TEIL C

Vertikalachsen-Rotoren

Der Darrieus-Rotor (I)

Dieses System geht auf den französischen Erfinder und Luftfahrtingenieur Georges Jean-Marie Darrieus (1888 – 1979) aus Toulon zurück, der sich zu Beginn des letzten Jahrhunderts intensiv damit beschäftigte.

Das französische Patent erhält er 1927, das US-Amerikanisches im Jahre 1931 (Turbine Having ist Rotating Shaft Transverse to the Flow of the Current, US-Nr. 1.835.018).

Und auch hier sollen die Ursprünge älter sein als Darrieus selbst, wofür ich bislang aber – anders als bei Savonius – noch keine Belege finden konnte.

In der klassischen Form sind die zwei oder drei aerodynamisch geformten, schmalen Rotorblätter am oberen und unteren Ende der Welle befestigt und ragen bogenförmig nach außen, doch das Patent von Darrieus deckt auch jede mögliche Anordnung mit vertikalen Tragflächen ab, die später H-Darrieus oder Giromill genannt werden und gerade, vertikale Flügelabschnitte besitzen. Inzwischen gibt es auch einige Dreieck-Darrieus-Rotoren, also Anlagen mit gradlinigen Flügeln, die oben direkt an der Nabe befestigt, und unten weit ausgestellt sind.

Darrieus’ erstes Modell von 1929 (andere Quellen: 1933), von dem es ebenfalls keine Abbildungen zu geben scheint, hat zwei Flügel und eine Höhe von 20 m, es erzielt 10 kW. Der Stromgenerator befindet sich am unteren, leicht zugänglichen Ende der Drehachse. Wegen seines Aussehens wird der Rotor im englischsprachigen Raum scherzhaft auch ,Eggbeater’ genannt.

Anderen Quellen zufolge soll Darrieus jedoch selbst nie einen der Rotoren gebaut haben, für die er weltweit berühmt ist – dafür hätte er in den späten 1920er Jahren aber eine ganze Reihe herkömmlicher Windturbinen mit Horizontalachsen-Rotoren errichtet.

Französische Quellen berichten, daß der Erfinder mehrere  Modelle gebaut habe, beginnend mit einem 4-Blatt Rotor von 8 m im Durchmesser und einer Leistung von etwa 2,5 kW, über eine 10 m Ausführung mit 3 Klingen und 4,5 kW, bis hin zu dem größten Modell mit einem Durchmesser von 20 m und einer Leistung von 12 kW. Bis 1930 erfolgt zwar die Installation einer 30 m großen Anlage mit 50 kW, doch die ökonomische Bewertung fällt ziemlich negativ aus: es gibt keinen Markt für diese Art von Maschine.

Das Konzept gerät danach lange in Vergessenheit, erweist sich aber in den vergangenen Jahren aber zunehmend als entwicklungsträchtiger Typ. Insbesondere in vier Ländern werden Darrieus-Rotoren weiterentwickelt und umgesetzt: in Deutschland, Großbritannien, Kanada und den USA. Die dortigen Arbeiten werde ich nachstehend im Einzelnen beschreiben.

Es gibt bei den schnellaufenden Darrieus-Rotoren zwar mehr Probleme als bei Horizontalachsern zu lösen – insbesondere bei Anlagengrößen über 100 kW –, doch erregt dieser Typ andererseits die Gemüter der Umweltschützer weitaus weniger, als dies bei konventionellen Systemen der Fall ist.

Die zumeist als 2- oder 3-Blatt Anlagen ausgelegten Darrieus-Rotoren sind unabhängig von der Windrichtung, dafür müssen ihre Rotorblätter aber auch extrem starke Belastungen aufnehmen. Da diese Rotorblätter gleichzeitig die Eigenschaften eines leichten, festen und wetterbeständigen Werkstoffs besitzen müssen, werden z.B. für die kanadische Anlage Ende der 1970er Jahre (s.u.) 61 cm breite Rotorblätter aus Aluminium-Stragpreßprofilen hergestellt.

Der hier abgebildete Rotor stammt von dem Ingenieur Glen Lux, er wurde mit Hilfe der NASA errichtet - und von dieser später auch mit einem Preis ausgezeichnet.

