TEIL C

Besondere Windenergiesysteme

Vertikalachsen-Rotoren

Nachfolgend werden die wichtigsten Konstruktionsmodelle der Senkrechtachser betrachtet, die im Englischen unter dem Oberbergiff VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) bekannt sind. Diese Vertikalachsen-Rotoren haben gegenüber konventionellen Systemen mit waagrechten Achsen folgende Vorteile:

 

1. Der Wind wird aus allen Richtungen aufgenommen, ohne daß eine Windnachführung benötigt wird.
2. Starke Windböen werden problemlos ‚geschluckt’, aufwendige Rotorblätter-Verstelleinrichtungen entfallen.
3. Auch bei Sturm muß die Anlage nicht stillgelegt werden (andere Anlagen werden bei 24 – 27 m/s gestoppt).
4. Sie sind robuster, zeigen kaum Verschleiß, sind nahezu wartungsfrei und auch betriebskostengünstig, da der mechanische Aufbau weit weniger komplex ist.
5. Sie können für längere Betriebszeiten ausgelegt werden.
6. Sie sind fast geräuschfrei.
7. Es sind keine besonderen Fundamente notwendig, eine einfache Abspannung genügt in den meisten Fällen.

 

Wenn man alle diese Vorteile liest, liegt die Frage nahe, warum es dann überhaupt noch andere Systeme gibt – oder wie es geschehen konnte, daß sich die Industrie weltweit dermaßen einseitig in die Technologie der Dreiblatt-Horizontalachsen-Rotoren verrannt hat, daß inzwischen so gut wie keine anderen Maschinen mehr gebaut werden.

Dabei beschränken sich die Senkrechtachser nicht einmal auf die drei Standardsysteme, die etwas weiter unten noch im Einzelnen betrachtet werden, nämlich der Flettner-, der Savonius- und der Darrieus-Rotor.

Einige Beispiele für den Ideenreichtum, Windenergieanlagen mit senkrechten Achsen zu bauen, habe ich schon in der Geschichte der Windenergie beschrieben. Hier möchte ich dagegen einige Modelle aufführen, die heute weitestgehend vergessen sind – oder es niemals vom Papier in den wirklichen Wind geschafft haben. Aber auch einige, die zumindest in wenigen Exemplaren gefertigt worden sind und sich im Einsatz befanden oder noch befinden.

Der schottische Elektroingenieur und Wissenschaftler James Blyth (1838 - 1906), der als einer der Vorreiter auf dem Gebiet der Stromerzeugung durch Windkraft gilt, baut sich – nach diversen Experimenten – im Juli 1887 im Garten seines Ferienhauses in Marykirk eine vertikale Windkraftanlage, mit der er Strom erzeugt und Akkumulatoren auflädt, deren Energie eingesetzt wird, um die Wohnräume zu beleuchten.

Blyths Cottage ist damit das erste Haus der Welt, das durch Strom aus Windkraft versorgt wird... mittels eines Senkrechtachsers!

Die dreibeinige Anlage besitzt eine 10 m hohen Welle, vier jeweils 4 m lange und mit Segeltuch bespannte Schaufeln sowie einen Bürgin-Dynamo. Schon bei mäßigem Wind erzeugt sie genug Strom, um zehn 25 V Glühbirnen zu versorgen. Der Erfinder läßt sich seine Konstruktion 1891 patentieren – und präsentiert der Royal Society of Edinburgh eine Arbeit, in der er für erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Wellenenergie eintritt.

Im Jahr 1895 erteilt er der Glasgower Maschinenbaufirma Mavor and Coulson die Lizenz für den Bau eines verbesserten Modells seiner Windturbine, das für die folgenden 30 Jahre erfolgreich als Notstromversorgung des Montrose Lunatic Asylum, Infirmary & Dispensary (heute: Sunnyside Royal Hospital) betrieben wird, bevor sie 1914 wieder abgebaut wird.

Auch den Einwohnern von Marykirk bietet Blyth einen Windrotor für die Beleuchtung der Hauptstraße an – was jedoch abgelehnt wird, weil man Elektrizität auf dem Land noch für ,Teufelswerk’ hält. Im städtischen Umfeld findet Blyth dagegen Anerkennung – und doch soll es noch bis 1951 dauern, also weit in der Zukunft, bis in Großbritannien eine weitere Windkraftanlagen gebaut wird.

