Kleinwindkraftanlagen – urbane Windenergie auf dem Vormarsch

Hier und da drehen sie sich schon auf Häuserdächern: Kleinwindkraftanalgen in der Stadt.

Warum gibt es den Trend zu großen Windkraftanlagen?

Beim dem Schlagwort Windkraft fallen einem sofort die riesigen Windmühlen ein, wie sie bereits in vielen Gegenden in Deutschland anzutreffen sind. Gemessen an der Gesamtenergieproduktion in Deutschland wurde bereits letztes Jahr mehr Strom aus erneuerbaren Energien (22,1%) erzeugt als aus Kernenergie(16,1%) oder Steinkohle (19,1%). Allein aus Windkraft stammen 8,1% des deutschen Energiemixes [0]. Durch die unterschiedlichen Windbedingungen sind in Deutschland besonders die See- und Küstengebiete, Tiefebenen und die Gebirge für die Produktion von Windenergie geeignet. Dabei nimmt mit zunehmender Höhe auch die Windgeschwindigkeit zu. Das ist der Grund, warum bei den Windkraftanlagen Größenwahn herrscht. Mit 180 Metern Gesamthöhe steht bei Brunsbüttel an der Nordseeküste die größte Windkraftanlage der Welt.

Aerodynamische Vorteile von Luftströmungen in der Stadt

Doch gibt es auch andere geeignete Standorte für die Nutzung von Windenergie: auf Gebäuden. Trifft Wind frontal auf ein Gebäude, so wird er zunächst abgebremst und umfließt das Hindernis. Dabei bilden sich energiereiche Strömungen und Verwirbelungen an den Dachkanten. Diese können genutzt werden, um mit Kleinstwindkraftanlagen Strom zu produzieren. Da die typischen Rotoren mit drei Flügeln bei schnell wechselnden Windrichtungen nur schlecht funktionieren, kommen andere Formen zum Einsatz.

Rotoren mit vertikaler Achse (VAWT)

Rotoren mit vertikaler Achse laufen auch bei veränderlichen Windbedingungen relativ gleichmäßig.

Verdrillter Savonius-Rotor als Kleinwindkraftanlage in der Stadt (Quelle: Popolon CC BY-SA 4.0)
Verdrillter Savonius-Rotor als Kleinwindkraftanlage in der Stadt (Quelle: Popolon CC BY-SA 4.0)

Zum Einsatz kommen überwiegend Savonius- und Darrieus-Rotoren. Savonius-Rotoren finden bereits seit Jahren Anwendung als Belüftungsanlagen auf Schiffs- und Häuserdächern. Durch die gleiche Technik lässt sich mit ihnen auch Strom produzieren. Für die Energieproduktion in Deutschland spielen diese Kleinwindkraftanlagen noch keine Bedeutung.

Inselsysteme setzen schon lange auf Kleinwindkraftanlagen

Anders sieht es bei sogenannten Inselsystemen aus. Gibt es keine Verbindung zum Stromnetz, muss der Strom selbst hergestellt werden. Bei vielen Segelbooten ist beispielsweise eine Kleinwindkraftanlage am Mast installiert um Strom für Beleuchtung, Funk- und Navigationsgeräte zu produzieren. Aber auch bei Gehöften abseits der Dörfer auf dem Land oder bei kleinen Hütten in den Bergen kann damit die Stromversorgungen sichergestellt werden.


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Widerstandsläufer: von den Anfängen der Windkraft bis zu modernen Windkraftanlagen

Als das erste Segel an einem Schiff zur Fortbewegung angebracht wurde, war die Nutzung der Windkraft geboren. Die ersten Windkraftanlagen der Menschheit waren Widerstandsläufer. Was unterscheidet sie von den modernen Auftriebsläufern ?

Ihre Einfachkeit kompensiert den geringen Wirkungsgrad – dadurch leisten sie auch heute noch einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Technikgeschichte von der Persischen Windmühle bis zum modernen Savonius-Rotor.

