Windenergie kommt zukünftig ohne rotierende Flügel aus

Schaufellose Windturbinen erzeugen Strom ohne die mit herkömmlichen Windturbinen verbundenen Nachteile. Außerdem sind sie leise und haben niedrige Betriebskosten. Tatsächlich könnte diese Technologie die Winderzeugung der Zukunft revolutionieren.

In Deutschland und sicher auch anderswo stoßen die Windräder auf Widerstand der Bevölkerung. Wer in der Nähe eines Windrades oder eines Windrad-Parks wohnt, kennt die Nachteile. Der Schattenwurf, der Lärm und die Bedrohung der Vogelwelt sind einige Gründe, warum die Skepsis der Bevölkerung groß ist.

Das spanische Unternehmen Vortex Bladeless hat eine alternative Lösung für die Nutzung der Windenergie entwickelt, welche ohne die üblichen Rotoren auskommt.

Die Idee kam dem Gründer David Yáñez plötzlich im Jahr 2012, nachdem er ein Video von der im Wind schwingenden Tacoma Narrow’s Bridge, welche 1940 eingestürzt war, gesehen hatte. Damals begann die Brücke durch Wind zu vibrieren, und die dadurch entstehenden Schwingungen hielten an und sorgten für den Einsturz. Einige Zeit blieben die Ideen in der Schublade; die Zeit dafür musste erst reif werden.

Um 2015 begann dann die Startup-Geschichte. Es war nicht einfach, die besten Materialien, die beste Art und Weise herauszufinden und eine neue Technologie zu entwickeln. Doch das Ergebnis lässt sich sehen.

Vortex Bladeless ist ein wirbelinduzierter Vibrationsresonanz-Windgenerator. Er nutzt die Windenergie aus einem Wirbelphänomen namens Vortex Shedding. Die schaufellose Technologie besteht im Wesentlichen aus einem Zylinder, der vertikal mit einem elastischen Stab befestigt ist. Der Zylinder schwingt in einem Windbereich, der dann über ein Generatorsystem Strom erzeugt. Mit anderen Worten, es handelt sich um eine Windkraftanlage, die eigentlich keine Turbine ist. Wirbelwindgeneratoren ähneln in ihren Merkmalen und ihrer Kosteneffizienz im Laufe der Zeit mehr den Sonnenkollektoren als den herkömmlichen Windturbinen.

Struktur & Geometrie

Der äußere Zylinder ist weitgehend starr ausgelegt und kann schwingen, wobei er an der unteren Stange verankert bleibt. Der obere Teil des Zylinders ist nicht eingespannt und hat die maximale Schwingungsamplitude. Die Struktur besteht aus Harzen, die mit Kohlenstoff- und/oder Glasfasern verstärkt sind, Materialien, die in herkömmlichen Windturbinenblättern verwendet werden. Der obere Teil der Stange stützt den Mast und der untere Teil ist fest im Boden verankert. Er besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer, das eine hohe Ermüdungsbeständigkeit aufweist und bei Schwingungen nur wenig Energie verliert. Natürlich unterscheidet sich die Konstruktion einer solchen Windkraftanlage deutlich von der einer herkömmlichen Anlage. Anstelle des üblichen Turms, der Gondel und der Flügel besteht unsere Anlage nur aus einem Mast aus leichten Materialien, der auf einem Sockel steht. Das reduziert den Rohstoffverbrauch und die Notwendigkeit eines tieferen Fundaments.

Energieumwandlung

Die blattlose Windturbine fängt die Energie des Windes durch ein Resonanzphänomen ein, das durch einen aerodynamischen Effekt namens Wirbelablösung erzeugt wird. In der Strömungsmechanik wird die Strömung beim Durchgang des Windes durch einen stumpfen Körper verändert und erzeugt ein zyklisches Muster von Wirbeln. Sobald die Frequenz dieser Kräfte nahe genug an der Strukturfrequenz des Körpers liegt, beginnt der Körper zu schwingen und tritt in Resonanz mit dem Wind. Dies wird auch als wirbelinduzierte Schwingung (VIV) bezeichnet.

Dieses VIV-Phänomen wird im Bauwesen, in der Luftfahrt und in der Architektur in der Regel vermieden. Ganz im Gegenteil, die Turbinen von Vortex nutzen diese aerodynamischen Instabilitäten und Windturbulenzen optimal aus und fangen diese Energie ein.