Im Winter 1887/1888, und damit nur einige Monate nach dem Bau von Blyths erster Windkraftanlage, errichtet auch der US-amerikanische Erfinder, Unternehmer und Philanthrop Charles Francis Brush (1849 – 1929) in Cleveland am Eriesee seine erste Windturbine zur Stromerzeugung, die bereits 12 kW leistet. Da es sich hierbei aber um eine Horizontalanlage handelt, habe ich sie der Länderauflistung zugeordnet (USA).

Zu den etwas neueren Vertikal-Achsen-Anlagen gehört der sogenannte LaFond-Rotor, der bereits in dem 1930 erschienenen und später mehrfach aufgelegten Buch ,Moteurs à vent’ von René Champly erwähnt wird. Diese Windkraftanlage soll auf einen Erfinder aus Montpellier zurückgehen und zum Wasserpumpen eingesetzt worden sein. Ihr Durchmesser beträgt 5 m, die Höhe 6 m, und starten tut sie bei 2,5 m/s.

Überraschenderweise werden derartige Systeme auch noch heute betrieben, zumindest ist auf der Windenergie-Seite von Heiner Dörner das 1993 aufgenommene Foto einer funktionsfähigen ,Turbine Lafond’ zu sehen, die in Südfrankreich an der Route National D38/D35, ca. 3 km nordwestlich von Saintes-Maries-de-la-Mer an der Petite Rhone steht und als Wasserpumpen-Anlage zu einem Bauernhof mit dem Namen Mas du Pin Fourcat gehört.

In seinem Werk ,L’Homme et le Vent’ aus dem Jahr 1940 beschreibt Edgar Aubert de la Rüe einen Senkrechtachser mit 12 konischen Blättern, den er in Kanada gesehen hat. Die Anlage, die auch unter dem Namen Panemone bekannt wird, ist auf einem Wasserturm installiert, um Wasser zu pumpen.

Das interessante sind die Blätter der Anlage, die sich individuell in und aus dem Wind drehen können – und damit ein wenig an das Prinzip des Hammurabi-Rotors erinnern, auf den ich weiter unten noch zu sprechen komme.

Fast schon aus der Gegenwart stammt wiederum das 1975 von Victor W. Bolie aus Albuquerque in New Mexico angemeldete Patent (US-Nr. 4.017.205, erteilt 1977), bei dem der Wind, unabhängig von dessen Richtung, über einen zentralen Konus nach oben gerichtet wird, wo sich die Blätter des Rotors mit senkrechter Achse drehen, während sich die technische Infrastruktur gut geschützt am Boden innerhalb der Rundpyramide befindet.

Ein weiteres Patent für eine senkrechte Windmühle wird 1977 von Frank P. Herbert aus Port Townsend, Washington, angemeldet (US-Nr. 4.1428.22, erteilt 1979). Hierbei handelt es sich um ein Panemone-System mit einer Vielzahl von Blättern, das auf den Patentabbildungen sehr stark an den obigen LaFond-Rotor erinnert.

Die kanadische Firma Énergie Ressource Développement Inc. (ERD) mit Sitz in Mirabel, Quebec, ist ein Geschäftsbereich der 1982 gegründeten Optilog Cie de Gestion Inc., und als einzige dazu bevollmächtigt, eine neue patentierte Windkraftanlagen namens WindPorts zu bauen und zu vermarkten, an der die Optilog seit 1998 arbeitet, z.T. in Kooperation mit dem National Research Council of Canada (NRC).

Ende 1999 wird mit dem Aufbau einer Produktionsstätte für die WindPorts-Einheiten gestartet, und im Oktober 2000 können umfangreiche Windkanaltests an der der Turbinen-Windmühle durchgeführt werden, wie sie von der Firma bezeichnet wird. Ohne daß es nähere Details zu erfahren gibt, sind die Fotos aussagekräftig genug um zu bestätigen, daß es sich bei dem System um eine eigenständige Technologie handelt, bei der mehrere flache Schaufelkränze, die tatsächlich eher wie Turbinenelemente aussehen, übereinander gesetzt rotieren, während der abgehende Wind nach und abgeführt wird. Das System soll sich auch als mechanische Pumpeneinheit verwenden lassen.

