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Windenergie: Was bringen Vertikal-Rotoren?

Die Stromerzeugung durch Windanlagen ist eine wichtige Säule der Energiewende. Aber die Windturbinen sind ziemlich unbeliebt – sie sind riesig, oft laut und werden für Vögel und Fledermäuse oft zur Todesfalle. Doch es gibt eine verträglichere Alternative: Windräder, die um ihre senkrechte Achse rotieren. Diese Vertikalrotoren sind leiser, werden von Tieren besser erkannt und könnten in manchen Konfigurationen sogar effizienter arbeiten als herkömmliche Windturbinen.
NPO, 12.05.2022
Vertikale Windkraftanlage mit Darrieus-Rotor

BanksPhotos, GettyImages

Theoretisch könnte die Kraft des Windes den Energiebedarf der Menschheit um ein Mehrfaches decken - und das, ohne sich zu erschöpfen oder Treibhausgase zu produzieren. Für eine klimaverträgliche Energiewende gilt die Windkraft daher als wichtige Komponente. In der Praxis hakt es momentan jedoch mit dem Ausbau dieser erneuerbaren Energiequelle: Windparks gelten als zu laut und zu hässlich, vielerorts wehren sich deshalb Menschen gegen die Installation neuer Windparks.

Hinzu kommt, dass Vögel und Fledermäuse die sich schnell drehenden Rotoren der gängigen Windräder oft zu spät erkennen und im Flug von ihnen getroffen werden. Durch solche Kollisionen mit Windanlagen sterben allein in Europa jedes Jahr tausende Tiere – vor allem im Herbst und Frühjahr, wenn Vögel und Fledermäuse ihre saisonalen Wanderungen unternehmen.

Windmühlen mit senkrechter Drehachse

Was aber kann man tun, um diese Probleme mit der Windkraft zu lösen? Ganz verzichten können wir auf diese Form der Energiegewinnung nicht. Daher gilt es, Lösungen zu finden, um die Windturbinen menschen- und tierfreundlicher zu gestalten. Eine solche Lösung könnten Windräder mit Vertikalrotoren darstellen. Bei diesen Anlagen rotieren die Flügel nicht um eine waagerecht 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.

Neu ist diese Art von Windrädern mit vertikalen Rotoren nicht – im Gegenteil: Schon vor tausenden Jahren wurden solche Windmühlen im alten China, in Persien und anderen Hochkulturen Asiens gebaut und eingesetzt. In Europa dominiert zwar seit dem Mittelalter die klassische Windmühle mit horizontaler Drehachse, aber schon Anfang des 20. Jahrhunderts experimentierten Ingenieure und Erfinder auch mit verschiedenen Vertikalrotoren.

Windkraftanlagen mit Darrieus-Rotoren
Noch eine exotischer Anblick: Windkraftanlagen mit Darrieus-Rotoren.

ilbusca, GettyImages

Wie funktionieren Vertikalrotoren?

Im Prinzip nutzen auch die Windräder mit senkrechter Achse den Schub, den der Wind ihnen verleiht – allerdings je nach Typ auf leicht unterschiedliche Weise.  Der um 1930 erfundene Darrieus-Rotor und seine modernen Varianten funktioniert nach dem Prinzip einer Flugzeugtragfläche: Der Querschnitt der oft eher schmalen Rotoren sorgt dafür, dass die Luftströmung an der Vorderseite einen Sog erzeugt, auf der Rückseite anschiebend wirkt.  Weil sich das Rotorblatt um die senkrechte Achse des Windrads dreht, verändert sie ihren Winkel und kann daher von Wind aus allen Richtungen in Bewegung versetzt werden.

Der zweite Bautyp ist der Widerstandsläufer oder Savonius-Rotor. Diese um 1920 entwickelte Windturbine funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie ein Schaufelrad oder die kugeligen Windfänger von meteorologischen Windmessern: Der Wind wird durch breite schalenförmige oder spiralig gewundene Flächen eingefangen und sorgt durch seinen direkten Druck für die Bewegung der Rotoren. Auch diese Windräder funktionieren unabhängig von der Windrichtung und sind relativ robust.

Savonius-Rotor (links) und Anemometer (rechts)
Ein Savonius-Rotor (links) funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die halbkugelförmigen Windfänger klassischer Windmesser.

BanksPhotos (linnks) und Pixfly (rechts), GettyImages

Vor- aber auch Nachteile der alternativen Technik

Nachdem in Europa lange Zeit fast nur Windturbinen mit horizontale Achsen und den typischen Flügelrotoren gebaut wurden, wächst das Interesse an den Vertikalrotoren – denn sie haben einige Vorteile: 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.

Durch neue Verbundmaterialien und eine moderne Steuerelektronik sind die neuen Varianten solcher Vertikalrotoren auch weniger verschleißanfällig und effizienter als ihre historischen Vorgänger. Sie eignen sich zudem wegen ihres einfachen Aufbaus besonders gut für kleinere, dezentrale Anlagen. Inzwischen werden an verschieden Standorten in Deutschland und Österreich neue Formen von Vertikal-Windrädern für die Stromerzeugung getestet.

Allerdings:  Die Vertikalrotoren haben eine geringere Leistung und liefern bei gleichem Wind meist weniger Strom als die gängigen Turbinen. „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", erklärt Joachim Hansen von der Oxford Brookes University in England.

Gemeinsam sind sie stärker

Doch wie der Physiker herausgefunden hat, schwindet dieser Vorsprung der gängigen Windturbinen, wenn man die Windräder in einem Windpark dichter beieinander stehen. Während die normalen Windturbinen sich dann gegenseitig den Wind aus den Rotoren nehmen und so 20 bis 50 Prozent ihrer Leistung verlieren, scheinen die Vertikalrotoren sogar von dem engen Miteinander zu profitieren: Ihre Leistung erhöht sich im Verbund sogar noch um bis zu 15 Prozent.

Der Grund dafür ist der Einfluss der Rotorbewegung auf den Windstrom: Während die quer zum Wind drehenden Rotorblätter der normalen Windräder den Wind abbremsen, ist dies bei den mit dem Wind drehenden Vertikalrotoren anders: Sie sorgen auf der sich mit dem Wind bewegenden Rotorseite sogar für eine Beschleunigung des Luftstroms, wie Simulationen gezeigt haben. Außerdem erzeugen die Rotoren Turbulenzen, die den Wind ebenfalls eher verstärken. „Zusammen führen diese Mechanismen dazu, dass Vertikal-Windräder zusammen leistungsstärker sind als einzeln", erklärt Hansen.

Damit könnten sich Windräder mit Vertikalrotoren nicht nur gut für kleinere Windanlagen beispielsweise im Garten oder auf dem Dach eignen. Sie könnten selbst in größerem Maßstab ihre  Vorteile ausspielen – wenn sie in dichten Gruppen aufgestellt werden. Denn der Synergieeffekt erhöht ihren Wirkungsgrad, zudem können die Rotoren dichter stehen als bei Horizontalrotoren. „Windparks der Zukunft sollten daher vertikal sein. Das könnte ihre Effizienz erhöhen und letztlich auch die Strompreise senken“, meinen Hansen und seine Kollegen.

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