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Kleinwind-Könner - neue energie / Okt 2011

Vertikal-Windkraftanlagen sind selten - Kritiker monieren den schlechten Wirkungsgrad. Dennoch werden ständig neue Vertikalachser entwickelt. Kommt bald der Durchbruch?


Die Meldung sorgte für Verblüffung: Das britische Unternehmen Vertax Wind Limited kündigte im Frühjahr 2009 an, ein zehn MW starkes Windrad zu konstruieren, speziell für den Offshore-Einsatz. Mit diesem lasse sich richtig günstig Windstrom ernten. „20 bis 30 Prozent preiswerter als mit Offshore-Horizontalanlagen“, erklärte Geschäftsführer Steven Peace damals. Erreichen wollten Peace und sein Team diesen Wert ausgerechnet mit einer vertikal drehenden Maschine.

Vertikal Axis Wind Turbines, kurz VAWT, haben große Vorteile, ist Steven Peace überzeugt: Eine Vertikalanlage müsse der Windrichtung nicht nachgeführt werden, das spare bewegte Teile. Und da die drei je 110 Meter langen Flügel seiner Anlage durchgängig dasselbe Profil hätten, zudem in Elf-Meter-Segmenten gefertigt würden, wären sie vergleichsweise einfach zu produzieren und zu transportieren. Gelagert wären die riesigen Flügel, beziehungsweise deren Haltearme, an zwei Stellen – oben und unten am Turm. Auf dieser Höhe wären auch die beiden direkt angetriebenen Generatoren untergebracht. Damit nicht genug: Der Turm, der als Schwimmkörper fungiere, bestehe aus günstigem Beton statt teurem Stahl. Das Windrad könne im Hafen gebaut, an Ort und Stelle getestet und dann auf die offene See geschleppt werden. Dort könne es doppelt so lange Dienst tun wie gewöhnliche Windräder, die für rund 20 Jahre ausgelegt sind. Klingt gut? „Die gewinnorientierte Windindustrie hat die Antwort längst gegeben“, sagt Heiner Dörner. Der Windenergieexperte hat lange Jahre am Institut für Flugzeugbau an der Universität Stuttgart gelehrt und ist einer der leidenschaftlichsten Kritiker der Vertikal-Technik.

Bekanntlich wurden in den vergangenen Jahren fast ausschließlich Horizontalanlagen installiert, was an ihrem aerodynamischen Wirkungsgrad liegt: Die Blätter, die rechtwinklig zum Wind drehen, entnehmen kontinuierlich Energie aus dem Luftzug. Flügel von Vertikalanlagen dagegen drehen einen Teil des Weges mit dem Wind und auf der gegenüberliegenden Seite müssen sie gegen den Wind ankämpfen. Auf dieser Rücklaufseite benötigen sie Energie, was den Wirkungsgrad verschlechtert. Zudem drehen die Flügel ihre Runden stets im eigenen, hochturbulenten Rotornachlauf, wie Christoph Heilmann von Berlinwind erläutert: „Vertikalachser zeigen eine besonders schwierige dynamische Eigenanregung, wegen der permanent wechselnden Rotorblattanströmung.“

Auch was die Leistungsfähigkeit der Vertikalmaschinen angeht, zeigt sich Heiner Dörner eher unbeeindruckt: „Physikalisch sind Vertikalachsen-Windturbinen um mindestens 30 Prozent leistungsschwächer als die heute üblichen Horizontalachsenläufer. Die Anlagen müssten also 60 Prozent billiger sein, damit es sich rechnet. Das sind sie aber nicht.“

Hervorgegangen sind Vertikalanlagen aus dem Darrieus-Rotor, der bereits 1931 patentiert wurde. Bei diesem Modell laufen die Flügel oben und unten zusammen und bilden so einen geschlossenen Flügel. Modelle mit vertikaler Drehachse nennen sich auch H- oder Heidelberg-Rotoren. Dabei stehen die Flügel senkrecht in der Luft, verbunden durch eine Traverse – das Gebilde sieht also aus wie ein überdimensionales H. Von diesem Typ drehten sich von 1994 bis 1997 fünf Anlagen mit je einem MW Leistung im Testfeld Kaiser-Wilhelm-Koog. Allerdings mussten sie bald Horizontalanlagen weichen. Nur vereinzelt leisten H-Rotoren bis heute ihren Dienst – etwa auf der Neumayer-Station in der Antarktis.