In Montreal wird im Auftrag der Stadtverwaltung im November 2003 eine Demonstrationsanlage errichtet, und im März 2005 folgt ein System auf der Spitze eines Gebäudedachs in der Innenstadt von Sendai, Japan. Weitere 5, 10 und 20 kW Einheiten werden vor allem in Brasilien, den Niederlanden und in Quebec installiert. ERD zufolge kann das Windkraftwerk Winden von bis zu 200 km/h standhalten, sei absolut geräuschfrei, ohne Vibrationen, und würde nur minimale Wartung erfordern. Von demselben Erfinder stammt ein weiteres, ähnliches System namens Catavent, das Ende der 1980er Jahre von einer Firma Sambrabec Inc. vermarktet wird. Dieses Modell soll sich mit steigenden Bedarf ausbauen lassen, indem einfach ein weitere Einheit darauf gesetzt wird.

Die im Mai 2005 gegründete Tesnic Inc. in Laval, Quebec, stellt nach Simulationen und Windkanaltests im Laufe der Jahre 2007 und 2008 einen modifizierten Senkrechtachser vor, bei dem es sich um eine Umsetzung der Tesla-Turbine handeln soll, die von einer Anström-Vorrichtung umgeben ist.

Einige Details über diesen speziellen Turbinentyp finden sich im Kapitelteil Wasserkraftwerke (s.d.).

Die innere Form des Rotors, der aus mehr als 200 Scheiben mit 2 mm Spalten dazwischen besteht, ist tatsächlich so gestaltet, daß möglicherweise die Adhäsionswirkung der durchströmenden Luft zum tragen kommt, was auch die Ähnlichkeit mit einer Tesla-Turbine erklärt.

Die Modellpalette soll WEAs von 750 W, 2 kW, 3,6 kW und 10 kW umfassen. Ein 2,8 m hohes 4 kW Modell mit einem Rotordurchmesser von 1 m, das für den Dachaufbau geeignet ist, soll 170 kg wiegen, inklusive Generator 400 kg.

Mehr über dieses System findet sich unter Kanada in der Länderübersicht - auch wenn man nach 2010 nichts mehr Neues von Seiten des Unternehmens gehört hat.

Die 2006 gegründete Firma Turbina Ipd Ltd. aus Bosnien und Herzegowina stellt mit ihrem Modell Turbina VAWT einen Sekrechtachser vor, der aus leicht schräg gestellten Tragflächen besteht, die von einem Kranz ähnlicher, aber feststehender Flächen umgeben ist. Es werden verschiedene Ausführungen in unterschiedlichen Größen gebaut und installiert – die erste im Mai 2007 als Versuchsstation auf dem Berg Vlašić in Bosnien-Herzegowina.

Im August 2008 erfolgen die erste Patentanmeldungen, im März 2009 die Installation des ersten 5 kW Prototyps, gefolgt von der ersten 300 W Testanlage als Dachkonstruktion sowie der ersten 500W Anlage für Privathaushalte im Juni. Die erste gewerbliche Installation wird im Dezember 2010 auf dem Berg Prenj durchgeführt – zeitgleich mit einer 4 kW Anlage an einem Telekommunikationsmast in Slowenien. Dazu gibt es etliche Auszeichnungen und Preise für Turbina.

Die Serienproduktion eines selbstentwickelten Permanentmagnet-Generators, der für geringe Drehzahlen und niedrige Windgeschwindigkeiten optimiert ist, beginnt im Oktober 2012. Als dann noch Aleksander Vucak als Business-Angel bei Turbina einsteigt, beginnen sich die Dinge entschieden zu ändern. Schon im November erfolgt die Unternehmensgründung der Turbina Energy AG (TE AG) mit Sitz in Unterhaching, Deutschland, wobei alle Patente, Rechte usw. aus der bosnischen Firma in die neue AG eingebracht werden. Auch die Gründer der bosnischen Gesellschaft und Erfinder der Turbine ziehen nach Deutschland und sind nun in dem neuen Unternehmen aktiv.

Im Januar 2013 wird mit der Umgestaltung der Windturbine begonnen, und im März erfolgt der Umzug der F&E-Abteilung von Bosnien nach Deutschland, wo die Windturbine in neuem Design auf der New Energy Messe in Husum präsentiert wird. Angeboten werden Anlagen mit 250 W, 500 W, 1 kW und 4 kW, anlaufen sollen sie schon bei Wind mit 1,5 m/s, und wegen der geringen Umdrehungszahl von 50 - 90 U/m entstehen nur geringe Vibrationen und eine kaum hörbare Geräuschentwicklung von weniger als 40 Dezibel.

