Derzeit dominieren Windkraftanlagen mit horizontaler Rotorachse die Landschaft. Dabei liefern vertikale Windkraftanlagen zwar weniger Ertrag bei gleicher Rotorfläche, punkten jedoch mit einem leiseren Betrieb und einem geringeren Wartungsbedarf. Obwohl sie klassische Windturbinen nicht ersetzen werden, haben sie das Potential, in den nächsten Jahren aus ihrem Nischendasein zu treten.

Windkraftanlagen erklärt: So funktionieren sie

In einer Windkraftanlage wandelt ein Generator die kinetische Energie des Rotors in elektrische Energie um. Zunächst bremsen die Rotorblätter die Luftmasse. Die Differenz zwischen der Energie der Windströmung vor und hinter der Rotorebene stellt dabei die Energie dar, die den Rotor antreibt. Dieser bremst den Wind jedoch nicht vollständig ab. Theoretisch lässt sich bei horizontalen Windkraftanlagen maximal 59 Prozent der Windenergie umwandeln. In der Praxis liegt der Wirkungsgrad bei Horizontalachsern zwischen 40 und 50 Prozent, bei Turbinen mit vertikaler Rotorachse bei maximal 40 Prozent.

Schematische Darstellung eines durchströmten Rotors. Die Geschwindigkeit v2 hinter der Rotorebene ist stets kleiner als die Geschwindigkeit v1 vor der Rotorebene. Quelle: Wikipedia – Von Bhaskara – Eigenes Werk, CC0

Horizontale Windkraftanlagen und die meisten vertikalen Windkraftanlagen zählen zu den auftriebsnutzenden Windrädern. Das Prinzip ist dasselbe wie bei den Tragflächen von Flugzeugen oder bei den Rotorblättern von Hubschraubern. Der Wind strömt die Profile an und erzeugt eine Auftriebskraft senkrecht zur Anströmgeschwindigkeit.

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Auftrieb an einem durchströmten Flügelprofil © CC BY-SA 3.0 DE

Die Schnelllaufzahl λ stellt das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit der Blattspitzen- und der Anströmgeschwindigkeit. Rotorblätter werden für eine optimale Schnelllaufzahl entworfen, die bei modernen Windkraftanlagen 7 bis 8 beträgt. Damit zählen sie zu den sogenannten Schnellläufern, da die Blattspitzengeschwindigkeit viel höher als die Anströmgeschwindigkeit ist. Generell gilt: Je höher die Schnelllaufzahl, desto höher der Ertrag, aber auch die akustische Belästigung. Aus Lärmschutzgründen darf die Blattspitzengeschwindigkeit bei Horizontalachsern 80 bis 90 Meter pro Sekunde nicht überschreiten.

Die Anzahl der Blätter beträgt bei Windturbinen in der Regel drei. Diese Wahl stellt ein Optimum zwischen den Herstellungskosten und dem Ertrag dar. Theoretisch wären auch Windkraftanlagen mit zwei oder fünf Rotorblättern möglich. Doch da der Rotor ca. 25 Prozent der Gesamtkosten einer Windkraftanlage ausmacht, würden Turbinen mit mehr als drei Rotorblättern mehr kosten, ohne die Leistung wesentlich zu erhöhen. Windkraftanlagen mit einem oder zwei Blättern benötigen dagegen höhere Blattspitzengeschwindigkeiten, um das gleiche Drehmoment wie Dreiblattrotoren zu erzeugen. Das würde in eine erhöhte Lärmbelästigung resultieren, zudem sind Ein- und Zweiblattrotoren dynamisch unruhiger.

Warum haben sich horizontale Windkraftanlagen durchgesetzt?

Die Nutzung der Windkraft ist keine Erfindung des 20. Jahrhunderts. Bereits um 1700 v.Chr. bewässerten Menschen die Ebenen Mesopotamiens mit Windrädern. In Afghanistan und in China sind Windmühlen seit dem 7. beziehungsweise 10. Jahrhundert n. Chr. dokumentiert. Sie dienten dazu, Getreide zu mahlen. Dabei handelte es sich um Bauten mit einer vertikalen Achse, die geflochtene Matten als Segel verwendeten, um ein Drehmoment zu erzeugen, indem sie dem Wind eine Widerstandsfläche boten (Widerstandsläufer).

