Vertikale Windkraftanlagen: Welche gibt es? Was können sie?
Wir haben uns vertikale Windkraftanlagen einmal etwas genauer angeschaut: Welche Arten gibt es? Welche Vor- und Nachteile bieten sie? Wie funktionieren sie?
Vertikale Windräder haben einige Vorteile, aber auch verschiedene Nachteile gegenüber herkömmlichen Windrädern.
Foto: PantherMedia / philopenshaw
Die ersten von Menschen erbauten Windanlagen verfügten über eine vertikale Achse. Bekannt ist hierbei insbesondere die persische Windmühle, deren Ursprünge bis ins 7. Jahrhundert zurückreichen. Vertikale Windräder zeichnen sich durch verschiedene Konstruktionen aus, darunter der Darrieus- und der Savonius-Rotor sowie deren Kombinationsformen. Obwohl sich im Laufe der Zeit Windanlagen mit horizontaler Rotorachse etabliert haben, besteht weiterhin ein großes Interesse an vertikalen Modellen. Dies liegt vor allem am ästhetisch ansprechenden Design der Rotoren, welches die Aufmerksamkeit vieler Menschen auf sich zieht. Zudem treten regelmäßig neue Hersteller in den Markt ein. Aus diesen Gründen haben wir die vertikalen Windkraftanlagen genauer unter die Lupe genommen.
Was sind vertikale Windkraftanlagen?
Vertikale Windkraftanlagen unterscheiden sich in ihrer Struktur und Funktionsweise deutlich von horizontalen Windkraftanlagen. Während horizontale Anlagen mit ihren großen, sich drehenden Rotorblättern weithin bekannt sind, setzen vertikale Windkraftanlagen auf eine aufrechte Achse, um Windenergie zu erzeugen.
Die vertikalen Anlagen sind häufig in Form von Säulen oder Türmen gestaltet, die einen zentralen Mast umgeben. Daran sind vertikale Rotorblätter befestigt, die sich um die zentrale Achse drehen. Anders als bei horizontalen Anlagen, die den Wind von vorn einfangen, nutzen vertikale Windkraftanlagen den Wind aus allen Richtungen, da ihre Rotorblätter unabhängig von der Windrichtung funktionieren.
Der Vorteil liegt in den geringeren Umweltauswirkungen und der Möglichkeit, solche Anlagen auch innerstädtisch einzusetzen, da sie weniger Platz brauchen: Sie benötigen keine großen freien Flächen für die Drehbewegung der Rotorblätter. Zudem könnten vertikale Windkraftanlagen effizienter in turbulenten Windbedingungen arbeiten, die in städtischen Umgebungen häufiger auftreten.
Allerdings gibt es auch besondere Herausforderungen: Die aerodynamischen Eigenschaften der Rotorblätter sind komplex. Das erschwert Entwicklung und Herstellung. Zudem sind horizontale Windkraftanlagen bisher effizienter und haben bereits langfristig ihre Leistungsfähigkeit gezeigt.
Welche verschiedenen Arten von vertikalen Windkraftanlagen gibt es?
Es gibt mehrere Arten von vertikalen Windkraftanlagen, die sich durch unterschiedliche Rotorformen auszeichnen. Dazu zählen:
- Savonius-Rotor: Der Savonius-Rotor ist ein einfaches Design, bestehend aus konkaven und konvexen Halbschalen, die sich um eine senkrechte Achse drehen. Er ist besonders für niedrige Windgeschwindigkeiten geeignet und ist in unterschiedlichen Umgebungen einsetzbar.
- Darrieus-Rotor: Der Darrieus-Rotor hat gebogene, meist s-förmige Rotorblätter, die sich ebenfalls um eine senkrechte Achse drehen. Diese Form gilt als aerodynamisch besonders effizient und kann selbst bei höheren Windgeschwindigkeiten arbeiten.
- Giromill: Der Giromill ist eine Variation des Darrieus-Rotors, bei dem die Rotorblätter vertikal ausgerichtet sind. Diese Anordnung soll die aerodynamische Effizienz verbessern.