Vertax-Mann Steven Peace hat Gegenargumente: „Mit dem vertikalen Konzept ist es einfacher, große Anlagen zu bauen.“ Mit Flügellängen von 60 Metern, riesigen Blattwurzeln, massiven Turmsegmenten und hunderte Tonnen schweren Gondeln seien die Horizontalanlagen schon heute an der Grenze der Transportfähigkeit. Schon im Jahr 2009 war Peace sicher, bei der sogenannten „Round 3“, einer gigantischen Offshore-Ausschreibung in Großbrittanien, mit seiner Maschine den großen Coup zu landen. Von einer „signifikanten Anzahl von Anlagen“ sprach er damals. Bislang konnte sich für Vertax aber niemand begeistern. „Wir machen gute Fortschritte und die Ausschreibung läuft ja noch“, versichert Peace.

Schlechte Karten für Vertikalmaschinen? Ja, zumindest für die großen. Laut Kimon Argyriadis von Germanischer Lloyd Renewables Certification haben die Maschinen im Multimegawattbereich entscheidende Nachteile: Zum einen müssen die meisten Anlagen gestartet, also von außen in Drehung versetzt werden, erst dann kreisen sie im Wind. Zudem sind viel Grundsatzfragen zu lösen: Wie lagert man einen riesigen Rotor mit starken Biegemomenten? Was ist mit den dynamischen Lasten? „Ich sehe große Schwierigkeiten bei großen Anlagen mit hohem Mast. Die dynamische Beanspruchung ist sehr hoch“, sagt Argyriadis.

Anders sehe es aber bei kleinen Maschinen aus: „Vertikalachsanlagen mit bis zu 150 kW waren in den 1970er und 80er-Jahren in den USA relativ erfolgreich. Es wurden mehrere Hundert Anlagen errichtet. Durchgesetzt hatten sich dann aber die Horizontalachsanlagen“, so Argyriadis. Kleine Windräder, im unteren Kilowattbereich, machen vertikal zumindest vereinzelt eine gute Figur. „Da sehe ich sehr große Chancen“, sagt Argyriadis. Der Grund: Bei ihnen herrschen geringere Lasten.

Die rote Karte zeigt Argyriadis den Großanlagen nicht, doch würden sie sich, wenn überhaupt, eher Offshore durchsetzen: Dort ist die Notwendigkeit hoch zu bauen nicht so stark.“ Und weniger Höhe bedeutet weniger Dynamik.

Unterdessen kündigen neue Hersteller immer neue Vertikalachser an – wenn auch meist in Form futuristischer Grafiken auf kuriosen Internetseiten. So will das britische Unternehmen Wind Power Limited mit dem AerogeneratorX gleich eine zehn MW starke Anlage ins Meer setzen. Allerdings kommt diese Erfindung ganz anders daher, als gängige Entwürfe, die dem frühen Heidelbergrotor folgen. Der Aerogenerator hat nur zwei Flügel die V-förmig angeordnet sind.

Und dann ist da das französische Unternehmen Nenuphar. Das Start-up testet seit 2010 ein 1:10-Modell seiner  zwei MW starken Vertiwind. Dabei stehen die drei Flügel nicht einfach gerade nach oben, sondern schrauben sich in Form einer Helix um den Turm. So sollen sich die Lasten besser verteilen. 2012 soll der erste große Prototyp an land errichtet werden, im Jahr darauf dann schon die Offshore-Variante folgen – gemeinsam mit dem Energieunternehmen Technip.

Die Idee der vertikalen Windkraft bleibt der Welt also vorerst erhalten. Vielleicht machen die neuen Unternehmen ja größere Fortschritte als Vertax? Stephen Peace ist dennoch von seiner Entwicklung überzeugt, wirbt weiter für das Vertikal-Prinzip und hofft auf Round 3. Für Kritiker wie Heinz Dörner ist das letzte Wörtchen längst gesprochen: „Ich verstehe nicht, warum immer wieder über die VAWT-Technik recherchiert und geschrieben wird, hat sich doch diese Technologie aus physikalisch-wirtschaftlichen Überlegungen und Fakten heraus von selbst erledigt und als nicht weiterverfolgbar herausgestellt.“


Der Beitrag erschien im Oktober 2011 in: neue energie

© 2011 Daniel Hautmann