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Foto: Caltech

Sensationelle Innovation

Windenergie aus Vertikal-Turbinen verzehnfacht Ausbeute

von Sonja Flesch-Reiss, Montag, 18. Juli 2011 11:52

Die zehnfache Windenergie-Ausbeute bei gleichem Flächenverbrauch ist möglich, wenn einfach nur die Platzierung der Turbinen optimiert wird. Das sind die Ergebnisse der speziellen Feldstudien zur Windenergieforschung des California Institute of Technology (Caltech).

Ineffizient fand Forschungsleiter John Dabiri, Professor für Aeronautik und Bioengeneering am Caltech, die bisher übliche Horizontal-Ausrichtung der Turbine mit senkrecht dazu montiertem Rotor bei den uns bekannten Windrädern. „Was bislang übersehen wird ist, dass Windparks in ihrer Gesamtheit noch recht ineffizient sind", betont der Forscher. Auch käme es darauf an, bei der Anordnung der Windräder darauf zu achten, dass die, durch den Luftstrom entstehenden Wirbel und Fließrichtungen der Luft, die zu gewinnende Energie erhöhen statt zu bremsen. Energie-Effizienz ist dann gegeben, wenn sich alle Gegebenheiten ergänzen und fördern.

Nur zehn Meter hoch

So geht John Dabiri davon aus, dass seine Vertikal-Turbinen, die er selbst wegen ihres ungewöhnlichen Aussehens „Eggbeaters", also „Schneebesen" nennt, die einfallende Winde besser nutzen können. Auf seiner experimentellen Windfarm, offiziell FLOWE (Field Laboratory for Optimized Wind Energy) genannt, stehen 24 dieser zehn Meter hohen und mit 1,2 Meter Durchmesser schlanken Windturbinen mit vertikaler Ausrichtung. Dabiri verwendet die Abkürzung VAWT für Vertikale Achse Wind Turbine. Ein halbes Dutzend dieser Anlagen wurden in den Feldversuchen 2010 verwendet.

Die bisherigen Windkraft-Anlagen verwenden weithin sichtbare Windräder mit horizontalen Turbinen. Dabiri nennt sie HAWTs, und „Monolithe", die in der Landschaft stehen und ihre Rotorblätter langsam immer in die gleiche Richtung drehen. Diese Windräder dürfen sich nicht berühren und müssen sehr weit auseinander stehen um aerodynamische Interferenzen zu vermeiden. Sie brauchen einfach viel Platz, während gleichzeitig viel Wind ungenutzt verweht. Dabirie vergleicht diese modernen Windkraft-Anlagen mit „schlampigen Essern", die nicht nur Immobilien verschwenden und deren Quadratmeterleistung senken, sondern auch die zur Verfügung stehende Ressource Wind.

Hocheffiziente Energie-Ausbeute

Windanlagenbauer versuchen dieses Manko mit höheren Türmen und längeren Rotorblättern zu kompensieren, die stärkere Winde aus größeren Höhen nutzen können. Dadurch entsteht aber laut Dabiri das nächste Problem. „Aber das bringt andere Herausforderungen", sagt Dabiri, „wie höhere Kosten, mehr komplexe technische Probleme, eine größere Umweltbelastung. Größere und höhere Turbinen, bedeuten immerhin mehr Lärm, mehr Gefahr für Vögel und Fledermäuse und für diejenigen, die Windräder optisch nicht so ansprechend finden - ein noch größerer Dorn im Auge.

Die Lösung könnte, laut Dabiri, das Design des Windparks selbst sein um seine Energie-Effizienz zu steigern und anstatt in der Höhe näher am Boden zu maximieren. Obwohl die Windstärke etwa zehn Meter über dem Boden geringer ist als bei 30 Metern Höhe, ist dennoch „die Windenergie, die weltweit zehn Meter über dem Boden verfügbar ist um ein Vielfaches größer, als der gesamte Stromverbrauch der ganzen Welt", sagt er und schlussfolgert: „Das bedeute, dass genug Energie zur Verfügung steht mit kleineren, billigeren, umweltfreundlicheren Turbinen - wenn die richtigen Turbinen in der richtigen Weise angeordnet sind.

Schwarmverhalten von Fischen als Inspiration

VAWTs sind ideal, sagt Dabiri, weil sie sehr nahe beieinander positioniert werden können. Auf diese Weise können sie fast die gesamte Energie der wehenden Winde erfassen, selbst wenn nur ein Lüftchen über die Windfarm weht. Wenn jede Turbine in die entgegengesetzte Richtung zu ihren Nachbarn dreht, erhöht sich auch ihre Effizienz, fanden die Forscher. Möglicherweise senken die gegenläufigen Drehungen den Druck auf die Turbine, was dieser wiederum schnellere Umdrehungen erlaubt. (Dabiri hatte die Idee für die Verwendung dieser Art von konstruktiver Interferenz aus seinem Studium der Fischschwärme).

Bei seinen Feldversuchen testete Dabiri mit seinem Team die verschiedensten Anordnungen mit seinen „Schneebesen", um die Auswirkungen messbar und wiederholbar zu belegen. Bei richtiger Anordnung reichte ihm ein Abstand des vierfachen Durchmessers aus um damit 21-27 Watt pro Quadratmeter Windpark-Fläche zu erzeugen. Ein vergleichbarer Park mit HAWTs bringt nur zwei bis drei Watt pro Quadratmeter.

„Dabiris von Bioengineering inspirierte Forschung ist eine Herausforderung für den Status quo der Windenergie-Technologie", lobt Ares Rosakis, Vorsitzender de Caltech-Abteilung für Ingenieurwesen und Professor für Luft- und Maschinenbau.

Konkurrenzangst?

Erste deutsche Reaktionen sind ungläubige Skepsis und Abwiegeln. So sagte Stephan Barth, Geschäftsführer des Zentrums für Windenergieforschung ForWind gegenüber pressetext, er sei skeptisch, ob der Caltech-Ansatz für praktische Anwendungen wirklich optimal wäre.

 

Weitere Informationen:

Dabiri wind energy research A New Approach To Wind Energy - Pdf Youtube: Video: John Dabiri discussing wind research and aerial footage of the facility


 

 

 

 

 

 

John Daibiri hat mit bisher einzigartigen Feldstudien eine 10fach erhöhte Energie-Ausbeute bei Windkraft aufgezeigt.
John Daibiri hat mit bisher einzigartigen Feldstudien eine 10fach erhöhte Energie-Ausbeute bei Windkraft aufgezeigt.
Foto: Caltech
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