Der hoch ambitionierte Vucak will – nach einer erfolgreichen Kapitalerhöhung im siebenstelligen Bereich im Juni 2013 – nun innerhalb von 18 Monaten Marktführer in Europa werden und pro Jahr 20.000 Turbinen verkaufen, wofür weltweit vier bis fünf weitere Montagewerke geplant sind.

Als erster Schritt auf den internationalen Markt wird im September in Kooperation mit 3re Energy aus Istanbul eine netzferne 4 kW Anlage für die Telekommunikation errichtet. Im Dezember wird eine weitere 4 kW Anlage auf dem Testfeld der britischen NEL in Glasgow installiert, wo innerhalb von 6 bis 8 Monaten die Zertifizierung erfolgen soll. Außerdem wird ein weiteres Mal das Kapital des Unternehmens angehoben – in einem ebenfalls siebenstelligen Bereich.

Als besonders werbewirksam erweist sich ein Projekt, das im Januar 2014 startet. Dabei wird auf dem Gelände der Geothermie Unterhaching GmbH & Co. KG eine 4 kW Anlage errichtet – während Turbina Partner der Deutschen Geothermischen Immobilien AG wird, und im Rahmen der energetischen Sanierung der Gebäude Windturbinen der Leistungsklassen 1 kW und 4 kW für die Aufdachmontage liefern wird. Der jüngsten Meldung vom April zufolge, beteiligt sich nun auch die eCAPITAL entrepreneurial Partners AG mit einem siebenstelligen Betrag an der Turbina AG.

Die 2007 gegründete Windation Energy Systems Inc., die in Menlo Park, Kalifornien, ansässige Firma des Persisch-stämmigen Reza ,Mark’ J. Sheikhrezai, stellt Ende 2008 einen kleinen Senkrechtachser vor, dessen Technologie an die Bautechniken früher Jahrtausende im Orient anknüpft.

Damals kühlte man Wohnräume, indem der Wind dazu genutzt wurde aus belüfteten Brunnenschächten kühle und feuchte Luft empor zu saugen. Über diese Windfänger berichte ich im Rückblick auf die Geschiche der Windenergie.

Bei dem patentierten Windation-Powermodul scheint es sich jedenfalls um einen mehrblätterigen Rotor mit senkrechter Achse zu handeln, der sich innerhalb des Gehäuses dreht (US-Nr. 7.834.477, angemeldet 2008, erteilt 2010; vgl. Anmeldung Nr. 20090315332 von 2009).

Das Unternehmen bietet die Kleinanlagen mit Leistungen von 2 kW und 5 kW an. Die Maße des größeren Modells betragen rund 2,5 m x 2,5 m bei einer Höhe von 3 m, wobei sich das System auf jedem Flachdach einfach aufstellen läßt.

Alle beweglichen Teile sind geschützt, auch für Vögel besteht keinerlei Gefahr. Die 5 kW Version TMW-5000 soll zwischen 45.000 $ und 50.000 $ kosten. Obwohl 2010 noch versucht wird, über eine Finanzierungsrunde an 5 Mio. $ zu kommen, scheint es bis auf den gezeigten Prototypen jedoch keine weiteren Anlagen gegeben zu haben. Im Jahr 2011 wird unter dem gleichen Namen eine Firma in Oakland neu gegründet - doch auch hier scheint es keine weiteren Fortschritte gegeben zu haben.

Nicht genau bekannt ist mir die Zeit, in der ein mit Stoffsegeln bestückter Senkrechtachser namens Lahor in der Nähe von Osijek, Kroatien, errichtet wurde. Der kurze YouTube-Clip über diese Anlage wird jedenfalls Anfang 2007 hochgeladen.

Die drei Segelflächen der 12 m hohen Anlage klappen während der Drehung automatisch immer wieder in den Wind, insofern besitzt das System eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Hammurabi-Rotor (s.u.). Es soll bereits bei einer Windgeschwindigkeit von 2 m/s Strom produzieren.

Zur Anpassung an die Windverhältnisse und als Sturmsicherung lassen sich die Segel einzeln und schrittweise zusammenrollen.

Als Erfinder habe ich einen Tihomir Čuljak idenfizieren könnet, der bereits 2001 zwei Patente für dieses Senkrechtachser-Modell angemeldet hat (WO-Nr. 2001/077523 und Nr. 2002/029248).

Über weitere Umsetzungen ist allerdings nichts zu finden.

Im Jahr 2007 beginnt sich auch der Franzose Charles Sarrazin mit dem Konzept eines Senkrechtachsers mit Stoffsegeln zu beschäftigen, den er VoileO nennt. Unter dem gleichen Namen firmiert denn auch das von ihm gegründete Unternehmen VoileO SAS in Douai.

