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Neue Bauweise: Dieses Windrad soll dreimal leiser sein - DER SPIEGEL - Wissenschaft

2020-09-19T13:40:43.275Z

Ein Schweizer Start-up baut in Nordrhein-Westfalen eine Windenergieanlage mit vertikalen Rotoren, die viele Vorteile haben soll. Kann die Innovation die Energiewende beschleunigen?


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Patrick Richter, Geschäftsführer "Agile Wind Power"
"Es ist ein besonderer Moment. Jetzt steht die Anlage endlich, nach langer, langer Zeit.”

Martin Jäschke, DER SPIEGEL
"Saubere Energie aus Windkraft findet ja eigentlich jeder erstmal gut - aber in der Nähe von Windkraftanlagen wohnen wollen viele dann lieber doch nicht.

Obwohl es strenge Grenzwerte gibt, klagen einige Anwohner über störende Geräusche, über Schattenwurf, der Stress verursacht – und häufig wollen Anwohner auch keine neuen Windkraftanlagen aus Sorge um Vögel oder Fledermäuse, die durch die Rotorblätter getötet werden könnten. Fast überall, wo es Windkraftanlagen gibt, gibt es auch Bürgerinitiativen dagegen.”

"Ein Start-up aus der Schweiz hat jetzt eine neue Windkraftanlage entwickelt, bei der die Rotorblätter vertikal ausgerichtet sind, und dabei sollen viele der Probleme deutlich kleiner sein. Hier, auf einem Testfeld für Windkraftanlagen in Frimmersdorf in der Nähe von Mönchengladbach, wird gerade der erste Prototyp dieser Anlage aufgestellt und in Betrieb genommen. Wir haben uns gefragt, ob diese vertikale Bauweise gegen den stockenden Ausbau der Windenergie in Deutschland helfen könnte.”

Die Anlage des Schweizer Start-ups ist ein sogenannter "Vertikalachser”. Das heißt, die Rotorachse ist senkrecht gebaut und auch die drei Rotorblätter sind senkrecht montiert. Bei den bekannten Windrädern liegt die Rotorachse horizontal – und muss mit den Rotorblättern immer gegen den Wind ausgerichtet werden, während der Vertikalachser immer richtig steht, egal aus welcher Richtung der Wind kommt.

Grundsätzlich gibt es die vertikale Bauweise schon lange, meist aber nur in deutlich kleinerem Maßstab, etwa auf Hausdächern. Vertikale Anlagen in größerem Maßstab wurden zwar auch schon in den Achtziger- und Neunzigerjahren gebaut, bislang ist es aber nicht gelungen, in dieser Größe langlebige Anlagen mit effizienter Stromerzeugung zu konstruieren. Der Firmengründer Patrick Richter aus der Nähe von Zürich will es jetzt geschafft haben. Nach zehn Jahren Entwicklungszeit steht jetzt ein Prototyp. Die Anlage mit dem Namen "Vertical Sky" ist insgesamt 105 Meter hoch und soll 750 Kilowatt Strom liefern. Zum Vergleich: moderne, gängige Windräder sind heutzutage meist eineinhalb bis zweimal so hoch und liefern die vier- bis fünffache Strommenge. 30 Millionen Euro Investorengelder hat das Projekt bis heute gekostet. Die ungewohnte Bauweise soll mehrere Vorteile haben: Die vertikale Ausrichtung der Rotorblätter soll laut der Firma unter Berufung auf Vogelexperten weniger gefährlich für Tiere sein, weil diese sie als Hindernis erkennen und ausweichen. Die geringere Höhe und langsamere Rotation soll deutlich weniger störende Schlagschatten erzeugen. Vor allem aber soll die Anlage im Betrieb viel weniger Geräusche verursachen, weil sich die Rotoren deutlich langsamer drehen.

Patrick Richter, Geschäftsführer "Agile Wind Power"
"Unsere Anlage ist hörbar dreimal leiser. Bei den konventionellen Anlagen versucht man, die Geräuschentwicklung zu senken um ein bis zwei Dezibel, was viel ist, weil es eine logarithmische Skala ist, und wir sind 15 Dezibel darunter - ohne Einbußen in Wirkungsgrad.”