Vorteilhaft ist, daß die Blätter der Darrieus-Rotoren überall den gleichen Querschnitt aufweisen und daher auch leicht herstellbar sind. 1997 entwickelt Egon Gelhard aus Zülpich-Dürscheven ein Computerprogramm, das die Herstellung extrem leichter Darrieus-Flügelprofile aus Aluminium erlaubt, deren Hohlräume mit Schaumstoff ausgeschäumt sind.

In den Jahren 1984/1985 werden etwa 20 % aller neu gebauten Windturbinen als Darrieus-Anlagen ausgelegt, später geht diese Rate aber wieder drastisch runter und begrenzt sich immer mehr auf das Kleinanlagen-Segment.

Da weiterentwickelte Darrieus-Rotoren ebenso wie andere Windkraftanlagen-Typen in den letzten Jahren zunehmend in Gebäude integriert werden, habe ich dazu ein eigenes Kapitel unter dem Namen Windenergie und Architektur verfaßt (s.d.).

Im Folgenden sind die Entwicklungen in den vier o.g. Ländern dokumentiert, anschließend erfolgt eine alphabetisch geordnete Übersicht über Aktivitäten in anderen Regionen der Welt - sowie Beschreibungen der Versuche und Erfolge beim Einsatz dieser Technologie als Antriebsversion in der Schiff- und Luftfahrt.

Deutschland

Seit den frühen 1980er und bis Anfang der 1990er Jahre arbeitet die Firma Heidelberg-Motoren mit Sitz in Starnberg an der Entwicklung von H-Typ-Darrieus-Rotoren, die mit direkt in die Rotorstruktur integrierten getriebelosen Generatoren ausgestattet sind. Das Unternehmen errichtet ab 1994 auf einem Testfeld am Kaiser-Wilhelm-Koog neben der Elbmündung in Brunsbüttel fünf Anlagen vom Typ Heidelberg-Rotor HM 20/30, den bislang größten in Deutschland. Die im Netz kursierenden Angaben, denen zufolge die Anlagen jeweils 1 MW erzeugt haben sollen, sind falsch.

Die auch unter dem Namen Heidelberger H-Rotor bekannten Windkraftwerke zeichnen sich durch einen großen Ringgenerator aus, der sich oberhalb der Trägerstruktur befindet und die Form des Systems unverwechselbar macht. Die Anlagen am früheren Standort des GROWIAN erzielen zwar eine recht gute Ausbeute, müssen allerdings nachts abgeschaltet werden, weil sie zu laut sind. Dies wiederum halbiert den Gesamtertrag, weshalb die Anlagen 1997 wieder abgebaut werden.

Ein weiterer HM 20/30 mit einer Nennleistung von 20 kW wird in den Schlierenseer Bergen beim Rotwandhaus errichtet.

Im Juni 1980 stellt die Firma Dornier auf der deutschen Nordseeinsel Pellworm eine rund 20 m hohe kombinierte Darrieus/Savonius­Anlage mit einem Durchmesser von 12 m auf, die 20 kW Leistung erbringt. Ein ähnliches Modell mit 30 kW wird als Testanlage auf dem Höchsten, einer Bergkuppe am nördlichen Bodenseeufer, installiert.

Ein gleichartiges Modell wird 1980 an der Atlantikküste in Comodora Rivadavia, in Süd-Argentinien, errichtet.

Die Spezifikationen des dortigen Systems lauteten: Durchmesser 12 m, Höhe 17 m, wirksame Rotorfläche 93 m², 3-flügelig mit NACA-Profil von 320 mm Blattiefe, aus extrudiertem Aluminium, rotierender Turm mit 608 mm Durchmesser, ebenfalls aus Aluminium. Als Anlaufhilfen dienen zwei 3-schaufelige Savonius-Rotoren mit 3,75 m Durchmesser und 1,55 m Höhe.

Die Nennleistung bei 10,4 m/s Wind beträgt 20 kW, die Maximalleistung 27 kW, der Anlauf erfolgt bei 4 m/s, die Abschaltung bei 22 m/s Windgeschwindigkeit. Das Überleben der Anlage ist bis 65 m/s Windgeschwindigkeit gesichert. Die Nenndrehzahl beträgt 80 U/min, die Maximaldrehzahl 150 U/min.

Zudem errichtet Dornier gemeinsam mit der Flender AG im Testfeld der EVS (heute EnBW) bei Heroldstatt 1989 eine zweiflügelige Anlage mit einen Durchmesser von 15 m, einer Masthöhe von 25 m und einer Leistung von rund 55 kW bei 11,5 m/s Windgeschwindigkeit. Da die mittlere Windgeschwindigkeit des Standortes auf Höhe der Rotormitte bei nur 4,1 m/s liegt, kann nur ein Jahresertrag von etwa 24.500 kWh erzielt werden, was einer mittleren Leistung von 2,8 kW entspricht.