Die Mastgeometrie von Vortex wurde speziell entwickelt, um maximale Leistung bei den durchschnittlich beobachteten Windgeschwindigkeiten zu erzielen. Er ist in der Lage, sich sehr schnell an Windrichtungsänderungen und turbulente Luftströmungen anzupassen, die in städtischen Umgebungen häufig zu beobachten sind. Die Störung der abwärts gerichteten Windströmung ist der Grund, warum reguläre Turbinen weit voneinander entfernt aufgestellt werden müssen. Dies gilt nicht für schaufellose Windturbinen, da alle mit dem »Nachlaufeffekt« verbundenen Beschränkungen vermieden werden. Darüber hinaus geht man davon aus, dass Vortex-Anlagen besser zusammenarbeiten und sich gegenseitig rückkoppeln, wenn sie einen angemessenen Freiraum um sich herum haben, der schätzungsweise die Hälfte der Gesamthöhe der Anlage beträgt. Bei normalen Windkraftanlagen beträgt dieser Freiraum in der Regel das Fünffache der Gesamthöhe der Anlage.

Die Frequenz der Wirbelablösung ist proportional zur Geschwindigkeit des Windstroms, aber jede Struktur hat ihre eigene Eigenschwingungsfrequenz. Um die Windfrequenzen mit der Eigenfrequenz eines Geräts in Einklang zu bringen, muss man unter anderem die Masse des Körpers (je mehr Masse, desto weniger Eigenfrequenz) und die Steifigkeit (je mehr Steifigkeit, desto höhere Frequenzen) ändern. Man bräuchte also komplexe Mechanismen, um die Eigenfrequenz des Geräts zu verändern.

Um dies zu vermeiden, verwendet das Vortex-Design stattdessen ein magnetisches Begrenzungssystem mit Dauermagneten, die die scheinbare Steifigkeit des Systems entsprechend dem Grad ihrer Biegung erhöhen. Der Grad der Biegung nimmt zu, je stärker der Wind wird. Sie nennen dies »Tuning-System«.

Das patentierte Selbstsynchronisationssystem von Vortex ermöglicht es, einen größeren Bereich von Windgeschwindigkeiten ohne Anstrengung zu erfassen, mit einem Cut-in-Punkt bei ca. 3 m/s (Startgeschwindigkeit). Es kann automatisch die Steifigkeit variieren und sich mit der eingehenden Windgeschwindigkeit »synchronisieren«, um ohne mechanische oder manuelle Eingriffe in Resonanz zu bleiben. Auf diese Weise vergrößert sich der Einrastbereich des Aerogenerators.

Die derzeitige Windturbinentechnologie muss sehr unterschiedliche Laststufen bei variablen Windgeschwindigkeiten unterstützen, was hohe mechanische Anforderungen an die übertragenden Komponenten wie Getriebe, Lager, Buchsen oder Bremsen stellt. Die zahlreichen beweglichen Teile unterliegen ständigem Verschleiß, was zu hohen Wartungskosten führt.

Bei schaufellosen Windturbinen entfallen mechanische Elemente, die durch Reibung verschleißen können, vollständig. Die wichtigsten Materialien, die für die Herstellung von Vortex-Turbinen verwendet werden, sind Kohlefaserpolymere, Kunststoffe, Stahl, Neodym und Kupfer. Die Betriebsgrenzen dieser Materialien sind weit von den Betriebsstandards von Vortex entfernt.

Vortex-Turbinen sollen eine »grünere« Alternative zur Windkraft sein. Auch wenn eine genauere Analyse der Kohlenstoffbilanz erforderlich ist, scheint die blattlose Windenergie aus ökologischer Sicht einige zusätzliche Vorteile zu bieten. Vortex-Windkraftanlagen ohne Rotorblätter sind vor allem eine Lösung für die dezentrale Energieerzeugung. Sie eignet sich perfekt für die Aufstellung in der Nähe eines Hauses oder auf dem Dach. Sie kann sowohl netzgebunden als auch netzunabhängig und als Teil einer hybriden Solaranlage plus Windenergieerzeugung betrieben werden.

Somit ist diese Technologie auch für die Privatnutzung sicherlich eine Alternative zu den Photovoltaik-Technologien.

Quelle und Bildmaterial: Vortex Bladeless