt, dass die Luftströmung einen Sog erzeugt, der das Flugzeug in der Luft hält und die Rotorblätter antreibt. Stellt der Pilot die Tragflächen steiler in den Wind, wachsen auch Sog und Auftrieb.

Wird dieser Anstellwinkel allerdings zu steil, kann die Luftströmung abreißen, der Auftrieb verschwindet und das Flugzeug droht abzustürzen. Ähnliche Verhältnisse gibt es auch bei den senkrecht stehenden Blättern eines Vertikalrotors. "Nur auf einem Drittel seiner Umlaufbahn um die vertikale Achse hat das Blatt daher guten Auftrieb, an anderen Stellen könnte die Strömung abreißen, wenn die Geschwindigkeit zu niedrig ist", erklärt Richter. Das kann man verhindern, wenn die Rotorblätter schneller laufen. Dadurch wird aber das Material stärker belastet, die Blätter müssen verstärkt werden: Je größer der Vertikalrotor ist, umso gravierender werden diese Probleme. Unterbrechen will Richter diesen Teufelskreis, indem er die Rotorblätter einfach langsamer laufen lässt. Das klappt, weil er die Strömungsverhältnisse verbessert. Dazu optimiert ein Elektromotor in jeder Sekunde 4000-mal den Anstellwinkel des Rotors, der dadurch permanent angetrieben wird und so erheblich langsamer als bisherige Vertikalrotoren laufen kann. Diese Echtzeitsteuerung erlaubt niedrigere Geschwindigkeiten, die wiederum eine deutlich leichtere Bauweise ermöglichen. Auch gerät die Anlage nicht mehr ins Schwingen, verschleißt daher weniger und hält erheblich länger. Obendrein übernimmt kein normaler Elektromotor die permanente Steuerung der Rotorblätter. Stattdessen kommt ein sogenannter Torque-Motor zum Einsatz, der keine beweglichen Teile hat. "Er hat daher keinen Verschleiß, nur das Lager muss alle drei Jahre einmal geschmiert werden", so Patrick Richter.

Auf der Frimmersdorfer Höhe in Grevenbroich hat die Agile Wind Power AG inzwischen einen Prototyp eines solchen Vertikalrotors installiert. Die 54 Meter langen Rotorblätter drehen sich höchstens 16 Mal in einer Minute um die senkrechte Nabe. Noch vor dem Jahreswechsel soll der Testbetrieb zeigen, ob die Anlage die hohen Erwartungen erfüllt. "Bei dieser langsamen Drehgeschwindigkeit erreichen die Rotorblätter nur ein Tempo von rund 100 Kilometern in der Stunde, die Spitzen herkömmlicher Anlagen sind dagegen bis zu dreimal schneller", erklärt der Schweizer Ingenieur.

Dieser Unterschied aber macht den langsam drehenden Vertikalrotor auch erheblich leiser. Das ist ein wichtiges Argument für die Genehmigung von Windkraftanlagen, der flüsternde Vertikalrotor müsste weniger Abstand zu Siedlungen halten. Dabei zielt Richter nicht auf den Ersatz bisheriger Anlagen, die an Land heutzutage eine Leistung von rund vier Megawatt haben. Vertical Sky A32 wartet dagegen mit 750 Kilowatt und damit nicht einmal 20 Prozent dieser Leistung auf. Das reicht aber, um zum Beispiel ein Klärwerk mit Strom zu versorgen. Solche gewerblichen Verbraucher beziehen ihren Strom derzeit häufig noch aus dem Netz und zahlen im Durchschnitt 21 Euro-Cent pro Kilowattstunde. Der Strom aus dem Prototyp vor Ort sollte dagegen mit acht bis zehn Cent für eine Kilowattstunde erheblich preiswerter sein. "Wenn wir die Anlage, die wir auch mit Leistungen zwischen 500 Kilowatt und zwei Megawatt anbieten wollen, in Serie bauen, dürfte der Preis auf vier bis fünf Cent sinken und so mit Strom aus herkömmlichen Anlagen konkurrieren können", erklärt Richter. Vorher aber muss der Testbetrieb zeigen, dass der Prototyp auch hält, was er verspricht.


Besserer Vogelschutz? 

Neben der Lärmentwicklung ist die Gefährdung von Vögeln, und vor allem von Greifvögeln, heutzutage in 48 Prozent aller Fälle der Grund, warum ein Genehmigungsverfahren für eine Windenergie-Anlage blockiert wird. Auch da könnte der Vertikalrotor einen Vorteil haben: Nach Ansicht von Ornithologen verunglücken Greifvögel vor allem deshalb, weil sie bei der Jagd nach vorne und nach unten spähen und dabei die von oben nach unten rasenden Rotorblätter übersehen. Drehen sich die Blätter dagegen wie beim Vertikalrotor um eine senkrecht zum Horizont stehende Achse, bleiben sie optisch immer auf der gleichen Höhe - und sollten theoretisch für die Tiere leichter zu erkennen sein. Ob das auch in der Realität so ist, wird erst die Praxis zeigen.rhk

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