- H-Rotor: Der H-Rotor ist eine weitere Unterart des Darrieus-Rotors mit Rotorblättern, die horizontal angeordnet sind und ein H bilden. Auch diese Form zielt darauf ab, die Leistung und Effizienz zu steigern.
- Helical-Rotor: Der Helical-Rotor hat Rotorblätter in Form einer Helix, die sich um eine senkrechte Achse winden. Dieses Design soll eine gleichmäßige Drehung und eine verbesserte Leistung bei variablen Windrichtungen ermöglichen.
- Augmented Wind Turbine (AWT): AWT kombiniert die vertikale Windkrafttechnologie mit einem zusätzlichen System, das die Effizienz steigern soll. Das kann etwa der Anbau von Luftverstärkern oder Generatoren sein, um die Windausbeute zu erhöhen.
Jede dieser vertikalen Windkraftanlagen hat ihre Vor- und Nachteile. Die Wahl hängt von den Anforderungen des Standorts und den gewünschten Leistungsmerkmalen ab. Die Forschung zielt aktuell darauf ab, die Effizienz und Wirtschaftlichkeit vertikaler Windtechnologie weiter zu verbessern.
Wie gewinnen vertikale Windkraftanlagen Energie aus Wind?
Vertikale Windkraftanlagen gewinnen die Energie ebenso wie die horizontale Variante durch die Rotation von Rotorblättern. Im Gegensatz zu horizontalen Windkraftanlagen, bei denen die Rotorblätter radial um die horizontale Achse angeordnet sind, haben vertikale Anlagen eine aufrechte Struktur.
Die Funktionsweise beruht auf den aerodynamischen Prinzipien: Der Wind trifft auf die Rotorblätter und versetzt sie in Rotation. Durch die Bewegung der Rotorblätter wird die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie umgewandelt, die dann über die Welle auf den Generator übertragen wird. Der Generator wandelt schließlich die mechanische in elektrische Energie um, die sich in das Stromnetz einspeisen oder lokal nutzen lässt.
Die vertikale Ausrichtung ermöglicht es diesen Anlagen, Wind aus unterschiedlichen Richtungen aufzunehmen, was einen Vorteil in Gebieten mit variablen Windverhältnissen darstellt. Obwohl vertikale Windkraftanlagen noch nicht so weit verbreitet sind wie ihre horizontalen Pendants, werden sie als vielversprechende Technologie betrachtet, insbesondere für städtische Umgebungen, in denen nur wenig Platz für alternative Energieträger bleibt. Zudem spielen im urbanen Raum oftmals Windturbulenzen eine große Rolle, mit denen vertikale Anlagen besser zurechtkommen, als horizontale Varianten.
Welche Vor- und Nachteile haben vertikale Windkraftanlagen?
Vertikale Windkraftanlagen weisen sowohl Vor- als auch Nachteile auf, die Einfluss auf ihre Anwendung nehmen. Zu den Vorteilen gehören:
- Geringerer Platzbedarf: Vertikale Windkraftanlagen benötigen weniger Grundfläche im Vergleich zu horizontalen Anlagen. Diese Eigenschaft macht sie für den Einsatz in städtischen Umgebungen oder Gebieten mit begrenztem verfügbarem Raum attraktiv.
- Variable Windrichtungen: Durch ihre vertikale Ausrichtung können diese Anlagen Wind aus verschiedenen Richtungen aufnehmen. Das ermöglicht eine effizientere Nutzung von Windenergie in Bereichen mit unvorhersehbaren oder wechselnden Windrichtungen.
- Geringere Beeinträchtigung der Landschaft: Im Gegensatz zu horizontalen Windturbinen gelten vertikale Anlagen als optisch weniger beeinträchtigend in der Landschaft. Das macht sie möglicherweise auch für Kritiker der Windkraft akzeptabler, insbesondere in sensiblen Umgebungen oder in der Nähe von Wohngebieten.
