Drehen Windkraftanlagen in Zukunft vertikal statt horizontal?

In der Theorie gibt es auf der Welt genug Windenergie, um den Energiebedarf der Menschheit um ein Vielfaches zu decken. Allein in Europa existieren Kapazitäten für 52 Terawatt an Onshore-Windkraftanlagen. In der Praxis allerdings ist Windenergie nicht unbedingt beliebt – immer wieder scheitert der Ausbau am Widerstand der Bevölkerung. Sogenannte Vertikalrotoren könnten eine Lösung für den besseren Ausbau der Windenergie darstellen.

Vertikalrotoren sind leiser und weniger gefährlich für Vögel

Bei Vertikalrotoren handelt es sich um Windkraftanlagen, bei denen die Flügel nicht um eine waagerechte Achse rotieren, sondern um eine senkrechte Achse. So kreisen die Rotoren um den Mast der Anlage, sodass sich eine Seite des Windrades mit dem Wind bewegt, die andere gegen ihn.

Aktuellen Messungen zufolge sind diese alternativen Windräder nicht nur bis zu dreimal leiser als die herkömmlichen Horizontalrotoren, sondern auch harmloser für Vögel. Studien deuten darauf hin, dass die Tiere die sich drehenden Rotoren bei Vertikalrotoren besser erkennen und ihnen somit auch leichter ausweichen können. Bisher werden diese Rotoren allerdings nur in kleinen Windkraftanlagen eingesetzt, da größere Varianten als zu ineffektiv und anfällig für Verschleiß galten.Dank neuer Verbundmaterialen und moderner Steuerelektronik gelang es nun aber Unternehmen, Vertikalanlagen zu bauen, bei denen es zu deutlich weniger Materialermüdung kommt.

In Windparks effizienter als herkömmliche Anlagen?

Die Effizienz solcher Vertikalanlagen in größeren Windparks galt lange als umstritten. „Als größter Nachteil galt bislang, dass die einzelnen Vertikalrotoren nur einen Wirkungsgrad von 35 bis 40 Prozent erreichen, einzelnstehende horizontale Rotoren dagegen fast 50 Prozent„, so Joachim Hansen von der Oxford Brookes University im Vereinigten Königreich. Horizontalrotoren haben allerdings das Problem, dass ihre Leistung um 20 bis 50 Prozent abnimmt, sobald sie enger zusammenstehen. Hansen und sein Team haben mithilfe physikalischer Modellsimulationen untersucht, wie sich dies bei Vertikalrotoren verhält.

Das Ergebnis: Im Gegensatz zu klassischen Windparks mit Vertikalrotoren behindern sich die Vertikalrotoren nicht gegenseitig. Mehr noch: Im Verbund können ihre Leistungen sogar noch zunehmen. Wenn zwei solcher Windräder in unmittelbarer Nähe zueinander stehen, erhöht ihre Leistung sich um bis zu 15 Prozent. Bei einem dritten Windrad wuchs die Leistung immerhin noch um drei Prozent.

Als optimalen Abstand zwischen den Anlagen ermittelten die Forscher dabei drei Rotordurchmesser bei einem Winkel von rund 60 Grad zur vorherrschenden Windrichtung. Aber auch bei geringeren Abständen und anderen Winkeln konnten Synergieeffekte gemessen werden.

Windparks der Zukunft mit Vertikalrotoren

Die Synergieeffekte entstehen durch den Einfluss der Rotorbewegungen auf den Windstrom. Da sich eine Seite der Rotoren mit dem Wind dreht und die andere gegen ihn, kommt es auf der sich mit dem Wind bewegenden Rotorseite zu einer Beschleunigung des Luftstoms. „Zusätzlich sorgen Turbulenzphänomene für eine Zunahme der Energie. Zusammen führen diese Mechanismen dazu, dass Vertikal-Windräder zusammen leistungsstärker sind als einzeln„, erklären die Forscher.

Das Team glaubt daher, dass Windparks aus Vertikalrotoren rentabler sein könnten als bisher gedacht. Neben den Synergieeffekten können solche Windparks auch dichter gebaut werden als es bei herkömmlichen Horizontalrotoren der Fall ist. „Windparks der Zukunft sollten daher vertikal sein. Das könnte ihre Effizienz erhöhen und letztlich auch die Strompreise senken„, so Koautor Iakovos Tzanakis von der University of Oxford.

via Oxford Brooke University