Forschung
Schweizer Innovation wird in Deutschland getestet: Ist dieser Rotor die Zukunft der Windkraft?

Mit Echtzeitsteuerung können neue Vertikal-Rotoren auf die Windrichtung reagieren und so mit normalen Windkraftanlagen mithalten.

Roland Knauer
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Die Schweizer Anlage wird in Deutschland getestet.

Die Schweizer Anlage wird in Deutschland getestet.

MCM/Multicopter-Media

Zwischen den vertrauten Silhouetten der Windkraftanlagen bei der norddeutschen Stadt Grevenbroich scheint sich ein Fremdkörper eingeschlichen zu haben. Vertical Sky A32 heisst das Windrad, bei dem die Ingenieure des Dübendorfer Unternehmens Agile Wind Power 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 hinauf 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 in Hannover leitet. Solche Anlagen haben durchaus Vorteile gegenüber der heute üblichen Bauweise. Bei normalen Windrädern müssen die drei Rotorblätter nach dem Wind ausgerichtet werden. Die Vertikalrotoren der Schweizer Windanlage müssen dagegen nicht nachgeführt werden, weil sie unabhängig von der Windrichtung funktionieren. Die geraden Rotorblätter des Vertikalrotors lassen sich zudem einfacher herstellen und drehen sich leiser.

Dem stehen allerdings auch einige gravierende Nachteile gegenüber, vor allem der Wirkungsgrad. Reuter erklärt:

In der Theorie können Windkraftanlagen höchstens 59 Prozent der Windenergie nutzen, tatsächlich erreichen sehr gute herkömmliche Anlagen heute 52 bis 54 Prozent.

Vertikalrotoren liegen dagegen bisher nur bei 32 bis 34 Prozent. «Eine Kilowattstunde dürfte daher zumindest doppelt so teuer wie derzeitiger Windstrom sein», schätzt der Fraunhofer-Forscher. «Abgesehen von kleineren Anlagen spielen Vertikalrotoren daher heute beim Nutzen der Windenergie kaum eine Rolle», fasst der Fraunhofer-Forscher zusammen.

Dübendorfer Firma wendet raffiniertere Technik an

Seit zehn Jahren versucht Patrick Richter, der Gründer und Geschäftsführer der Agile Wind Power in Dübendorf, die Nachteile der Vertikalrotoren, die zuvor auch schon von eine Thurgauer Firma entwickelt hat, 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: Tragflächen und Rotorblätter sind beide so geformt, dass die Luftströmung einen Sog erzeugt, der das Flugzeug in der Luft hält oder 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. Richter erklärt:

Nur auf einem Drittel seiner Umlaufbahn um die vertikale Achse hat das Blatt daher guten Auftrieb.

Das kann man verhindern, wenn die Rotorblätter schneller laufen. Doch dann wird das Material stärker belastet. Ausserdem entstehen Schwingungen und gefährden die Anlage. Je grösser der Vertikalrotor ist, umso gravierender werden diese Probleme. Das erklärt, weshalb bisher nur kleine Vertikalrotoren zur Stromgewinnung auf dem Markt sind.

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. So gerät die Anlage nicht mehr ins Schwingen, verschleisst daher weniger und hält erheblich länger.

In Grevenbroich hat die Agile Wind Power inzwischen einen Prototypen 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, die Richter an sie hat.

Rotoren nur bis 100 km/h schnell statt bis zu 300 km/h

«Bei dieser langsamen Drehgeschwindigkeit erreichen die Rotorblätter nur ein Tempo von rund hundert Kilometern in der Stunde, die Spitzen herkömmlicher Anlagen sind dagegen bis zu dreimal schneller», erklärt der Zürcher 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.

Neben der Lärmentwicklung ist die Gefährdung von Vögeln ein Grund für Einsprachen gegen Windanlagen. Auch da könnte der Vertikalrotor einen Vorteil haben: «Ornithologen berichten, dass Greifvögel in den meisten Fällen verunglücken, weil sie bei der Jagd nach vorne und nach unten spähen und dann von dem von oben nach unten sausendem Rotorblatt erwischt werden», erklärt Richter. Die senkrecht immer auf der gleichen Höhe drehenden Blätter eines Vertikalrotors sollte ein Rotmilan dagegen viel leichter im Blick haben.

Richter zielt nicht auf den Ersatz bisheriger Anlagen, die heutzutage eine Leistung von rund vier Megawatt haben. Vertical Sky A32 wartet dagegen nur mit 750 Kilowatt 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. Später will Richter Anlagen mit Leistungen bis zu zwei Megawatt anbieten, so soll der Strompreis mit jemem von herkömmlichen Windkraftanlagen konkurrieren können.

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