Windkraft im Wandel: Forschung zur Effizienz von Windrädern

Die Branche scheint die Zeichen der Zeit erkannt zu haben. Stagnation mit Innovation entgegenzuwirken, könnte ein Lösungsansatz sein. Dementsprechend gibt es europaweit Forschungsprojekte, deren Zielstrategie vordergründig nicht mehr nur auf den Ausbau, sondern vor allen Dingen auf Effizienz und Kostensenkung der Windkraftanlagen ausgelegt ist.

Kommt ein bewährtes Modell in die Jahre?

Seit den 70er-Jahren kam es auch aufgrund von Ölkrisen zu einem Aufschwung der Windenergie in Europa, wobei Dänemark bei der Entwicklung von Windkraftanlagen stets eine Vorreiterrolle einnahm und die sogenannten „dänischen Modelle“ sich kontinental als Mittel der Wahl erwiesen. Seitdem prägen mittlerweile 30.000 Räder in Ihrem klassischen Erscheinungsbild mit horizontaler Achse und drei Rotorblättern auch das deutsche Landschaftsbild. Dem sukzessiven Ausbau sind hierzulande aus vielerlei Gründen Grenzen gesetzt. Deshalb rücken in den letzten Jahren neue Erkenntnisse und technische Entwicklungen das Potenzial der Effizienz der Windkraft immer mehr in den Fokus – die klassischen Rotormodelle könnten durch spannende Projekte aus Europa Konkurrenz bekommen.

Windkraft über Berg und Tal: Testfeld für unebene Gelände in Schwaben

Weite und ebene Flächen für Windparks waren und sind in Deutschland immer Mangelware. Unter dem Namen WINSENT entsteht zur Lösung dieser Problematik auf der Schwäbischen Alb das weltweit erste Windenergietestfeld in bergigem Gelände. Anfang Juni hat das auch international mit großem Interesse verfolgte Projekt im Rahmen des Windenergie-Forschungsclusters WindForS – einem Zusammenschluss mehrerer deutscher Universitäten und Forschungsgruppen – mit der Baugenehmigung die letzte große Hürde genommen.

Federführend durch das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZWS) soll am Stöttener Berg ein Testfeld errichtet werden, um zukünftig Windstrom auch in bergigem Gelände in relevanten Mangen erzeugen zu können. Der Betrieb von Windrädern ist dort deutlich anspruchsvoller: Strömungs- und Windverhältnisse sind turbulenter und die mechanische Belastung der Windräder höher, was sich bisher enorm auf die Wirtschaftlichkeit auswirkte. Ziel des Projekts sollen Anlagen sein, die leiser, langlebiger, leistungsstärker und kostengünstig sind und sich gut mit Energiespeichern verbinden lassen. Naturschutzbelange sollen im Rahmen der ökologischen Begleitforschung untersucht werden.

Dänen wollen mit neuer Bauweise erneut den Maßstab setzen

Pionierarbeit zur Weiterentwicklung der Windenergiebranche möchten ein weiteres Mal die Dänen leisten: Mit einer neuen Strategie zur Anordnung der Rotoren. Seit Jahren versucht man weltweit die Energiemenge von Windkraftanlagen zu steigern, indem die Höhe und die Größe von Masten und Rotoren gesteigert werden. Massiv steigende Protestzahlen aus der Bevölkerung und neu entstehende Probleme mit der Statik machen es diesen Ungetümen in Sachen Akzeptanz nicht leicht – und sie sind laut dänischen Forschern auch der falsche Ansatz für mehr Effektivität. Forscher der Universitäten Aarhus und Durham wollen mit einer Studie zeigen, dass Anlagen mit mehreren Rotoren hintereinander deutlich effektiver arbeiten als die bisher gängigen Typen. Als Grund nennen sie geringere Turbulenzen im Windschatten mehrerer Rotoren, so dass diese nicht unnötig ausgebremst werden: „In unserer Studie haben wir festgestellt, dass sich Turbulenzen und Strömungen im Nachlauf der Turbinen bei Mehrrotorturbinen viel schneller erholen", so Mahdi Abkar, Assistenzprofessor an der Universität Aarhus. Noch interessanter als die Effektivität bei der Stromerzeugung könnte bei der Realisierung dieses Projekts die von den Forschern geschätzten ca. 15% geringeren Kosten beim Bau sowie Einsparungen beim Transport, dem Aufbau und der Wartung sein.

Schwingen statt Drehen: Innovative spanische Kleinanlagen mit Potenzial

Am südlichen Ende Europas beschäftigt man sich derweil schon seit einigen Jahren mit Anlagen gänzlich ohne Rotoren. Auch auf Getriebe und Verbindungselemente wird bei dem erfolgreichen Crowdfunding-Projekt Bladeless dreier spanischer Forscher verzichtet. Statt Energie durch Rotation zu gewinnen, macht sich die die Anlage das Prinzip der Wirbelstärke (auch Vortizität genannt) zunutze: Die rotorlose Windkraftanlage nutzt die Schwingung ihrer eigenen Struktur. Der mangelnden Effizienz bei der produzierten Strommenge stehen auch hier große Kostensenkungen bei Bau, Betrieb und Wartung der Anlagen als Vorteil gegenüber. Hinzu kommen Umweltschutzaspekte. "Es ist nicht nur sehr billig herzustellen, ölfrei und wartungsarm, unsere Tests deuten darauf hin, dass jede Struktur länger als 15 oder 20 Jahre halten wird, was meiner Meinung nach ein nützlicher Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel ist", sagte Mitgründer David Yanez auf einer Konferenz in Madrid im Dezember 2019.

Lausanne hilft bei der Suche nach der optimalen Formation

Im Herzen von Europa hat man Bedingungen geschaffen um sich kontinuierlich mit der optimalen Formation von Windkraftanalgen zu befassen.  Ein Wissenschaftlerteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (ETH Lausanne) hat leistungsfähige Computermodelle entwickelt mit dem Ziel, Windströmungen bestmöglich zu beschreiben. Zusätzlich verfügen sie über einen Windkanal in dem sie Luftströmungen unter kontrollierten Bedingungen an miniaturisierten Windrädern und Windfarmen untersuchen.  Mit ihren Forschungen wollen die Wissenschaftler bei der Planung von Windparks helfen, die Windturbinen bestmöglich zu platzieren. „Mit unseren Methoden können wir nicht nur den Ertrag von Windparks optimieren, sondern auch ihre Kosten senken und damit ihre Profitabilität um mehrere Prozentpunkte steigern. In der heutigen Welt, in der der Klimawandel zu einem dringenden Problem geworden ist, kann unsere Arbeit dabei helfen, den Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energien zu beschleunigen, indem wir Windenergie wettbewerbsfähiger machen“, sagt ETH-Professor Porté-Agel.

Dies sind nur einige spannende europäische Projekte, die zeigen könnten, dass die Windkraft noch längst nicht am Ende ihrer Möglichkeiten angelangt ist. Im Zuge der weltweiten Klimaschutzbemühungen wird es auch höchste Zeit, dass der Windkraft und ihrer Weiterentwicklung mit innovativen Ideen neuer Antrieb geliefert wird.

Weitere Quellen:
Webseite vom Bundeverband WindEnergie (BWE)
Beitrag vom SWR zum Projekt WINSENT
Artikel aus dem Stern zum dänischen Projekt
Artikel aus dem Stern zum Projekt Bladeless
Beitrag zur Forschungsanlage der ETH Lausanne