Die vertikale Achse hatte den Vorteil einer einfachen Konstruktion, da kein Getriebe notwendig war, um die Drehbewegung umzulenken. Zudem brauchten die Windmühlen keine Windnachführung, da sie den Wind aus jeder Richtung nutzen konnten. Trotzdem setzten sich in Europa ab dem 12. Jahrhundert mit der Bockwindmühle und der Turmwindmühle horizontale Rotorachsen durch. Auch in den späteren Jahrhunderten dominierten mit den berühmten Holländermühlen die Horizontalachser. Als im 20. Jahrhundert die ersten Windturbinen entstanden, die elektrische Energie erzeugten, blieben die meisten Ingenieure dem Bauprinzip von Horizontalachsern treu.

Nichtsdestotrotz entstand 1925 in Frankreich der erste Darrieus-Rotor, nach seinem Erfinder Georges Darrieus benannt. Anders als die Vertikalachser aus der Antike handelte es sich um einen Schnellläufer, der die Auftriebskraft nutzte, um den Rotor drehen zu lassen. Bis heute zählt der Darrieus-Rotor zu einer der Hauptbauformen für vertikale Windkraftanlagen.

Bauarten von vertikalen Windkraftanlagen

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Savonius-Rotor, Quelle: Pixabay

Savonius-Rotoren zählen zu den ältesten Vertikalachsern. Namensgeber ist der finnische Ingenieur Sigurd Savonius, der 1922 die erste Turbine dieser Art erfand. Dabei handelte es sich um einen Widerstandsläufer, der nur niedrige Drehzahlen, dafür vergleichsweise hohe Drehmomente erreichte.

Die Flächen von Savonius-Rotoren bestehen bis heute aus zwei bezüglich der Drehachse versetzten Halbschalen. Wegen der niedrigen Schnelllaufzahl erreicht der Wirkungsgrad maximal 26 Prozent, dementsprechend gering ist der Stromertrag. Aus diesem Grund liegen die Anwendungen nicht im Bereich der Stromerzeugung zur Einspeisung in Energienetze, sondern beispielsweise in der Klimatechnik als Antrieb für Lüfter.

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Darrieus-Rotor, Quelle: Wikipedia – W.Wacker, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Die zweite und am meisten verbreitete Bauart von Vertikalachsern stellt der Darrieus-Rotor dar. Er ist genauso wie Horizontalachser eine auftriebsnutzende Windkraftanlage. In der klassischen Bauform sind die zwei Blätter unten und oben am Mast befestigt und bilden zwei C-förmige Bögen. Allerdings variieren Struktur und Aussehen erheblich, anders als beispielsweise bei horizontalen Windkraftanlagen, die eher eine einheitliche Optik aufweisen. Häufig anzutreffen sind zum Beispiel Darrieus-Rotoren mit drei oder vier viereckigen oder helixförmigen Blättern.

Vertikale Windkraftanlagen: Vor- und Nachteile

Bei vertikalen Windkraftanlagen dreht sich eine Rotorhälfte mit und die andere gegen den Wind. Die Rückführung der rotierenden Blätter gegen den Widerstand des Windes mindert den Gesamtwirkungsgrad. Außerdem sind Rotorhöhen wie bei Horizontalachsern nicht möglich, da die auf den Turm wirkenden Schwingungen zu groß werden. Übertragen sich diese Schwingungen auf den Generator, mindern sie seine Lebensdauer. Aus diesem Grund lassen sich große Anlagen mit vertikaler Rotorachse nur mit zusätzlichen Sicherheitsvorkehrungen wie Abspannseilen realisieren. Weiter benötigen Vertikalachser keine Windnachführung. Das vereinfacht zwar den Entwurf, macht es aber unmöglich, bei Sturmböen den Rotor aus dem Wind zu drehen.

Die Vorteile von horizontalen Windkraftanlagen überwiegen auf dem ersten Blick. Insbesondere liefern sie bei gleicher Windgeschwindigkeit eine höhere Leistung, da alle Rotorblätter gleichmäßig angeströmt werden. Auch die Nabenhöhe, die oft mehr als 100 Meter beträgt, führt zum einen höheren Ertrag, da in großen Höhen keine Hindernisse den Wind bremsen.

Andererseits bringen Horizontalachser auch einige Nachteile mit. Zum einen benötigen sie eine Windnachführung, die sie in den Wind dreht, zum anderen performen sie bei turbulenten Winden schlechter im Vergleich zu vertikalen Windturbinen. Auch stellt sich die Wartung in der Höhe als aufwändig heraus.