Mit Investitionen in Höhe von 500.000 €, vor allem von den lokalen Gründerzentren, gelingt es ihm nach einigen Jahren, einen Prototyp-Demonstrator mit einem Durchmesser von 12 m zu entwickeln, zu bauen und zu testen, der eine überraschende Ähnlichkeit mit der IPAT-Segelwindmühle aus Berlin aufweist – fast 40 Jahre zuvor (s.u. Deutschland).

Mit Unterstützung des Inkubators APUI der Ecole des Mines de Douai, der Ingenieursschule École nationale supérieure des arts et industries textiles (Ensait) in Roubaix, sowie der Université Lille I, wird dann im Juni 2013 am Stadium von Littoral in Grande-Synthe, in der Nähe von Dünkirchen im Norden Frankreichs, ein 75 kW System eingeweiht.

Diese Anlage, die etwa 180.000 € gekostet hat, ist mit zwölf Dreieck-Segeln ausgestattet, die eine Gesamteingriffsfläche von 200 m² bieten – falls der Computer entscheidet, diese komplett auszurollen. Durch Änderung der Position und insbesondere durch das Aufrollen der Segel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit lassen sich gleichermaßen schwache wie starke Winde erfassen.

Die erzeugte Elektrizität wird zur Stromversorgung der Stadions verwendet, das bereist mit 700 m² PV-Paneelen sowie 50 m² thermischen Sonnenkollektoren ausgestattet ist, wobei der Stromüberschuß an das kooperative, grüne Energieunternehmen Enercoop verkauft wird.

Die geringe Höhe von insgesamt 21 m (davon 14 m für die Segel, und 7 m für den Zentralkern, bei einem Gesamtdurchmesser von 10 m) erfordert keine spezielle Baugenehmigung, und der Bürgermeister von Grande-Synthe verkündet seine Absicht, weitere Anlagen dieses Typs auf dem Gebiet seiner Gemeinde installieren zu wollen, wobei künftige Modelle eine Leistung bis zu 300 kW erreichen sollen.

 

Als Beitrag zum Feel The Planet Earth Designwettbewerb 2008 entwerfen der portugiesische Designer Pedro Gomes und sein Partner David Pera, ein Ingenieur und Physiker, das innovative Konzept eines Senkrechtachsers namens e.turbine, der am Straßenrand angebracht die durch Autos oder natürlichen Wind verursachte Luftbewegungen nutzt, um Strom zu produzieren.

Das in ihrer Präsentation abgebildete Design wirkt wie ein leicht verdrillter Panemone-Rotor, dessen Glasfaser-Blätter allerdings fest sind. Integratives Element der zylindrischen Objekte sollen reflektierende Lichtstreifen an der Außenseite sein, um einen Beitrag zur Sicherheit im Straßenverkehr zu leisten.

Bislang ist des den Designern jedoch noch nicht gelungen, ihr interessantes Konzept auch umzusetzen.

Ein ähnliches, aber offenes und wesentlich schmaleres Modell schlagen die beiden koreanischen Designer Kim Sungi und Song Hozin vor. Ihr Vorschlag erscheint im September 2009 auf der Seite von designboom.com und trägt den programmatischen Namen ,our lights will lead the way’.

Zu jenem Zeitpunkt erscheinen auf der designboom-Seite gleich mehrere Straßenlampen, die mit kleinen Senkrecht-Rotoren unterschiedlichster Form für ihre eigene Stromversorgung aufkommen – indem sie neben dem normalen Wind auch den Fahrtwind der Fahrzeuge nutzen.

Besonders hübsch finde ich den etwas verspielten Vorschlag eco-light des Designers Vitaliy Kamyshev aus Rußland, der selbstverständlich mit stromsparenden LEDs ausgestattet ist.

Ein ganz besonderer Vorteil von Windrädern mit senkrechter Drehachse ist die Möglichkeit, sie in wesentlich kleinerem Abstand zueinander aufzustellen, wie Forscher um Prof. John Dabiri vom California Institute of Technology (CalTech) in Pasadena im September 2009 feststellen. In einer Computersimulation gelingt es ihnen zu zeigen, daß derartige Windrad-Konstruktionen im Vergleich zu den heute üblichen Windpark-Anlagen zehn mal mehr Energie pro Flächeneinheit erzeugen können.