Kleinwindkraftanlage: Widerstandsläufer als Western-Windrad auf Malta

Auf einer Reise durch das Hinterland von Malta sind sie nicht zu übersehen: Kleinwindkraftanlagen. Doch anders als meisten heutigen Windkraftanlagen, dienen sie nicht der Stromerzeugung. Die Windkraft wird zum Antrieb von Wasserpumpen genutzt. Durch die wenigen Niederschläge ist die Landwirtschaft auf zusätzliches Grundwasser zur Bewässerung angewiesen. Die vielblättrigen Horizontalachsanlagen vom Typ Western-Windrad treiben mechanisch eine Kolbenpumpe an. Diese Art des Windenergiekonverters wurden 1854 von Daniel Hallada in den USA entwickelt, weshalb sie auch Amerikanische Windräder genannt werden.

Kleinwindkraftanlage auf Malta als Wasserpumpe zur Bewässerung
Kleinwindkraftanlage auf Malta als Wasserpumpe zur Bewässerung

Die einfache Bauweise komplett aus Stahlblechteilen und die robuste Mechanik zur Windnachführung und Sturmsicherung machen einen vollautomatischen Betrieb, ohne jegliche Elektrotechnik möglich.

Was ist der Unterschied zwischen Widerstandsläufern und Auftriebsläufern?

Widerstandsläufer:

Weht der Wind gegen ein Hindernis, wird ein Teil der Energie des Windes in Kraft umgewandelt, die das Hindernis vor dem Wind herschiebt. Das ist das Prinzip, welches Segelboote nutzen, um die Windenergie für die Antrieb des Schiffes zu nutzen. In Windkraftanlagen wird die Bewegungsenergie der Luftmassen in Bewegungsenergie des Rotors umgewandelt. Bei einem Western-Windrad wird der Winddruck gegen die schräg gestellten Rotorblätter in Rotationsenergie des Rades übertragen.

Widerstansläufer an einem Savonius-Halbschalen-Rotor
Widerstansläufer an einem Savonius-Halbschalen-Rotor

Die Graphik zeigt die Wirkungsweise eines Savonius-Rotors. Im Gegensatz zum Western-Windrad mit horizontaler Achse (HAWT), kann die vertikale Achse (VAWT) vom Savonius von allen Richtungen her angeströmt werden, ohne dass es eine Windnachführung braucht.

Auftriebsläufer:

Auftriebsläufer nutzen stattdessen den aerodynamischen Auftrieb, um den Rotor in Drehung zu versetzen. Das Prinzip was bei Flugzeugen für Auftrieb sorgt, wurde auf Windkraftanlagen übertragen. Ihr Wirkungsgrad ist gegenüber Widerstandsläufern deutlich größer. Sie können mit relative kleinen, profilierten Rotorblättern eine größere Fläche im Windquerschnitt „ernten“. Dies spart Material, erfordert aber auch eine komplexe Steuerung und Sturmsicherung.

 

Auftrieb eines aerodynamischen Flügelprofiles einer HAWT / Windkraftanlage mit horizontaler Achse
Auftrieb eines aerodynamischen Flügelprofiles einer HAWT / Windkraftanlage mit horizontaler Achse

 

Wenn der Wind das Rotor-Profil trifft, strömt die Luft an dessen Unterseite ungebremst entlang, während sie an dessen Oberseite durch die Krümmung einen Umweg nehmen muss. Durch den längeren Weg strömt sie schneller, wodurch sich ein Unterdruck aufbaut. Dieser Unterdruck saugt das Rotor-Profil nach oben. Bei einer Windkraftanlage mit horizentaler Achse (HAWT) wird der Auftrieb der Rotorblätter durch die sternförmige Anordnung in Rotationsenergie umgewandelt.

Bei beiden Rotortypen kann die Achse entweder in horizontaler oder in vertikaler Ausrichtung angeordnet sein. Die typischen Windkraftanlagen zur Stromerzeugung sind Auftriebsläufer mit horizontaler Rotorachse. Sie haben den besten Wirkungsgrad, sind aber im Aufbau kompliziert und störungsanfällig. Das Western-Windrad ist auch eine Windkraftanlage mit horizontaler Achse, nutzt aber das Widerstandsprinzip. Der Savonius-Rotor hingegen ist ein Vertikalachser, ist aber ebenso ein Widerstandsläufer.