Vertikale Windturbinen: optimale Kleinwindkraftanlagen für urbane Gebiete und Inselbetrieb

Zum Einsatz in Onshore- und Offshore-Windparks, in denen Turbinen im Megawattbereich dominieren, lohnen sich vertikale Windkraftanlagen aufgrund ihres schlechteren Wirkungsgrads im Vergleich zu Horizontalachsern nicht, da dort vor allem die Wirtschaftlichkeit (Kosten pro Kilowattstunde) entscheidend ist. Jenseits von großen Windparks wird jedoch der dezentralen Energieerzeugung in der kommenden Dekade eine Schlüsselrolle zukommen. Während die Anzahl der Photovoltaikanlagen auf den deutschen Dächern seit der Jahrtausendwende stetig gestiegen ist, stellen Windkraftanlagen im Garten noch eine seltene Erscheinung dar.

Abstandsregelung für Windkraftanlagen

Im Juni 2020 beschloss der Bundestag die sogenannte Abstandsregelung für Windkraftanlagen. Demnach müssen sie künftig mindestens ein Kilometer von Wohngebäuden entfernt stehen. Manche Bundesländer wenden sogar strengere Gesetze an. In Bayer gilt beispielsweise die 10H-Regelung, bei der die Entfernung zum nächsten Wohnhaus das Zehnfache der Höhe einer Windkraftanlage betragen muss. Hauptgrund für diese Vorschriften ist die Schallbelastung von Einwohnern durch die Windturbinen.

Geringe Geräuschbelastung

Derzeit gilt ein maximaler Immissionsrichtwert von 55 Dezibel tagsüber, was der durchschnittlichen Lärmbelastung durch den Straßenverkehr in der Stadt entspricht. Die Weltgesundheitsorganisation WHO empfindet den Wert jedoch als zu hoch und veröffentlichte bereits 2018 eine Richtlinie, wonach die Schallbelastung auch tagsüber 45 Dezibel nicht überschreiten sollte. Nachts gelten ohnehin 40 Dezibel.

Wirkungsgrad

Die niedrigere Schnelllaufzahl von Vertikalachsern mindert ihren Wirkungsgrad. Andererseits bedeuten geringere Drehgeschwindigkeiten auch eine niedrigere Schallbelastung. Diese Tatsache und die in den Augen vieler Menschen angenehmere Optik könnte zu einer höheren Akzeptanz der Turbinen führen. Damit wären auch Anlagen in der Nähe von Wohngebieten, in Städten und sogar als dezentraler Energieerzeuger für Privatpersonen möglich.

Geringer Wartungsaufwand

Da alle Komponenten wie Getriebe und Generator sich in Bodennähe befinden, ist die Instandhaltung bei vertikalen Windkraftanlagen einfacher als bei den Horizontalachsern. Das macht sie zu idealen Kleinwindkraftanlagen für Eigenheime, Wohnblöcke oder Industriestandorte, die auf Wunsch auch als Insellösung ohne Anschluss zum Stromnetz funktionieren. Das ist vor allem für abgelegene Standorte in Schwellenländern interessant, in denen es nicht möglich ist, Stromleitungen zu verlegen.

Vogelschutz

Auch in Vogelschutzgebieten bieten Vertikalachser einen Kompromiss zwischen Naturschutz und Wirtschaftlichkeit. Um die 100.000 Vögel verenden schätzungsweise in Deutschland pro Jahr, weil sie von den drehenden Rotorblättern der Windkraftanlagen erschlagen werden. Anders als Horizontalachser befinden sich die Blätter von vertikalen Windkraftanlagen auf derselben Ebene. Es ist die daher für die Vögel einfacher, sie zu erkennen und auszuweichen.

Anbietern von vertikalen Windkraftanlagen

Derzeit stellen vertikale Windkraftanlagen einen Nischenmarkt dar. Dennoch sind sowohl in Deutschland als auch weltweit einige Hersteller bei der Vermarktung erfolgreich. Das auf erneuerbare Energien spezialisierte Unternehmen DirectTech hat beispielsweise seit 2006 vertikale Windturbinen mit zwei unabhängigen, vertikalen Rotoren zur dezentralisierten Energieerzeugung entworfen.

Die 10-Kilowatt-Anlage WindTracker aus Aluminium und Stahl dreht sich dank eines integrierten Azimut-Lagers selbstständig in den Wind. Die zwei Rotoren sind mit einer Führungsplatte verbunden, was sowohl eine hohe Drehzahl als auch eine hohe Drehmoment ermöglicht. Mögliche Einsatzgebiete sind laut DirectTech vor allem städtische Microgrids. Hier ließen sich die unauffälligen und kompakten Vertikalachser mit Photovoltaikanlagen integrieren, um beispielsweise LED-Beleuchtungen, Überwachungskameras oder 5G-Antennen zu versorgen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit stellen Insellösungen für rurale Gebiete dar.

