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Neue Ansätze und Technologien

Windenergie gehört wie die anderen erneuerbaren Energien zur Technologie der Zukunft. Vor dem Hintergrund des Klimawandels und der Umsetzung der Energiewende wird die Erzeugung und Nutzung von grünem Strom immer wichtiger. Windenergie wird erst seit rund dreißig Jahren in immer größerem Stil genutzt und hat sich seitdem zum wichtigsten Energieträger Deutschlands entwickelt.

Eine rasante Entwicklung, die nicht zuletzt der Forschung und sich stetig verbessernder Technologien geschuldet ist. Wenig verwunderlich also, dass die Nutzung von Windenergie und die derzeitigen Windkraftanlagen noch nicht ihren technologischen Höhepunkt erreicht haben. Erfahren Sie hier, welche neuen Technologien zur Weiterentwicklung der Windenergie in den Startlöchern stehen und wie die Windenergiebranche sich in Zukunft entwickeln könnte.

Neue Technologien der Windenergie

Bei der Energiewende wird die Windenergie eine tragende Rolle spielen

Die heutige effiziente Funktionsweise von Windkraftanlagen  ist das Ergebnis langjähriger Forschung und der Verbesserung von Materialien und baulichen Möglichkeiten. Als 1987 die ersten Windenergieanlagen in Schleswig-Holstein in Betrieb genommen wurden, lag ihre Nabenhöhe bei 20 Metern und ihre maximale Leistung bei 55 Kilowatt. Heutzutage sind Windräder bis zu 160 Meter groß und erreichen mit 5 (onshore) und 15 Megawatt (offshore) ein Vielfaches der anfänglichen Leistung. Um ihren Ausbau zu beschleunigen und den Herausforderungen der Windenergie  zu begegnen, werden weiterhin Möglichkeiten gesucht, die Anlagen zu verbessern und sie beispielsweise leiser, leichter und leistungsstärker zu machen.

Schwimmende Windenergieanlagen

3 Modelle von schwimmenden Windkraftanlagen Quelle: NREL
So könnten Prototypen von schwimmenden Windrädern aussehen

Eine potenzielle Revolution des Offshore-Windmarktes stellen sogenannte schwimmende Windräder dar: Anstelle einer aufwendigen Verankerung mit Fundament am Meeresboden, können schwimmende Windkraftanlagen auf einer im Wasser treibenden Plattform errichtet werden. Die Kosten und Aufwände für den Bau des Fundaments tief im Wasser würden entfallen – schwimmende Windräder stellen perspektivisch somit eine interessante Möglichkeit dar, die teuren und arbeitsintensiven Offshore-Windräder von heute mit günstigeren Modellen zu ersetzen und den auf See stärker und konstanter wehenden Wind auszunutzen. Ein weiterer Vorteil von schwimmenden Windenergieanlagen: Sie könnten auch in sehr tiefem Wasser weit draußen auf dem Meer zum Einsatz kommen.

In Schottland  existiert bereits ein schwimmender Windpark, der in Großbritannien die größte Leistung aller dortigen Windparks erwirtschaftet. Die Windräder besitzen dazu als Unterbau ein riesiges Rohr, das – ähnlich wie eine Boje – im Wasser schwimmt und mittels Halteleinen am Meeresgrund vertäut ist. Der Transport und die Montage der riesigen Bauteile sind jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden.

In Norwegen wird daher das Konzept eines dänischen Ingenieurs  getestet: Schwimmende Windräder, die statt eines Rohrs einen dreieckförmigen Unterbau besitzen. Dadurch soll die Konstruktion und Errichtung im Meer um einiges günstiger und unkomplizierter vonstattengehen.