In den Jahren 1979/1980 unterstützt das BMFT die Entwicklung eines Vertikalachsen-Windkorverters mit geraden Rotorblättern. Das Gerät vom Modell Vavian-A wird von der Firma ERNO entwickelt, wegen Bonner Sparbeschlüssen dann aber nie gebaut.

Firmeneigene Folgeuntersuchungen erbringen später ein verbessertes Grundkonzept Vavian-B, bei dem die H-förmigen Rotorblätter an der Spitze eines Turmes angebracht sind, wo sie bessere Ergebnisse als weiter unten erbringen. Trotzdem kommt es zu keiner weiteren Umsetzung.

Einen schönen, auch 2009 noch laufenden H-Darrieus hat Michael Schelter im Münsterland fotografiert. Über sachdienliche Hinweise zum Hersteller und Baujahr würde ich mich freuen.

1990 wird in Laichingen auf der Schwäbischen Alb eine 28 m hohe 2-blättrige Versuchsanlage der Firma Dornier installiert, die sich allerdings als äußerst problematisch erweist. Abspannseile geraten in Schwingung, für die Ölversorgung müssen neue Zuleitungen installiert werden, und die Bremsen versagen bei kräftigerem Wind. Es folgen ein Generator- und Getriebedefekt, dann versagt auch noch die elektronische Steuerung. Dornier friert daraufhin alle Aktivitäten auf diesem Sektor der Windenergie ein.

Anfang 1991 wird die deutsche Antarktis-Station Georg-von-Neumayer, wo eine mittlere Windgeschwindigkeit von ca. 9 m/s herrscht, mit einem 3-Blatt H-Darrieus Rotor ausgestattet, der auf Windgeschwindigkeiten bis zu 68 m/s und Außentemperaturen bis minus 55°C ausgelegt ist. Die weiteren Daten lauten: Nennleistung 20 kW, Durchmesser 10 m, Flügellänge 5,6 m, getriebeloser Generator, Jahresertrag rund 35.000 kWh. 

Die herstellende Firma Heidelberg-Motor hat die Windkraftanlage im Rahmen eines Forschungsvorhabens des BMFT gemeinsam mit dem Germanischen Lloyd (Dr.-Ing. B. Richter), dem Alfred-Wegener-Institut für Polarforschung (Dr. Saad El Dine El Naggar) und der Hochschule Bremerhaven (Prof. Dr.-Ing. F. Zastrow) entwickelt und praktisch erprobt.

Das Zertifikat für Antarktistauglichkeit erhält das Modell, nachdem es nach einem halben Jahr in der Antarktis und der Versorgung der Station mit Windstrom keinerlei Schäden davongetragen hatte. Der H-Rotor übersteht, wenn auch in abgebremstem Zustand (Wirbelstrombremse), Stürme mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 220 km/h.

Die Anlage läuft bis 2009 sehr erfolgreich. Zu diesem Zeitpunkt wird die bisherige Station durch die Station III ersetzt, die 15 Enercon-Kleinwindanlagen vom Typ E-10 mit jeweils 30 kW erhält, die konventionellen Rotoren haben.

Bereits im Februar 2005 wird die Lizenz für das Rotorprofil seitens Prof. Zastrow und der Hochschule Bremerhaven an das ebenfalls in Bremerhaven ansässige Unternehmen bg-engineering Braun & Görke GbR vergeben, wo die Weiterentwicklung des sogenannten ,abgewickelten H-Rotors’ erfolgen soll. Wie man auf dem Bild sieht, sind an dem Prototyp kleine Halbschalen angebracht, die den selbständigen Anlauf des Rotors unterstützen sollen. Die Hochschule selbst forscht zu diesem Zeitpunkt bereits seit über zehn Jahren am H-Rotor. Eine kommerzielle Umsetzung gelingt der bg-engineering allerdings nicht.

An der Hochschule Bremerhaven dagegen ist Ende 2006 der Prototyp eines modifizierten Darrieus-Rotors bereits in der Testphase. Hier hatte man nämlich bemerkt, daß sich das oft als lästig empfundene sirrende Geräusch der herkömmlichen Modelle, welches durch kleine Windwirbel an den Flügelspitzen entsteht, relativ leicht vermeiden läßt.