Widerstandsläufer: die Mutter aller Windkraftanlagen

Die erste Windkraftanlage wurde vermutlich in China gebaut. Die chinesische Windmühle war wie ein Karussell gebaut. Sie war mit mehreren Segeln ausgestattet, die sich selbstständig nach dem Wind ausrichteten. Die Windkraft wurde dazu genutzt, Wasser für die Bewässerung von Feldern zu pumpen. Bis zurück in das 7. Jahrhundert ist die Existenz der Persischen Windmühle nachgewiesen. Sie ähnelt stark dem Savonius-Rotor. Die Halbschalen waren jedoch als flächige Schaufeln aus einem Holzgerippe, welches mit Zweigen oder Matten bespannt wurde, gebaut. Mit ihrer Hilfe wurden Mahlsteine angetrieben.

Querschnitt einer Persischen Windmühle
Querschnitt einer Persischen Windmühle

Da bei der Persischen Windmühle die Schaufeln von beiden Seiten die gleiche Form hat, muss eine Hälfte des Rotors von dem Wind geschützt werden. Ansonsten würde der Rotor genauso stark gebremst werden, wie er auf der anderen Seite beschleunigt würde. Beim Savonius-Rotor ist dies durch die Halbschalen realisiert: die Halbschale hat einen größeren Luftwiderstand, wenn der Wind in die offene Seite bläst, als andersherum. Der Trichter auf der Windseite des Gebäudes hatte den Effekt, dass mehr Wind auf die Schaufeln gelenkt wird. Da der Trichter jedoch fest in das Gebäude integriert war, konnte nur Wind einer bestimmten Richtung optimal genutzt werden.

Kleinwindkraftanlagen: Der Savonius-Rotor als moderner Widerstandsläufer

Obwohl Widerstandsläufer die ersten von Menschen gebauten Maschinen zur Nutzung der Windkraft darstellen, sind sie keine Relikte aus einer vergangenen Era. Moderne Widerstandsläufer setzen zwar auf das gleiche Prinzip, wurde aber über die Zeit hinweg stetig optimiert. Der Savonius-Rotor hat den Vorteil, dass auch böige Winde aus unterschiedlichen Richtungen ihm nichts ausmachen. Windkraftanlagen mit horizontaler Achse (HAWT) müssen immer in den Wind gedreht werden. Aus diesem Grund werden sie meist auf großen Türmen gebaut, weil in der Höhe der Wind konstanter weht und weniger oft die Richtung wechselt. Savonius-Windkraftanlagen eignen sich besonders in Bodennähe als Kleinwindkraftanlagen, wo der Wind durch Bäume und Häuser turbulenten Verwirbelungen unterworfen ist.

Verdrillter Savonius-Rotor als Kleinwindkraftanlage in der Stadt (Quelle: Popolon CC BY-SA 4.0)
Verdrillter Savonius-Rotor als Kleinwindkraftanlage in der Stadt (Quelle: Popolon CC BY-SA 4.0)

Auf dem Foto ist ein verdrillter Savonius-Rotor mit zwei Halbschalen-Ringen mit je drei Halbschalen zu sehen. Die verdrehte Form sorgt für einen vibrationsarmen Lauf des Rotors, da in jeder Position des Rotors der Wind auf das gleiche Profil vom Rotor trifft. So erfährt der Rotor bei der Rotation immer ein konstante Beschleunigung. Die Halbschalen sind zum Zentrum hin offen und versetzt angeordnet. Strömt der Wind in eine Halbschale, so wird dieser in die entgegengesetzte Halbschale umgeleitet und überträgt damit auch auf diese einen Teil der Strömungsenergie. Damit kann der Wirkungsgrad im Vergleich zur Persischen Windmühle noch einmal deutlich gesteigert werden. Diese Merkmale des Savonius-Rotors machen ihn besonders interessant für Kleinwindkraftanlagen im urbanen Raum. Auf Dachkanten oder Flachdächern können sie einen wichtigen Beitrag für die Energiewende leisten.


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