Unterschiedliche Ansätze steigern die Effizienz der Anlagen passend zum jeweiligen Standort

Es existieren also zahlreiche Ideen und Forschungsprojekte, um Offshore-Windkraftanlagen kostengünstiger und effektiver zu gestalten. Windkraftexperten gehen darüber hinaus davon aus, dass die Leistungsstärke der herkömmlichen Offshore-Anlagen alleine durch den technologischen Fortschritt bis 2025 auf 25 Megawatt Leistung pro Windrad steigen könnte. Es zeigt sich also. dass durch unterschiedliche Ansätze die Ausbeute an Windenergie erheblich gesteigert werden kann. Dies gilt für alle Bereiche der Windenergie, nicht nur für den Bereich Offshore.

Windkraft ohne Rotorblätter

Windenergieanlage ohne Rotorblätter Quelle: Vortex Bladeless
Ein Prototyp der Firma Vortex Bladeless

Wortwörtlich in eine andere Richtung geht die Windkraftinnovation der spanischen Firma Vortex Bladeless . Inspiriert vom durch Schwingungen des Windes verursachten Einsturz der Tacoma Narrows-Brücke in den USA 1940 forscht das Unternehmen an Windkraftanlagen, die ohne Rotoren auskommen und sich Schwingungen zunutze machen. Diese rotorlosen Windenergieanlagen bestehen aus einem im Boden verankerten Fundament und einem runden Turm, der durch Wind in schwingende Bewegung versetzt wird. Die Schwingung und Verformung des Materials lässt elektrische Spannung entstehen, sodass auch ohne ein wartungsanfälliges Getriebe Strom erzeugt werden kann. Aktuell sind Windenergieanlagen ohne Flügel jedoch noch nicht so effizient wie herkömmliche Anlagen. Die Gewinnung des elektrischen Stroms bei diesem Ansatz beruht auf der Oszillation und der daraus resultierenden Energie.

  • kein hörbarer Schall
  • kaum Gefahr für Vögel
  • günstige Herstellung
  • wartungsarm, längere Lebensdauer
  • platzsparender

Viele Vorteile sprechen für die Nutzung solcher Anlagen. Derzeit wird dieser Ansatz aber noch als Prototyp in verschiedenen Größen getestet. Geplant ist, sie in Ausführungen von 0,85, 3, 12,5 und bis zu 100 Metern in Betrieb zu nehmen. Insbesondere die kleineren Modelle könnten ähnlich wie Photovoltaikanlagen auf Hausdächern und im Garten zur Selbstversorgung mit Strom genutzt werden. Die rotorlose Innovation bietet somit interessante Perspektiven und könnte sich in den kommenden Jahren zu einer spannenden, neuen Technologie auf dem Windenergiemarkt entwickeln. Gerade dann, wenn die Effizienz dieser Technologie gesteigert werden kann. Durch die Platzersparnis könnten folglich deutlich mehr Anlagen auf kleiner Fläche installiert werden. Herkömmliche Anlagen benötigen deutlich mehr Platz - eben aufgrund ihrer langen Rotorblätter.

Vertikale Windenergieanlagen

Eine weitere Möglichkeit, Windkraft zu nutzen, stellen vertikale Windkraftanlagen dar. Diese Idee ist nicht neu – Windräder mit einer vertikalen Rotorachse konnten sich jedoch bisher nicht gegen die etablierten Anlagen mit horizontaler Achse durchsetzen. Vertikale Windräder gibt es in verschiedenen Formen und Designs. Am bekanntesten sind der Savonius-Rotor und der Darrieus-Motor

Der Savonius-Rotor

Der Savonius-Rotor des finnischen Erfinders Sigurd Savonius verfügt über einen wellenförmigen Rotor, der dem Wind große Widerstandsfläche bietet und sich daher vergleichsweise langsam bewegt. Savonius-Rotoren sind daher auch weniger leistungsstark als andere Modelle wie beispielsweise der Rotor von Darrieus.