Das Manko heutiger Windräder ist nämlich, daß sie aufgrund ihrer Luftverwirbelungen in großem Abstand voneinander aufgestellt werden müssen – bei Rotorblättern von bis zu 100 m Länge beträgt dieser 500 – 1.500 m.

Das neue Konzept ist von Fischschwarm-Analysen aus den 1970er Jahren inspiriert: Wenn sie sich im Schwarm bewegen, nutzen Fische eine Formation, die es dem einzelnen Tier erlaubt, sich vom Wasserwirbel der beiden weiter vorne schwimmenden Fische ziehen zu lassen. Der Grund dafür sind die konstruktiven Interferenzen zwischen den hydrodynamischen Wirbelschleppen der benachbarten Fische.

Die Simulation bestätigt eine besonders hohe Effizienz dann, wenn im und gegen den Urzeigersinn laufende Turbine dieser Art abwechselnd aufgestellt werden. Diese höhere Effizienz wird durch die Bewegung des jeweiligen Rotors nebenan erklärbar, welche eine größere Luftströmung bewirkt, denn im Gegensatz zu ihren störenden Effekten bei Vertikalachsen-Anlagen werden diese Wirbel im vorliegenden Fall synergetisch genutzt.

Nachdem im Jahr 2010 in Feldversuchen ein halbes Dutzend dieser Anlagen verwendet werden, darunter drei der Firma Windspire Energy (s.u.), kann das Konzept im September 2011 in einer Testanlage nördlich von Los Angeles überprüft werden, welche aus 24 jeweils 10 m hohen und 1,2 m durchmessenden Senkrechtachsern besteht, die pro Stück maximal 1,2 kW liefern. Auf dem Field Laboratory for Optimized Wind Energy (FLOWE) werden die verschiedensten Anordnungen getestet, um die Auswirkungen meßbar und wiederholbar zu belegen.

Dabei zeigt sich, daß bei richtiger Anordnung ein Abstand des vierfachen Durchmessers ausreicht, um damit 21 – 27 W/m² Windpark-Fläche erzeugen zu können. Die Sekrechtachser können auf weniger als 5 m zusammenrücken, ohne daß die Leistung leidet. Ein vergleichbarer Park mit Horizontalrotoren bringt dagegen nur 2 – 3 W/m².

Inzwischen hat sich eine Firma namens Wind Harvest International mit Hauptsitz in Davis, Kalifornien, gebildet, die den interessanten Ansatz von Dabiri kommerzialisieren – und damit den Ertrag von Windfarmen verdoppeln will.

Vom September 2009 stammt der Entwurf Bloom/Crown der Designerin Hanan Bensho aus Spanien. Dabei handelt es sich um eine Straßenlampe mit OLEDs als Lichtquelle, die von Solarzellen bzw. einem kleinen Rotor mit senkrecht stehenden Blättern mit Strom versorgt wird.

Über eine Umsetzung ist bislang nichts bekannt.

Hinter der im März 2010 gegründeten Firma Agile Wind Power AG (AWP) im schweizerischen Dübendorf steckt die liebenswerte Geschichte eines Schwiegervaters, der für seine Enkel ein Windrad baut und damit die Grundidee für die Entstehung einer neuen Windkraftanlage liefert.

Der diplomierte Maschinenbauingenieur Karl Bahnmüller hatte im Jahre 2005 in seinem Garten eine Wasserlandschaft für die Kinder gebaut, wobei er eine Wasserpumpe brauchte, um das Wasser in Umlauf zu halten. Doch anstatt zum nächsten Baumarkt zu fahren, setzte sich Bahnmüller hin und entwickelte ein Windrad mit vertikaler Drehachse, das die benötigte Energie dann auch tatsächlich lieferte.

Patrick Richter, sein Schwiegersohn, erkennt das Potential für große Windtubinen, worauf Berechnungen angestellt und erste Test im Windkanal der RUAG Aerospace durchgeführt werden. 2010 folgen Versuche mit einer mobilen Anlage auf dem Flughafen Dübendorf, und bereits 2012 kann ein Prototyp/Version 1 in Betrieb genommen werden – der jedoch schon nach kurzer Zeit abknickt.

Im Jahr 2013 folgen daher eine Komplettüberarbeitung, Simulationen und Versuche mit einem Prototyp/Version 2, aus dem 2014 die Konzeptionierung des Modells Vertical Sky und weitere Versuche folgen. Wobei man allerdings sagen muß, daß das jüngste Modell inzwischen wie ein klassischer, gerader Darrieus-Rotor aussieht.

