Leiser, effizienter und dichter staffelbar: Windanlagen mit vertikal rotierenden Rotoren könnten zum Windkrafttrend der Zukunft werden. Denn diese um ihre eigene Achse drehenden Windräder bieten einige Vorteile gegenüber den klassischen Horizontalrotoren, wie nun eine Studie bestätigt. Demnach ist der Wirkungsgrad der einzelnen Vertikal-Windräder zwar etwas niedriger, dafür sorgen Synergieeffekte für eine höhere Leistung im Windpark.
Theoretisch könnte die Kraft des Windes den Energiebedarf der Menschheit um ein Mehrfaches decken – allein in Europa gäbe es Kapazität für 52 Terawatt nur an Onshore-Windanlagen. In der Praxis hakt es momentan jedoch mit dem Ausbau dieser erneuerbaren Energiequelle. Windparks gelten als zu laut, zu hässlich und als Todesfallen für Vögel und Fledermäuse. Hinzu kommt, dass sich die Turbinen in großen Windparks gegenseitig ausbremsen. Das begrenzt die Kapazität beispielsweise in der Nordsee erheblich.
Vertikal statt horizontal
Eine Lösung für diese Probleme könnte ein alternativer Bautyp von Windrädern bieten: Vertikalrotoren. Bei diesen Anlagen rotieren die Flügel nicht um eine waagegerecht angebrachte Drehachse, wie bei den klassischen Horizontalrotoren der Fall. Stattdessen dreht sich das Windrad um eine senkrechte Achse – die Rotoren kreisen um den zentralen Mast der Anlage. Dadurch bewegt sich eine Seite des Windrads mit dem Wind, die andere gegen ihn.
Der Vorteil: Neueren Messungen nach sind diese Windräder bis zu dreimal leiser als herkömmliche Horizontalrotoren. Zudem deuten Studien darauf hin, dass Vögel die Bewegung der parallel zum Boden drehenden Rotoren besser erkennen und ihnen daher leichter ausweichen. Allerdings: Bisher wurden Vertikalrotoren nur in kleinem Maßstab beispielsweise als Dach-Windräder eingesetzt, größere Exemplare galten als zu ineffektiv und verschleißanfällig.
Inzwischen jedoch bahnt sich hier ein Wandel an: Erste Unternehmen haben bereits Vertikalanlagen konstruiert, bei denen neue Verbundmaterialien und eine moderne Steuerelektronik die Materialermüdung verringern. Pilotanlagen solcher Vertikal-Windräder gibt es unter anderem in Nordrhein-Westfalen und Österreich.
Vertikalrotoren im Gruppentest
Strittig war jedoch bislang, wie effizient Vertikal-Windräder in größeren Windparks wären. „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 „, erklären Joachim Hansen von der Oxford Brookes University in England und seine Kollegen. Sobald die Horizontalrotoren allerdings enger zusammenstehen, kann der Bremseffekt ihre Leistung um 20 bis 50 Prozent verringern.
Wie es bei enger stehenden Vertikalrotoren aussieht, haben Hansen und sein Team nun mithilfe einer physikalischen Modellsimulation untersucht. Dafür platzierten sie Vertikal-Windräder mit zwei oder drei Rotoren in unterschiedlichen Abständen und Winkeln zueinander und ermittelten, wie dies die Windgeschwindigkeit und damit die Leistung der einzelnen Rotoren beeinflusst.
15 Prozent Leistungszuwachs im Duo
Das überraschende Ergebnis: Anders als bei den klassischen Windparks aus Horizontalrotoren behindern sich die Vertikalrotoren nicht gegenseitig – sie können ihre Leistungen im Verbund sogar erhöhen. Konkret bedeutet dies: Wenn zwei solcher Windräder beieinander stehen, dann erhöht sich ihre Leistung um bis zu 15 Prozent, wie Hansen und sein Team berichten. Bei einem dritten Windrad in der Reihe liegt der Zuwachs immerhin noch bei drei Prozent.
Als optimal erwies sich dabei ein Abstand der Windräder von drei Rotordurchmessern und ein Winkel von rund 60 Grad zur vorherrschenden Windrichtung. Aber selbst bei Abständen von nur zwei Rotordurchmessern oder Winkeln von 30 bis 90 Grad waren noch Synergieeffekte messbar. „Das bedeutet, das die Leistung einer solchen Anlage selbst bei sich drehendem Wind nicht signifikant absinkt“, so die Forscher.
Beschleunigter Windstrom
Der Grund für diese Synergieeffekte ist der Einfluss der Rotorbewegung auf den Windstrom: Die Flügel des Vertikalrotors drehen sich nicht senkrecht zum Wind, sondern auf einer Seite mit ihm, auf der anderen dagegen. Dadurch kommt es auf der sich mit dem Wind bewegenden Rotorseite zu einer Beschleunigung des Luftstroms, wie die Simulationen ergaben. „Zusätzlich sorgen Turbulenzphänomene für eine Zunahme der Energie“, erklären die Forscher. „Zusammen führen diese Mechanismen dazu, dass Vertikal-Windräder zusammen leistungsstärker sind als einzeln.“
Nach Ansicht der Wissenschaftler könnten Windparks aus Vertikalrotoren damit rentabler sein als bislang angenommen. Denn der Synergieeffekt erhöht ihren Wirkungsgrad, zudem können die Rotoren dichter stehen als bei Horizontalrotoren. „Windparks der Zukunft sollten daher vertikal sein“, sagt Koautor Iakovos Tzanakis von der University of Oxford. „Das könnte ihre Effizienz erhöhen und letztlich auch die Strompreise senken.“ (International Journal of Renewable Energy, 2021; doi: 10.1016/j.renene.2021.03.001)
Quelle: Oxford Brookes University
