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Einarmiger Windfänger - neue energie / Dez 2011

In den 80er Jahren wurden Turbinen mit nur einem Rotorblatt gebaut und getestet. Durchgesetzt hat sich das Konzept nie – zu groß waren die technischen Schwierigkeiten und zu gering der Wirkungsgrad.


Für Aerodynamiker ist der Ahornsamen vorbildlich: Sein Aufbau ist minimalistisch, seine Flugeigenschaften sind hervorragend. Am Baum hängt der Samen im Doppelpack, als weit offenes V. Erst der Wind trennt den Zweiflügler vom Ast und schließlich das Samenpaar voneinander. Im freien Fall beginnt sich der kleine Einflügler spiralförmig zu drehen, daher nennt man ihn auch Schraubenflieger. Der schwere Samenbeutel und der leichte, große Flügel drehen sich um eine gemeinsame Achse und sinken sanft gen Erde. Fachleute nennen das Autorotation. Durch die Drehbewegung erzeugt der kleine Flugkörper Auftrieb und bremst seinen Fall. Je langsamer er sinkt, desto weiter kann er vom Wind getragen werden und desto größer ist seine Verbreitung.

Kein Wunder, dass sich Ingenieure vom bestechend einfachen Design des Ahornsamens inspirieren lassen. Schon vor über einem Vierteljahrhundert arbeiteten Forscher an einflügligen Windrädern. Im Gegensatz zum Samen, der kreiselnd vom Baum segelt, ist das einflüglige Windrad auf horizontal wehenden Wind angewiesen, um in Schwung zu kommen. Damit die Maschinen nicht unwuchtig im Kreis eiern, haben sie, wie das natürliche Vorbild, ein Gegengewicht das sie in Balance hält. „Die Aerodynamik ist dieselbe. So schlecht kann’s nicht sein, wenn’s die Natur vormacht“, findet Enercon-Windkraftkonstrukteur und Einflügler-Fan Jochen Röer.

Das Epizentrum der Einflügler-Forschung war in den 80er Jahren die Universität Stuttgart, Franz Xaver Wortmann gab ihr ein Gesicht. Damals hatten Dreiflügler mit einer Reihe von technischen Problemen zu kämpfen, in der Folge wurde offensiv an alternativen Konzepten geforscht. Wortmann konstruierte leichte, elegante Gebilde, sozusagen die Ur-Einflügler. „Flair“ taufte er seine Entwicklung. Zwischen 1981 und 1986 arbeitete auch Jochen Röer in Stuttgart und infizierte sich dort mit dem „Einflügler-Virus“, wie er sagt. Noch heute lobt er das „lastärmste Konzept“.

Blattspitze abrasiert

1978 förderte das Bundesministerium für Forschung und Technologie, den Bau des „Monopteros“ durch den Luft- und Raumfahrtkonzern Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB). Ziel war eine fünf Megawatt (MW) starke Anlage. MBB entwarf eine Testmaschine, die 1981 in Bremerhaven installiert wurde. „Monopteros 400“, so der Name, hatte eine Nabenhöhe von 50 Metern, ein etwa 20 Meter langes Rotorblatt, sein Generator leistete 400 Kilowatt (kW). „Da wurde die Machbarkeit gezeigt“, erinnert sich Röer. Alt sollte „M400“ jedoch nicht werden – der Flügel krachte in ein Abspannseil des Turmes und rasierte sich selbst die Blattspitze ab.

Für das einblättrige Windrad sprechen vor allem Materialersparnis und unkomplizierter Aufbau: Ein Blatt ist billiger als zwei oder drei. Zudem entfallen Blattlager und Pitchantriebe. Vorteilhaft ist der fehlende Windscherungseffekt. Dieser tritt auf, wenn ein Flügel am höchsten Punkt steht, also die maximale Windkraft erntet und die anderen Flügel weniger stark angeströmte Bereiche durchfahren. Dann wirken unterschiedlich starke Kräfte auf die Anlagenkomponenten, vor allem auf die Lager. „Solche Momente an der Blattwurzel habe ich beim Einflügler nicht“, sagt Röer.

Im Unterschied zu den gängigen Konstruktionen ist das Rotorblatt des Einflüglers nämlich beweglich gelagert. Mit dem Antriebsstrang verbindet es ein so genanntes Schlaggelenk, ähnlich wie bei Hubschraubern, wo die Rotorblätter zugleich fest und beweglich sind. Einflügler sind meist als Leeläufer ausgelegt – der Rotor dreht sich auf der windabgewandten Seite. „Der Flügel hat alle Freiheitsgrade, die er haben möchte. Das System stabilisiert sich selbst“, sagt Röer. Günstig ist zudem die hohe Schnelllaufzahl. Sie gibt das Verhältnis von Windgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit des Rotors an. Hohe Eingangsdrehzahlen sind gut, denn dadurch kann das Getriebe einfacher konstruiert werden, da es weniger Übersetzungsarbeit für den Generator leisten muss.