Die in Veliko Tarnovo, Bulgarien, ansässige Firma McCamley Ltd. beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Turbine, die bereits drei Dekaden auf dem Buckel hat, seitdem sie von Anthony Mewburn-Crook erfunden worden ist. Nach mehreren Fehlstarts, die 22 Jahre  überspannen, gelingt es dem Unternehmen, das sich im Besitz von Andrew McCamley befindet, das System im Rahmen eines dreijährigen Entwicklungsprogramms weitgehend ausreifen zu lassen. Im Jahr 2011 ist die Firma soweit, mit dem Modell McCamley MT01 auf den Markt zu kommen.

Der neuartige Senkrechtachser, der etwa 3 m hoch ist und im Durchmesser rund 3,7 m mißt, dreht sich schon bei Windgeschwindigkeiten von 2 m/s, zudem kommt der Generator ohne Getriebe aus, was mit einer geringeren Vibrationen und Geräuschentwicklung einhergeht. Eine achtbeinige Stützstruktur ermöglicht die Montage ohne allzu große Verstärkungen des Dachs.

Erfahrungen mit einem Demonstrator, der Mitte 2012 an der britischen Keele University bei Newcastle-under-Lyme in Staffordshire errichtet wird, zeigen, daß das Gerät bei einer Windgeschwindigkeit von 12 m/s allerdings nur 1 kW Strom erzeugt, weshalb im Zuge weiterer Tests in der Stadt Lyaskovets in Bulgarien versucht werden soll, die Ausbeute auf bis zu 24 kW zu erhöhen. Die gegenwärtige Ziel ist es, innerhalb der nächsten sechs Monate ein 12 kW Modell zu entwickeln, später soll das Design für Turbinen von über 1 MW Kapazität skaliert werden, außerdem sollen in der oberen ringförmigen Abdeckung künftig auch noch Solarzellen integriert werden.

Im Jahr 2013 engagiert sich die University of Bath für das System, deren Fakultät für Maschinenbau an der Entwicklung anscheinend ebenfalls beteiligt ist. Die Firma trägt inzwischen den Namen McCamley Middle East Ltd., hat ihren Sitz in Halesowen, West Midlands, England – und nimmt bereits Vorbestellungen für die 12 kW Anlage an, die ab August ausgeliefert werden soll. Dies konnte ich bislang allerdings noch nicht verifizieren.

Noch etwas weiter östlich enthüllt im Juni 2010 die Firma GCE Clean Energy Technology Group aus Taiwan eine vertikale Windkraftanlage, von der schon im ersten Produktionsjahr, das für 2014 vorgesehen ist, 2.000 Stück hergestellt werden sollen.

Im darauf folgenden Jahr will man den Ausstoß dann sogar auf bis zu 20.000 Anlagen jährlich hochskalieren. Vorgesehen sind Turbinen in Größen zwischen 2 und 10 kW. Viel zu merken ist davon bisher aber nicht.

Über persönliche Korrespondenz informiert mich Stev Bringmann aus Berlin, ein Architekt mit Spezialisierung auf effiziente Tragwerkssysteme und Chef der Berliner Firma 3dtex GmbH, über eine 2012 von ihm konzipierte Anlage mit vertikaler Rotationsachse, welche für große bauliche Höhen geeignet ist – und eindeutig etwas aus dem Rahmen fällt.

Da die bekannten Lösungen der Vertikalläufer seiner Meinung nach noch nicht am Ende der Entwicklung angekommen sind, schlägt Bringmann eine Windkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse vor, bei der die aerodynamisch wirksamen Flügel ein statisch wirksames Netzgitter aus Dreiecksmaschen bilden, da dieses – vorzugsweise zweifach – gekrümmte Netzgitter ein materialeffizientes und günstig zu erstellendes Tragwerk für die Ableitung und Nutzung der Windkräfte darstellt. Als eine Version wird eine Struktur von 125 m Höhe mit 10 Ebenen vorgeschlagen, bei der die längste Knicklänge einer Strebe knapp 16 m beträgt.

