Vertikale Windkraftanlagen: Ein Baustein der Energiewende?

Warning: Undefined variable $output in /homepages/33/d267726697/htdocs/clickandbuilds/energyload/wp-content/plugins/wordpress-plugin-for-simple-google-adsense-insertion/WP-Simple-Adsense-Insertion.php on line 72

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.

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.

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

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.

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.

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