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WindTracker von DirectTech im Einsatz in einem Wohngebiet © DirectTech

Auch das 1986 in Dänemark gegründete Unternehmen Aeolos bietet vertikale Windkraftanlagen mit einer Leistung von bis zu 10 Kilowatt. Es handelt sich dabei um Turbinen mit einem aus drei viereckigen Flügeln bestehenden Rotor, der maximal 150 Umdrehungen pro Minute erreicht. Mit einer Höhe von gerade mal 6 Metern, einem Rotordurchmesser von 5,5 Metern und einer maximalen Lautstärke unter 45 Dezibel eignen sich die Windturbinen für den Einsatz in Wohngebieten. In der Region Berlin-Brandenburg, in der die jährliche mittlere Windgeschwindigkeit um die 4 Meter pro Sekunde beträgt, ließen sich laut Hersteller um die 8.000 Kilowattstunden Strom erzeugen. Das entspricht dem Jahresertrag einer Photovoltaikanlage mit einer Nennleistung von 8 Kilowatt-Peak.

Die zwei Unternehmen und ihre Produkte zeigen, wie vertikale Windkraftanlagen einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende leisten könnten, indem sie die Nutzung der Windenergie jenseits von großen Windparks ermöglichen. Da die Planung und die Genehmigung solcher Windparks mit zahlreichen bürokratischen Hürden versehen sind, ermöglichen Vertikalachser eine einfachere Lösung, um den CO2-Fußabdruck privater und gewerblicher Nutzer zu senken.

Quellen / Weiterlesen

Gasch, Twele (2005) Windkraftanlagen (4. Auflage) | Teubner Verlag
Vertikale Windkraftanlagen im Vergleich mit horizontalen Anlagen | Klein-Windkraftanlagen
7. Vorteile vertikaler Windkraftanlagen | Luvside
Das Potenzial von vertikalen Windenergieanlagen im Kontext wachsender Flächennutzungskonflikte und Akzeptanzprobleme der Windenergie | Springer Nature
Windenergieanlagen mit senkrechter Drehachse – „Vertikalachser“ | Bundesverband WindEnergie
Vertikale Kleinwindanlagen: Technik und Markt 2020 | Kleinwindkraft auf Youtube
WindTracker | DirectTech GmbH
Vertical Wind Turbine Brochure | Loosen Windkraft
Lärm von Windturbinen kann krank machen | Spiegel Online
Bildquelle: © DirectTech GmbH

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Stephan Hiller
Stephan Hiller ist Betriebswirt (Studium an der Fachhochschule für Wirtschaft Berlin und in Cambridge, UK) mit umfangreicher Geschäftsführungs- und Start-Up Erfahrung. Er hat sich erfolgreich darauf spezialisiert, den Finanzbereich und das Controlling junger Unternehmen operativ zu betreuen und Start-Ups strategisch sowie in den Bereichen Marketing, Vertrieb und Finanzen zu beraten. Er verfügt über umfassende kaufmännische Erfahrungen, die er durch mehrjährige Berufstätigkeit für internationale Unternehmen im In- und Ausland aufgebaut hat. Hierunter waren u.a. Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, aus der Automobilindustrie, Solarmodulhersteller und Projektentwickler aus dem Bereich erneuerbare Energien. Weiterhin hat er mehrere Unternehmensgründungen im Bereich erneuerbare Energien initiiert und erfolgreich mit aufgebaut. Stephan hat zusammen mit Ajaz Shah energyload.eu im Oktober 2013 gegründet.

12 KOMMENTARE

  1. Sehr interessant!

    War ja jahr(zehnt)elang still um die Teile.

    Vielleicht können sich die Don Quichottes dieser Republik mit dieser Technik anfreunden.

  2. Vertikale Windanlagen sind sinnvoll als winderzeugender Zaun entlang der Autobahn. Dort nutzen sie den Fahrtwind der Fahrzeuge. Diese Idee hatte vor Jahren bereits ein türkischer/türkischstämmiger Entwickler, habe leider seinen Namen vergessen. Auch für zugige Ecken in der Stadt wären solche Klewians eine unauffällige Lösung.