Ziel seiner bereits zum Paten angemeldeten Erfindung ist es eine Windkraftanlage, deren konstruktiver Aufwand möglichst gering ist, die einfach in gut zu transportierenden Einzelteilen zu fertigen ist, große bauliche Höhen ermöglicht und dabei einen hinreichend guten Wirkungsgrad erzielt. Basis der kelchförmigen Windkraftanlage ist ein unterer, auf einem kreisrunden Auflager drehbar gelagerter Ring, bei dem auch an eine magnetische Lagerung gedacht wird. Die mechanische Rotationsenergie kann hier durch eine Induktionstechnik direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Die stehenden Streben haben eine aerodynamische Querschnittsform wie sie z.B. bei H-Darrieus Anlagen verwendet wird (s.u.). Praktische Versuche sind bislang allerdings noch nicht erfolgt.

Im August 2012 erfolgt der Baustart für eine Wind- und Solarenergieanlage auf dem Dach des Zentrums Oberland Thun der Migros Genossenschaft Aare, Schweiz. Für die 6 m hohe und 6 m durchmessende Windanlage ist die Schweizer Firma Arro TWT aus Bolligen verantwortlich.

Deren patentierte Arro TWT (Tornado Wind Turbine) ist sowohl für schwache wie auch starke Winde geeignet. Die Winde werden in der Turbine sogar noch beschleunigt, wodurch deutlich mehr Strom produziert erden soll.

Diese Beschleunigung geschieht mit Hilfe von 6 – 18 Windleitwänden, welche schräg rund um den Rotor aufgestellt sind, der 16 – 24 speziell geformte Blätter besitzt. Der Firma zufolge fangen die Leitwände mehr Wind und beschleunigen diesen nach dem Venturi/Bernoulli-Effekt.

Die Idee für das Patent stammt aus Argentinien, wo die Anlage vor allem in Patagonien eingesetzt wird. Es zeigt sich allerdings, daß der Prototyp an die lokalen Verhältnisse angepaßt werden muß. Die Turbine wird daher Anfang Oktober 2013 wieder demontiert, da die Leitung der Migros Genossenschaft Aare entschieden hat, das Projekt zu beenden, weil am Standort zuwenig Wind vorhanden ist und die Arro TWT somit auch nicht genügend Leistung bringen kann.

Sollte die Optimierung erfolgreich verlaufen, will die Firma eine Turbine von 8 m Höhe, 4 m Rotordurchmesser und mit einer installierten Leistung von 200 kW, zum voraussichtlichen Preis von 300.000 Franken anbieten.

Auf der Windpower Conference & Expo in Chicago im Mai 2013 wird mit der Vertikalachsen-Windturbine Kliux Geo 1800 ein gerade einmal 10 m hohes, umweltfreundliches und geräuschlos funktionierendes System mit einer Leistung von 1,8 kW vorgestellt, das auf den Erfinder Juan José Eguizábal und sein in Spanien beheimatetes Startup Kliux Energies in Los Almendros zurückgeht.

Anderen Informationen zufolge hat Kliux (nur) die weltweiten Exklusivrechte für die Herstellung und den Verkauf der Geo 1800 und weiterer Vertikalachsen-Windturbinen-Modelle, die an dem in Logroño beheimateten Technologie-Entwicklungszentrum Geolica Innovations entwickelt worden sind.

Das bereits international patentierte Design soll einen, durch den Blattdrehung entstehenden, Luftstrom aufweisen, der als eine Art Sicherheitszone fungiert, so daß Vögeln viel Raum bleibt, schadlos zu entkommen. Wie man anhand der Abbildung sehen kann, handelt es sich bei dem 10 m hohen System um einen relativ einfach strukturierten Savonius/Darrieus-Mischtyp, dessen 8 gebogene Blätter aus Polyurethan-Schaum leicht schräggestellt sind.

Schlußendlich ist jedoch zu konstatieren, daß es – dem Stand von 2014 zufolge – gegenwärtig in über 100 Ländern auf der ganzen Welt rund 300.000 HAWTs im Megawattbereich mit einer Gesamtkapazität von über 300 GW gibt. Demgegenüber gibt es genau Null Vertikalachsen-Windkraftanlagen in kommerzieller Größe, die heute in Betrieb sind. Umso mehr ein Grund, sie aufgrund ihrer zumindest theoretischen Überlegenheit auch zukünftig im Auge zu behalten – und hier ausführlich zu präsentieren.

Umsetzungen der verschiedenen Senkrechtachser werden auch – über die folgenden Präsentationen hinaus – in den vorangegangenen Länderübersichten, sowie in den späteren Kapitelteilen Windenergie und Architektur und Neue Designs und Rotorformen vorgestellt (s.d.).

 

Weiter mit dem Flettner-Rotor...