Der Darrieus-Rotor

Der Darrieus-Rotor des französischen Ingenieurs Georges Darrieus besitzt mehrere geschwungene und schmale Rotorblätter, die sich das Prinzip des Auftriebs zunutze machen und sich sehr schnell bewegen. Sie erbringen mehr Leistung als ein Savonius-Rotor, kommen aber dennoch nicht an herkömmliche Windenergieanlagen heran.

Das Start-up Flower Turbines versucht mit dessen Wind Tulips eine effiziente Lösung für den vertikalen Ansatz. Viele Vorteile sprechen für diese Technologie.

In Bezug auf ihren Wirkungsgrad besitzen vertikale Windenergieanlagen einen klaren Nachteil gegenüber horizontalen Anlagen. Während Letztere einen Wirkungsgrad von bis zu 50 % erreichen, sind es bei vertikalen Windrädern maximal 40 %.

Vertikale Windräder sind allerdings wesentlich leiser, haben einen geringeren Wartungsbedarf, sind für Vögel einfacher zu erkennen und können platzsparender aufgebaut werden. Sie könnten daher ein geeignetes Mittel darstellen, Windenergie vor allem im kleinen Rahmen in Städten und Wohngebieten zur Selbstversorgung zu nutzen.

Aus diesem Grund wurde die Forschung an vertikalen Windkraftanlagen nie aufgegeben. Das US-amerikanische Start-up Flower Turbines  arbeitet beispielsweise an sogenannten Wind Tulips – tulpenförmigen vertikalen Windrädern, die neben oben genannten Vorteilen im Design ansprechend sind, praktisch geräuschlos arbeiten und im Verbund ihren Wirkungsgrad verbessern.

Kleinwindkraftanlagen

Metallbaum mit Windenergieanlagen als Blüten vor einem Bürogebäude Quelle: New World Wind
Auf den ersten Blick abstrakt - solche Windbäume können jedoch die Nutzung von Windenergie auch in urbanen Räumen ermöglichen.

Die Nutzung von Windkraft im kleinen und urbanen Rahmen ist Ziel vieler Unternehmen und Entwickler – denn das Konzept der Selbstversorgung und der Autarkie von Stromanbietern gewinnt stetig an Popularität. Eine sehr interessante Innovation stellen in diesem Zusammenhang die Windbäume der Firma New World Wind dar: An einer baumähnlichen Konstruktion mit Ästen und Verzweigungen befinden sich zahlreiche Miniatur-Turbinen, die sich auch bei schwachem oder unruhigem Wind in Bewegung setzen und Strom erzeugen können.

Die verschiedenen Ausführungen können eine Leistung zwischen 4,2 und 10,8 Kilowatt erbringen und sollen sich aufgrund ihres Designs problemlos ins Stadtbild einfügen. Dort können sie laut Entwicklern beispielsweise Straßenlaternen, Ladestationen für E-Autos, Büros oder Haushalte mit grüner Energie versorgen. Als zusätzliches Feature können die „Blätter“ des Baums auch mit kleinen Solarpaneelen ausgestattet werden, um die erneuerbaren Energiequellen noch weiter auszunutzen.

Windgenerator für den Balkon

Die O-Wind-Turbine ermöglicht die Gewinnung von Windenergie für jeden. Gerade für Städte mit hohen Gebäuden ist dieser Ansatz interessant.

Mit der Nutzung des Stadtwindes beschäftigt sich auch die Erfindung zweier Studenten in Großbritannien. Mit ihrer O-Wind-Turbine  haben sie ein Modell entwickelt, das an einen verschachtelten Ball erinnert und zahlreiche Ventile besitzt. Diese Ventile können Wind unabhängig von seiner Richtung einfangen und eignen sich daher vor allem für die Nutzung in Städten, in denen der Wind durch Gebäude und andere Hindernisse häufig seine Richtung ändert. Die Ventile besitzen einen großen Ein-, aber nur einen kleinen Ausgang – dadurch staut sich die Luft im Inneren und es entsteht ein Rückstoß, der die Turbine in Rotation versetzt.

