Wie erzeugt man mehr Energie mit dem Wind? Seit Jahren lautet die Antwort: Wir bauen die Türme einfach höher und die Rotoren größer, so fangen wir mehr Wind ein. Doch diese Entwicklung stößt auf zwei Probleme. Zumindest in bewohnten Gebieten haben die gigantischen Windanlagen zu einem massiven Rückgang der Akzeptanz durch die ansässige Bevölkerung geführt. Außerdem wachsen die statischen Probleme mit der Höhe. Die ganze Anlage ist höheren Belastungen ausgesetzt.
Vier Rotoren hintereinander
Wissenschaftler der Universität Aarhus in Dänemark und der Universität Durham in Großbritannien haben in einer Studie gezeigt, dass die bisherigen Windkraftwerke einen kapitalen Konstruktionsfehler haben. Sie setzen nämlich auf nur einen Rotor mit jeweils zwei oder drei Blättern. In einer Computersimulation zeigten die Forscher, dass Anlagen mit mehreren Rotoren hintereinander effektiver arbeiten.
Hauptgrund ist, dass Anlagen mit mehreren Rotoren eine geringere Turbulenz im Windschatten erzeugen. Hinter einem Rotor verwirbelt sich die Luft und erzeugt so eine Zone mit niedriger Windgeschwindigkeit. Diese Turbulenzen bremsen den Rotor, für ihn ist nicht nur wichtig, mit welcher Geschwindigkeit der Wind eintrifft, sondern auch, mit welcher er abfließt. "In unserer Studie haben wir festgestellt, dass sich Turbulenzen und Strömungen im Nachlauf der Turbinen bei Mehrrotorturbinen viel schneller erholen", so Mahdi Abkar, Assistenzprofessor an der Universität Aarhus. "Das bedeutet, dass bei Mehrrotoren eine zweite Anlage stromabwärts mehr Energie erzeugt und weniger belastet wird, weil die Turbulenz entsprechend geringer ist."
"Wir haben mehrere verschiedene Geometrien und Dynamiken von Mehrrotorturbinen untersucht und festgestellt, dass die optimale Konstruktion eine Turbine mit vier möglichst weit auseinander liegenden Rotoren ist." Letzteres führe zu weniger Turbulenzen stromabwärts und zu einer schnelleren Stabilisierung des Nachlaufs hinter den Windturbinen."
Billiger und effizienter
"Sie können Ihre Energieausbeute jederzeit erhöhen, indem Sie den Durchmesser der Rotorblätter vergrößern, aber es gibt große strukturelle Herausforderungen beim Bau dieser massiven Konstruktionen mit Durchmessern von mehr als 150 Metern. Der Materialbedarf steigt, der Transport der Bauwerke ist umständlich und teuer, und es wird teurer, die Windkraftanlagen zu warten", so Abkar. Bei gleicher Fläche der Rotoren wäre eine Anlage mit vier Rotoren hintereinander ungleich kompakter, sie würde etwa zwei Prozent mehr Strom erzeugen, das ist nicht viel aber auch ein Faktor bei einer Anlage, die deutlich kleiner ist. Entscheidender sind die um 15 Prozent geringeren Kosten beim Bau, hinzukommen Einsparungen beim Transport, dem Aufbau und der Wartung. Weiterer Nebeneffekt: Falls einer der Rotoren nicht mehr funktioniert, produziert der Rest der Turbine im Gegensatz zu gewöhnlichen Windturbinen immer noch Energie.
Weltweit ist Windkraft die regenerative Energie mit dem höchsten Potenzial. Zwar ist auch hier das Problem des Zwischenspeicherns nicht gelöst, aber Windenergie kann schon heute Strom zu marktfähigen Preisen liefern. Ein ähnliches Potenzial sieht man auch bei Wellen- und Gezeitenkraftwerken, doch im Vergleich zur Windkraft sind die Anlagen hier noch im Stadium von groß angelegten Feldversuchen.
Quelle: Researchgate
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