K.o.-Kriterium

Läuft doch alles rund, möchte man meinen. Und warum drehen sich allerorts die aufwändigeren Dreiflügler? Schuld ist der Wind, er macht den Flügel zu einem überdimensionalen Hebel. „Die Kraft geht voll über die Nabe und die nachfolgenden Systeme wie Lager, Getriebe und Generator. Für die Lebensdauer ist das eine echte Katastrophe und für mich das K.o.-Kriterium“, sagt Heiner Dörner, Windenergieexperte am Institut für Flugzeugbau an der Universität Stuttgart. Vor allem bei Böen leidet die Mechanik. „Man braucht relativ komplizierte Gelenke“, moniert auch Siegfried Mickeler, Strömungsmechaniker an der Uni Schweinfurt und an der Konstruktion der Monopteros-Anlagen maßgeblich beteiligt. Zudem kommt der Einflügler auf einen Wirkungsgrad von höchstens 42 Prozent, während Zwei- und Dreiflügler bis zu 49 Prozent schaffen.

Die Marktentwicklung gibt den Kritikern Recht. Zwar flammte die Idee vom Einflügler 1987, nachdem Growian scheiterte, nochmals auf – die zweite Generation des Monopteros wurde gebaut. Doch auch diesmal verbrannten sich die Konstrukteure eher die Finger als Freudenfeuerwerke zu entfachen. Verantwortlich war wieder MBB, und leistete beachtliche Arbeit: „M50“ hatte eine Nabenhöhe von 60 Metern, der Rotor einen Durchmesser von 56 Metern, die Welle drehte sich mit 42,6 Umdrehungen je Minute und trieb einen Synchrongenerator mit 650 kW Nennleistung an. Die Blattspitze erreichte dabei 100 Meter je Sekunde – deutlich mehr als bei heutigen Anlagen, die meist unter 80 Meter je Sekunde bleiben. Das 26 Meter lange Rotorblatt wäre selbst heute fortschrittlich: Es bestand aus Glas- und Kohlefasern und war ein wahres Leichtgewicht von nur 2,4 Tonnen.

Drei M50 wurden gebaut und in Wilhelmshaven im Jade-Windpark errichtet. Zehn Jahre lang drehten sie ihre Runden. Allerdings „mit vielen Unterbrechungen“, wie Röer zugibt. „Auf Dauer waren sie nicht sehr wirtschaftlich.“ Vor allem das Schlaggelenk machte Sorgen, musste wegen des immensen Verschleißes oft getauscht werden. Heiner Dörner überrascht das nicht: „Bei der Dynamik ist der Einflügler katastrophal.“ Auch der Nabenbereich, der das Blatt und das Gegenwicht der M50 aufnahm, war nicht sorgenfrei. Immer wieder erwies sich die Schweißverbindung als Fehlerquelle und Ursache für lange Stillstände. Schließlich wurden alle drei Maschinen im Jahr 2000 abgebaut und das Konzept nicht weiter verfolgt.

Offshore ein gutes Konzept?

Heute kramen nur wenige Ingenieure die vergilbten Pläne aus. Zwar sucht die Branche vor allem Offshore nach alternativen Konzepten, doch obwohl auf See das unruhige Laufbild und die hohe Geräuschentwicklung – wie sie bei den schelllaufenden Ein- und Zweiflüglern vorherrschen – kaum stören, sind die Chancen gering. „Offshore könnte es Sinn machen. Die Anlagen hinken aber immer dem Wirkungsgrad hinterher“, sagt Siegfried Mickeler. Und so hat lediglich ein Unternehmen Einflügler mit 100 kW bis zwei MW im Programm: der spanische Hersteller Ades. Allerdings sind die beiden im Vorjahr aufgestellten Anlagen reine Prototypen.

Doch irgendwie scheint was dran zu sein, am Einflügler. In den 1980er Jahren interessierte sich ein Ingenieur in Ostfriesland für das einarmige Windrad: Aloys Wobben. Als Jochen Röer Ende der 80er bei Enercon anfing, reiste er mit Wobben nach Süddeutschland, um sich den Prototyp von Wortmanns Einflügler anzusehen. Der hatte vier Meter Rotordurchmesser und stand in Schnittlingen auf der Schwäbischen Alb. „Wobben war ja für alles offen und fand das auch interessant“, sagt Röer. Nach der Rückkehr stellte sich heraus, dass das Konzept, zumindest für Enercon, nicht umsetzbar sein wird – aus technischen Gründen und wegen der Finanzhilfen auf die Enercon anfangs angewiesen war. In Niedersachsen wollte man ein solches Konzept nicht fördern: „zu unruhig, zu laut“ hieß es aus Hannover, wie sich Röer erinnert.


Der Beitrag erschien im Dezember 2011 in: neue energie

© 2011 Daniel Hautmann