Von Fischen lernen: Im dichten Schwarm erzeugen manche Windräder mehr Energie

Laut Berechnungen können Windfarmen deutlich kleiner geraten, wenn Turbinen mit senkrechter Achse zum Einsatz kommen und dicht beieinander stehen

Minneapolis (USA) - Windfarmen stören vor allem, weil die einzelnen Windräder wegen der Luftverwirbelung Abstand voneinander brauchen. Damit verteilen sich der Lärm und andere Nachteile auf eine große Fläche. Jetzt präsentieren US-Forscher eine mögliche Lösung: Nutzt man einen anderen, heute vernachlässigten Typ der Windturbine, dessen Drehachse senkrecht statt waagerecht steht, so profitieren die Turbinen sogar vom engen Beieinanderstehen. In spezieller Anordnung können sie pro Fläche sogar mehr als hundertmal so viel Energie erzeugen wie die heute gebräuchlichen Anlagen, zeigen Computersimulationen. Das entspricht dem Effekt in Fischschwärmen, wo die einzelnen Tiere so hintereinander schwimmen, dass sie die vorn erzeugten Wirbel nutzen und weniger Schwimmenergie benötigen. Die Forscher präsentierten ihre Berechnungen auf dem 62. Jahrestreffen der APS Division of Fluid Dynamics. Als nächstes wollen sie die Simulation in Testanlagen umsetzen.

"Die Ergebnisse lassen vermuten, dass durch sorgfältige Anordnung von Windturbinen mit vertikaler Achse erhebliche Steigerungen erzielt werden können, die sich in einer Senkung des Flächenbedarfs um zwei Größenordnungen (beziehungsweise einer Steigerung der Leistungsdichte um zwei Größenordnungen) zeigt, verglichen mit Windturbinen mit horizontaler Achse", berichtete John Dabiri vom California Institute of Technology. Der Professor für Aeronautik und Bioingenieurwesen und sein Team hatten überlegt, inwieweit sich Erkenntnisse zu Fischschwärmen und Wasserwirbeln aus den 1970er Jahren auf die Luftdynamik in Windfarmen umsetzen lassen. Damals hatte der Aeronautiker Daniel Weihs nachgewiesen, wie Fische in speziellen Schwarmformationen Energie sparen, wenn sie sich von den Wasserwirbeln ziehen lassen, die die beiden Fische direkt vor ihnen erzeugt haben. Dabiri und Kollegen setzten dieses Prinzip auf die Anordnung von Windrädern um und testeten diverse Systeme im Rechenmodell. Ihre Strömungssimulation im Computer baute auf Messdaten von Wind und Windturbinen auf und testete den Effekt variierender Abstände und Anordnungen der Windturbinen mit vertikaler Drehachse.

Fazit: Die größte Effizienzsteigerung ergibt sich, wenn die Reihen von Turbinen so aufgestellt sind, dass sich im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn drehende Turbinen abwechseln. Die Bewegung der Nachbarrotoren konzentriert und beschleunigt die Luftströmung, so die Forscher. Damit könnten sie die Windturbinen mit vertikaler Drehachse (VAWT) wieder aus der Versenkung der wirtschaftlichen Ineffizienz holen: Weil sich deren Rotorblätter wie beim Hubschrauber parallel zum Boden drehen, trifft der Wind von der Seite immer nur auf ein Viertel des Rotors. Damit lässt sich entsprechend weniger elektrische Energie erzielen als mit der heute typischen Windkraftanlage mit horizontaler Drehachse (HAWT). Diese richtet die Rotorblätter direkt in die Windrichtung und kann so ein Maximum von bis zu 50 Prozent der Windenergie und mehr in elektrische Energie umsetzen. Andererseits benötigen die einzelnen HAWT einen großen Abstand zueinander, weil die von den Rotorblattspitzen erzeugten Luftwirbel die stetige Strömung zur Nachbarturbine stören und sogar Schaden anrichten können. In einem Windpark gilt deshalb die Regel, dass die HAWT mindestens drei Rotordurchmesser von der seitlichen Nachbarturbine und zehn Rotordurchmesser von jener in Flussrichtung entfernt sein muss. Bei einem typischen 100 Meter-Rotor beläuft sich das auf mindestens einen Kilometer Abstand - der Grund, weshalb konventionelle Windparks große Ausmaße erreichen.

Deutlich weniger Fläche könnten also Windparks mit eng gestaffelten VAWT einnehmen, die damit ihre eigentlichen Nachteile durch niedrigere Energieeffizienz ausgleichen können. Vor allem in windreichen Gegenden mit wenig Platz, etwa auf Inseln, könnte sich dies als Alternative erweisen, die Kosten für Infrastruktur und Wartung dürften niedriger liegen und auch Off-Shore-Windparks hätten weniger Platzbedarf und niedrigere Kosten, um die einzelnen Masten sicher zu verankern. Wie sich dies im Gegenzug zur größeren Zahl an benötigten Turbinen rechnet, bleibt zu untersuchen. Im nächsten Schritt wollen Dabiri und Co. nun in realen Testanlagen die Ergebnisse der Computersimulationen bestätigen.