Vertikale Windräder als neue Chance

Die niedrigere Stromproduktion von Solaranlagen und Stauseen im Winter ist eine der grossen Herausforderungen für die Energiewende in der Schweiz. Windkraftanlagen, deren Wirkungsgrad sich in der kalten Jahreszeit verdoppelt, könnten deswegen beim Umstieg auf erneuerbare Energien eine entscheidende Rolle spielen. Da sie allerdings viel Platz benötigen und laut sind, ist es schwierig, neue Standorte für sie zu finden.

Nur ein Drittel des Platzes

Das Team von Karen Mulleners arbeitet an einer alternativen Lösung, um die Windenergie auszubauen. Die Forscherin von der ETH Lausanne interessiert sich für Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse, sogenannte Windkraftanlagen vom Typ H. Deren Rotorblätter stehen senkrecht zum Boden und drehen sich wie ein Karussell um die zentrale Achse. Durch diese Bauart benötigen sie bei gleicher Rotorblattlänge nur einen Drittel des Platzes im Vergleich zu einem klassischen Windrad, teilte der Schweizerische Nationalfonds (SNF) am Mittwoch mit.

Damit eignen sie sich sowohl für die Verdichtung bereits bestehender Windparks als auch für Anlagen, die sich näher an städtischen Gebieten befinden.

Strömungsabriss

Solche vertikalen Windräder gibt es schon länger. Bislang stand die Entwicklung laut SNF jedoch vor einer physikalischen Herausforderung. Da ihre Drehachse senkrecht zum Wind steht, ändert sich der Winkel zwischen dem Wind und den Rotorblättern ständig. Sobald der Wind eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht, kommt es zum sogenannten «dynamischen Strömungsabriss», der zu Verwirbelungen der Luft und Turbulenzen führt.

In einer Studie, die in der Fachzeitschrift «Nature Communications» veröffentlicht wurde, zeigte ein Forschungsteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) um Karen Mulleners nun eine Lösung für dieses Problem: Sie installierten eine Vorrichtung, die es den Rotoren erlaubt, ihre Neigung zu verändern. «Ein Schiff braucht eine Crew, die die Segel ausrichtet, um den Kurs zu halten», erklärte der Studien-Erstautor Sébastien Le Fouest in der Mitteilung. «Stattet man die Rotorblätter von Windkraftanlagen mit kleinen Motoren aus, stellt man ihnen quasi einen Kapitän zur Seite, sodass auch sie sich den Bedingungen anpassen können.»

Wirkungsgrad verdeifacht

Die Forschenden haben dazu eine Anlage im Miniaturformat mit einem einzigen Rotorblatt gebaut. Diese statteten sie mit Sensoren aus, um die im Strömungskanal erzeugte Energie zu messen. So konnten sie bestimmen, wie stark sich die Rotorblätter anpassen sollen.

So steigerten die Forschenden den Wirkungsgrad ihres vertikalen Windrads im Labor um das Dreifache. «Unsere Daten zeigen, dass man sehr wahrscheinlich die Lebensdauer und den Wirkungsgrad traditioneller Windkraftanlagen erreichen oder sogar übertreffen könnte», so Fouest. Dies soll nun in weiteren Forschungsprojekten untersucht werden.

Es sei auch bereits eine Zusammenarbeit mit einem Schweizer Unternehmen in die Wege geleitet worden, um die Ergebnisse an einem industriellen Prototypen zu testen, hiess es vom SNF.