Beim daraufhin entwickelten Modell Twister sind die Rotorblätter leicht verwunden, wodurch die Wirbel nicht mehr entstehen und auch die unangenehmen Geräusche verschwinden. Dies ist auch einer der Hauptgründe für die zwischenzeitlich erfolgte Verbreitung dieser Verdrillung auch bei anderen Produzenten. Die Stromleistung des Prototyps aus Bremerhaven liegt bei 300 W.

Für dieselbe Struktur hatte übrigens Prof. Alexander Gorlov bereits 1994 ein Patent erhalten - allerdings für den Einsatz unter Wasser, weshalb sein Modell auch unter den Systemen aufgeführt wird, welche die Meeresströmungen zur Energieerzeugung nutzen (s.d.).

Kunst am Bau bedeutet 1997 für das neue Technische Rathaus in München einen Betrag von 1,3 Mio. DM, die man für die Idee des New Yorker Künstlers Vito Acconci ausgeben darf.

Damit wird auf dem Dach des 60 m hohen Hochhausturms ein Darrieus-Windrotor mit drei senkrechten Blättern installiert, dessen Strom wiederum eine ‚bewegte Landschaft’ antreibt, die im Innenhof auf einer Drehscheibe liegt. Damit soll die erzeugte Energie analog sichtbar gemacht werden.

Als im Juli 2000 der Neubau offiziell eingeweiht wird, zeigt sich jedoch, daß die technische Ausführung des 12 m hohen Windrades noch Wünsche übrig läßt, denn der Rotor braucht eine Antriebshilfe, um überhaupt zu starten.

Der H-Rotor selbst stammt von der Firma Neuhäuser WindTec aus Lünen, die diese Windkraftanlagen in Größen von 1 kW, 5 kW, 10 kW, 20 kW und 40 kW produziert und vertreibt. Die 40 kW Anlage hat einen Rotordurchmesser von 12 m und wird mit zwei oder drei jeweils 9 m langen, symmetrischen GFK-Rotorblättern angeboten.

Außerdem vermarktet das Unternehmen auch eine 5 kW oder 10 kW Hybridcontainer-Windkraftanlage, die als komplette Einheit in einem 20-Fuß-Container angeliefert wird und ohne Fundamenterstellung auf ebenem Untergrund errichtet werden kann.

Neben dem H-Rotor beinhaltet die autarke, mobile Energieversorgung auch Solarzellen sowie ein Dieselaggregat. Auch eine Biodiesel-Container-Lösung mit einer Presse, die aus der Nuß der Jatropha-Pflanze Öl gewinnt, welches dann raffiniert und im Container gespeichert wird, befindet sich 2009 im Prototyp-Stadium. Die Firma ist auch 2014 noch auf dem Markt, scheint allerdings keine weiteren Windkraftanlagen mehr installiert zu haben.

Unter dem Namen Canstein-Rotor werden in Deutschland von einigen Bastlern interessante Weiterentwicklungen umgesetzt, bei denen die senkrechten Darrieus-Blätter mit kleinen Savonius-Profilen ergänzt werden.

Aus den diversen veröffentlichten Baubeschreibungen habe ich hier der Selbstbau-Rotor von Klaus aus Erkelenz abgebildet, der eine Höhe von 100 cm und einen Durchmesser von 90 cm hat.

Meinen Recherchen zufolge geht die Technik auf das 1991 angemeldete Patent von Carl-Magnus Raban von Canstein aus Agaete, Las Palmas, zurück (DE-Nr. 4120908, erteilt 1998, erloschen 1999 bez. 2005), das den seltsamen Namen ,Strömungsrezeptor’ trägt.

Von Canstein hatte in Gáldar auf der Kanareninsel Gran Canaria, Spanien, einen Prototyp mit 2,4 m Rotordurchmesser errichtet, der bei zugeschaltetem Generator ohne jede Anfahrhilfe ab einer Windgeschwindigkeit von etwa 3 m/s anläuft. Mehr ist über diesen modernen H-Darrieus-Rotortyp leider nicht herauszufinden.

Ein sehr interessantes Semesterprojekt des Fachbereiches Industriedesign an der HKD Halle wird 2007 unter dem Namen ,Windwasserstoff etc.’ bekannt.

Grundlage des Projektes ist die Technologie für vertikale Windenergieanlagen der 2005 gegründeten Firma Tassa GmbH in Wolfsburg.