- Umweltauswirkungen: Vertikale Windkraftanlagen sind zudem bis zu dreimal leiser als die horizontalen Varianten und bieten mehr Vogelschutz als herkömmliche Windräder.
Jedoch gibt es auch Nachteile bei der Nutzung von vertikalen Windkraftanlagen:
- Geringere Effizienz im Großmaßstab: Vertikale Windkraftanlagen haben bislang eine geringere Energieeffizienz im Vergleich zu horizontalen Anlagen im Großmaßstab. Das liegt teilweise an den komplexeren aerodynamischen Eigenschaften der Rotorblätter
- Schwierige Skalierbarkeit: Der Aufbau und die Skalierbarkeit von vertikalen Anlagen können technisch anspruchsvoller sein. Die Entwicklung von leistungsfähigen, zuverlässigen und kosteneffizienten vertikalen Windkraftanlagen stellt nach wie vor eine Herausforderung dar.
- Komplexität der Rotorblätter: Die Rotorblätter von vertikalen Windkraftanlagen sind aufgrund ihrer Form und Bewegung aufwändiger in der Gestaltung. Das erschwert Herstellung und Wartung.
- Unzureichende Erfahrung im Langzeitbetrieb: Im Vergleich zu horizontalen Windturbinen gibt es kaum Erfahrung mit dem Langzeitbetrieb vertikaler Windkraftanlagen, was zu offenen Fragen bezüglich Zuverlässigkeit und Wartung führt.
- Geringere Wirtschaftlichkeit: Aus dem geringeren Wirkungsgrad und den geringen Stromerträgen lässt sich der schwerwiegendste Nachteil ableiten: Die Kosten der durch Windenergie produzierten Kilowattstunde Strom sind bei vertikalen Windturbinen erheblich höher als bei horizontalen Anlagen.
Für wen eignen sich vertikale Windkraftanlagen?
Vertikale Windkraftanlagen eignen sich für verschiedene Anwendungsbereiche, abhängig von den spezifischen Anforderungen und Umständen. So können vertikale Windkraftanlagen für Privathaushalte und kleinere Anwendungen in städtischen Gebieten, etwa für kleinere Unternehmen, geeignet sein, insbesondere wenn nur begrenzt Raum verfügbar ist. Die vertikale Ausrichtung erlaubt es, Wind aus verschiedenen Richtungen aufzunehmen, was bei unvorhersehbaren Windverhältnissen von Vorteil sein kann. Die geringere Grundfläche und möglicherweise als ästhetisch ansprechender wahrgenommene Bauweise machen sie für den Einsatz bei Einfamilienhäusern akzeptabel.
Vertikale Windkraftanlagen können aber ebenso gut für dezentrale Energieerzeugungszwecke genutzt werden, insbesondere in Gebieten, die sich nicht gut für horizontale Windturbinen eignen. Das könnte die Abhängigkeit von zentralisierten Stromnetzen verringern. In einigen Fällen können vertikale Windkraftanlagen Teil von Hybridenergiesystemen sein, die mehrere Energiequellen kombinieren, wie zum Beispiel Solar- und Windenergie. Diese Hybridansätze bieten sich in abgelegenen Gebieten oder bei der Versorgung von Off-Grid-Systemen (Inselanlagen) an.
Für kleinere mittelständische Unternehmen oder Industriezweige in Gebieten mit begrenztem Platzangebot können vertikale Windkraftanlagen ebenfalls eine alternative Energiequelle darstellen. Sie helfen, den Energiebedarf zu decken und gleichzeitig den ökologischen Fußabdruck zu minimieren.
Trotz dieser Anwendungsmöglichkeiten ist zu beachten, dass vertikale Windkraftanlagen bisher nicht in gleichem Maß verbreitet sind wie horizontale Windturbinen. Die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der vertikalen Windkrafttechnologie ist jedoch weiter auf dem Vormarsch. Daher ist es denkbar, dass sich die möglichen Anwendungsbereiche künftig weiter diversifizieren.
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