Die Erfinder arbeiten derzeit an der Entwicklung von Prototypen und wollen diese anschließend in Städten und an Flughäfen testen. Die O-Wind-Turbine würde keine riesigen Mengen Strom erbringen, könnte aber als Kleinstanlage auf Balkonen, Booten, Wohnmobilen oder im urbanen Raum einen Beitrag zur Dezentralisierung der Stromerzeugung leisten.

Höhenwindräder

Das Höhenwindrad löst das Problem der Biegekräfte. So können Anlagen in bisher nicht erreichte Höhen gebaut werden - dies steigert die Gewinnung von Windenergie.

Neben Windkraftanlagen auf See, in vertikaler Ausführung oder im Kleinstformat versuchen Ingenieure auch weiterhin, die klassischen Windräder zu verbessern und bestehende Hindernisse zu überwinden. Ein Problem für die derzeitigen Anlagen sind zum Beispiel Biegekräfte: In großer Höhe wirkt der Wind mit mehreren Tonnen Kraft auf die Rotoren und die gesamte Anlage ein. In der Folge biegt sich der Turm durch und benötigt viel Widerstandskraft, um nicht instabil zu werden oder Materialschäden davonzutragen. Aus diesem Grund sind heutigen Windrädern in der Höhe noch Grenzen gesetzt.

Da der Wind in großen Höhen jedoch besonders stark und konstant ist, liegt dort großes Potenzial: Bis zu 2- oder 3-mal so viele Gigawattstunden Strom wie herkömmlich könnten mit Anlagen über 200 Meter erwirtschaftet werden. Der 92-jährige Ingenieur Horst Bendix hat zu diesem Zweck das Konzept eines Höhenwindrads  entworfen und patentieren lassen: Anstelle eines Turmes soll die Anlage auf einer Dreibeinkonstruktion stehen, die aus einer vertikalen Säule und zwei Stützsäulen besteht. Damit am Kopf des Windrads nicht zu viel Gewicht lastet, sollen die Generatoren am Fuß aufgebaut und die Energie über ein Riemensystem von der Nabe auf die Generatoren übertragen werden. Ein solches Windrad könnte den Biegekräften besser standhalten und in neue Höhen vordringen. Der Bau eines Prototypen soll in naher Zukunft Aufschluss darüber geben, ob sich solche Höhenwindräder für den Massenbetrieb eignen.

Die Perspektive der Windenergie

Diese zahlreichen spannenden Forschungsprojekte zeigen auf, dass die Technologie der Windkraft ihren Zenit noch lange nicht überschritten hat. In der Überwindung bestehender Hindernisse und der Nutzbarmachung von Windenergie im kleinen Rahmen liegt großes Potenzial, die erneuerbare Energie des Windes noch intensiver zu nutzen. Der Ausbau der Windkraft  und das Erreichen der Energiewende können so in Zukunft mithilfe von fortschrittlichen Ideen und Technologien womöglich stark beschleunigt und die Ziele sogar übertroffen werden. Dies zeigt, welche großen Möglichkeiten die Windenergie eröffnet und warum wir bei EWE stark in ihre Nutzung und ihren Ausbau investieren. Genau für diese Ziele wurde die Alterric GmbH gegründet, welcher einer der größten Grünstromerzeuger in ganz Europa ist. 

Alle vorgestellten Ansätze zeigen, wie Windenergie auch in schwierigen oder untypischen Umgebungen gewonnen werden kann. Über eine Diversifizierung der Ansätze kann Windenergie jedoch flächendeckend gestärkt werden - egal ob an Land, im Wasser oder in der Stadt. Jede noch so kleine Anlage trägt einen Teil zum Gesamtnutzen bei und bringt uns als Gesellschaft näher an das Gelingen der Energiewende und so zu einer klimaneutralen Bundesrepublik.

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