Ziel ist die Erweiterung des Spektrums der Anlagen, die Speicherung des gewonnenen Stroms sowie die Akzeptanzförderung der dezentralen Nutzung regenerativer Energien.

Unter den studentischen Konzepten besticht insbesondere die Arbeit von Yunhua Zhao, der einen kompakten, aufklapp- und zusammensteckbaren Rotor entwickelt hat, dem man nur wünschen kann, daß er möglichst schnell in die Produktion geht.

Im zusammengepackten, geschlossenen Zustand bildet der H-Darrius ein transportfreundliches, annähernd zylindrisches Paket von 145 cm Länge und einem Durchmesser von 35 cm. Ausgefahren erreicht er eine Höhe von knapp 6,5 m. Weitere technische Details liegen noch nicht vor, Zhao hat aber schon ein Modell im Maßstab 1:7 hergestellt, das seine Praktibilität bewiesen hat.

Als Folge des Semesterprojektes startet die Tassa GmbH im April 2007 gemeinsam mit weiteren Forschungseinrichtungen unter Federführung des Institutes für Psychologie der MLU ein zweijähriges Forschungsprojekt, das durch das Bundesumweltministerium gefördert wird.

Eines der Ergebnise ist das hier abgebildete Modell, eine 1 kW Darrieus/Savonius-Kombination, wobei letzterer nur dem Selbstanlauf dient. Die kommerziellen Systeme beseitzen dagegen 2 Blätter - und gar keinen Syonius.

2009 wird Tassa beim KfW-Unternehmerpreis zum Gründer Champion von Niedersachsen gekürt. Das Unternehmen bietet zu diesem Zeitpunkt eine kommerzielle 5 kW Anlage an, ein weiteres System mit 25 kW ist in Planung.

Pressemeldungen vom Mai 2010 zufolge wird die Tassa von Kunden wegen Betrugs angezeigt, weil die installierten Kleinwindanlagen nicht annähernd die versprochene Leistung von bis zu 5 kW erbringen. Dreiviertel der daraufhin durch das Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) befragten Anlagenkunden geben an, daß sich ihre Erwartungen an das Windrad nicht erfüllt haben.

H-Darrieus-Rotoren mit sogar 5 Blättern bietet die 2002 gegründete Firma EXTECH Sondermaschinen- und Fahrzeugbau Fritz Gaugenrieder e. K. aus Penzing-Ramsach an.

Sie sollen in Baugrößen von 1 kW (Durchmesser 180 cm, Blattlänge 200 cm, Gewicht ca. 180 kg), 3 kW (Durchmesser 300 cm, Blattlänge 360 cm, Gewicht ca. 500 kg) und 10 kW (Durchmesser 600 cm, Blattlänge 620 cm, Gewicht ca. 1.700 kg) lieferbar sein. Als Wirkungsgrad werden 35 % angegeben.

Markterfolge gibt es anscheinend nicht zu verzeichnen, und inzwischen ist auch dieses Unternehmen nicht mehr im Bereich der Windenergie aktiv.

Im November 2011 geht eine moderne Klein-Windkraftanlage der 2006 gegründeten Kölner Firma Axeptor AG in Betrieb, welche die Filiale einer großen Fastfoodkette in Bad Rappenau mit Strom aus Windenergie versorgt.

Die AIRVVIN VERTICAL, deren Entwicklung schon im Jahr 2005 begonnen hatte, besitzt einen Fünf-Blatt-Rotor, einem getriebelosen Generator, hat eine Masthöhe von 21 m und soll nahezu geräuschlos arbeiten.

Die erste Anlage konnte im November 2009 errichtet werden, gefolgt von einer ersten Installation in Springtown, Texas, im Juli 2010.

Für Flachdächer wird eine Version AV-CU430 entwickelt, bei der sich die Windenergieanlage in einem Kubus befindet.

Daneben folgen weitere Installationen in Deutschland, den USA und Süd-Korea bei der Firma Samsung. Die Leistungsbereiche reichen dabei von 300 W bis zu 12 kW.

Neben Windkraftanlagen mit vertikaler Achse liegt der Schwerpunkt der AXEPTOR AG auf der Entwicklung und Vermarktung von Wind-Solar-LED-Laternen, Solar-LED-Laternen und hybriden Wind-Solar-Energie-Systemen.

Nach Ende 2012 werden allerdings keine weitere Aktivitäten mehr gemeldet.

 

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