  3. Darrieus-Maschinen sind reine Auftriebsmaschinen. Die Blätter ziehen auch, wenn sie vermeintlich gegen den Wind laufen, weil der Auftrieb senkrecht auf der Anströmrichtung steht. Und aus dynamischen Gründen und zur Schonung der Anlagenstruktur haben sie — wie auch die Repeller-Anlagen — drei Blätter. Ihr Wirkungsgrad leidet darunter, daß sie mit ihrem Rotor gegenüber den Dreiblattrotoren nah am Boden stehen. Dafür ist ihr Generator-/Getriebesatz nah am Boden. Das prädestiniert sie zur Kombination zum Wind-/ Diesel-Aggregat für Schwellenländer, in denen vor Ort die Ölfrucht angebaut wird, die es in großer Vielfalt gibt. Dem Generator ist es egal, wer ihn dreht. Das örtliche Gewerbe braucht auch Strom, wenn die nächste Stadt dem Landvolk den Strom abstellt. (Ich war Projektleiter für 50 kW-Inselanlagen, mit denen u.a. Techniker trainiert wurden.)

  4. So, so geringerer Wirkungsgrad, noch geringer…
    Am besten grün anstreichen, dann fallen sie im Wald nicht mehr so auf. Sehen dann wohl aus wie übergroße Bäume. Dann fälllt es nicht so auf, wenn dafür der Wald gerodet wird.
    Don Quichote wäre entzückt, alle Feinde besiegt. Wahrscheinlich liefern die auch Strom, wenn kein Wind weht. Ach ja, dann müssen wir mit unseren e-Autos solange dran vorbei fahren, bis die Flaute vorüber ist.

    Hmm…

  5. Hallo, haben Sie auch Infos darüber, ob und wie es möglich ist eine MiniWindkraftanlage in Frankreich, Normandie zu errichten?

  6. Die Dinger sind ne nette Idee um Werbung daran zu befestigen denn leider ist der Wirkungsgrad so schlecht das wenn der Generator Leistung abruft diese einfach stehen bleiben. Aber als Werbeträger super.

  7. 2009 hab ich Mal in einem Experiment einen Vertikalrotor gebastelt .
    Der Witz an dem Rotorblättern war, daß sich diese gegen den Wind wegklappten.
    Dadurch war der Wiederstand geringer.
    Wollte mir so teile für den Balkon bauen
    3 Stock, westseitig.
    Perfekt eigendlich
    Aber
    Der Hausverwalter hätte was dagegen .
    Der Strom hätte für alle 12 Volt Trafos in der Wohnung gereicht
    Wahrscheinlich hätte ich sowieso Ärger mit dem Stromanbieter bekommen.

  8. Eigentlich müsste nicht die Vergrösserung sondern das Downsizing erfolgversprechender sein. Bis 2m Aufbauhöhe sind Aufbauten auf dem eigenen Dach genehmigungsfrei. Auch die Flügelkonstruktion sollte einfacher werden. Es gibt doch solche Teile, die auf den Kaminen im Süden öfter anzutreffen sind. Das sind Konstruktionen aus Blechstreifen, die in sich verdreht zu zwiebelturmähnlichen Konstruktionen führen, ca 40 cm hoch. Diese Dinger drehen sich ganz flott bei Wind.

    Wenn so was für 4-5.000€ zu kaufen wäre, würden sich bestimmt tausende Eigenheimer das auf ihr Dach stellen, ich wäre einer davon!

  9. „Es gibt doch solche Teile, die auf den Kaminen im Süden öfter anzutreffen sind. Das sind Konstruktionen aus Blechstreifen, die in sich verdreht zu zwiebelturmähnlichen Konstruktionen führen, ca 40 cm hoch. Diese Dinger drehen sich ganz flott bei Wind.“
    Das sind kleine Lüftungsanlagen, die saugen nur ein wenig mehr Luft aus dem Kamin, auf dem sie sitzen.

    Ich finde der wichtigste Vorteil der vertikalen Anlagen ist, dass sie windrichtungsunabhängig sind und der Generator unten sitzt und damit leicht zugänglich ist.
    Ästhetischer finde ich sie nicht unbedingt, aber das ist leider Geschmackssache. Würde man was haben, das allen gefällt, gäbs vielleicht nicht so viele Meckerer.
    Windkraftgegner oder Windkraft-woanders-Befürworter sollten dran denken, dass auch Kraftwerke oder Staudämme oder PV-Parks keine Schönheiten sind. Wer sich nicht selbst autark mit Strom versorgt sondern am Netz hängt muss auch mal Zugeständnisse an die Gesellschaft machen. Das haben die Ich-Menschen aber verlernt, vernetzt ist man nur in Social Media, ansonsten gibt es nur „I, me and myself“…
    Die kleinen Dachanlagen die Alexander meint hätten das Problem dass so tief unten die Windleistung viel kleiner ist. Selbst an der Küste halte ich eine Höchstleistung über 500W für unwahrscheinlich, Nennleistung schätze ich auf unter 200W.

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