Richters vertikale Windkraftanlagen könnten theoretisch deutlich näher an Wohngebieten stehen als herkömmliche Windräder. Laut Weltgesundheitsorganisation muss eine dauerhafte Beschallung unter 45 Dezibel liegen, da der Lärm sonst gesundheitsschädlich sein kann.

Patrick Richter, Geschäftsführer "Agile Wind Power"
"Um diesen Geräuschpegel zu erreichen, muss eine konventionelle Anlage in etwa 300 Meter in der Distanz sein. Und wenn wir das jetzt mit unserer Anlage vergleichen würden, könnte man um den gleichen Schalldruckpegel zu erreichen, die Anlage bereits nach 54 Metern aufstellen. Das ist natürlich nicht die Absicht, so nah an Gebäude heranzugehen. Aber das zeigt einfach, wie dramatisch näher man mit unserer Anlage gehen kann.”

Das könnte beim Ausbau der Windenergie in Deutschland helfen. 2019 betrug ihr Anteil an der Bruttostromerzeugung rund 21 Prozent, rund 30.000 Windkraftanlagen stehen bereits. 2019 lag der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung bei 43 Prozent. Bis 2030 will die Große Koalition diesen Anteil auf 65 Prozent steigern. Um dieses Ziel zu erreichen, müssten - neben anderen regenerativen Energiequellen - jedes Jahr an Land Windenergieanlagen mit einer Leistung von 4700 Megawatt installiert werden. Doch der Ausbau stockt: 2017 lag der Ausbau mit rund 5000 Megawatt noch im Plan. 2019 aber lag der Zuwachs nur noch bei weniger als 1000 Megawatt. Für das Start-up von Patrick Richter ist das eine Chance. Die Produktion der Einzelteile hat das Schweizer Unternehmen Anfang des Jahres nach Lemwerder bei Bremen verlagert – nahe bei vielen Zulieferern aus der Branche und mit einer guten Transport-Infrastruktur.

Patrick Richter, Geschäftsführer "Agile Wind Power"
"Im Moment arbeiten 15 Leute hier in der Fertigung, in der Schweiz sind wir noch im Engineering knapp zwanzig Leute. Hier prüfen wir mittels Ultraschall die Qualität der Fertigung unserer Rotorblätter. Das ist ganz entscheidend, dass da keine Lufteinschlüsse passieren. Das ist ja Glas- und Carbonfaser. Das ist das gleiche Material, wie man das kennt bei konventionellen Anlagen. Es ist auch eine gleiche Fertigungsweise. Was anders ist, ist die Zusammensetzung, die Belegung. Die Kräfte wirken auf unsere Rotorblätter komplett anders als bei konventionellen Anlagen.”

Die Kräfte, die eine solche Anlage aushalten muss, sind genau der Grund, weswegen die vertikale Bauweise bislang eher erfolglos blieb.

Patrick Richter, Geschäftsführer "Agile Wind Power"
"Vertikalachsen-Rotoren haben ein großes Problem: Dass sie relativ schnell drehen müssen, um zu verhindern, dass die Strömung an den Rotorblättern abreißt. Wenn man schnell dreht, gibt es aber hohe Zentrifugalkräfte und die Rotorblätter wollen sich dann nach außen sich biegen. Anders wäre es, wenn man langsam dreht. Aber wenn man langsam dreht, besteht die Gefahr, dass die Strömung an den einzelnen Rotorblättern abreißt. Deshalb haben wir eine Pitch-Einheit entwickelt – eine Recheneinheit, die ist in der Mitte der Nabe, und die steuert die Rotorblätter individuell. Jedes Rotorblatt richtet sich permanent optimal aus. Und das ist jetzt so das Schlüsselelement, der Türoffner, um erstmalig Anlagen in große Dimensionen dimensionieren zu können."

Hat Richters technisches Konzept Aussicht auf Erfolg? Das fragen wir Peter Dalhoff, der die Effizienz von Windenergieanlagen erforscht.

Peter Dalhoff, Windenergieforscher, HAW Hamburg
"Die Idee des zyklischen Pitchens, also der Blattverstellung über den Umlauf, die ist nicht neu. Nur, die eben auch gut umzusetzen, das ist die Herausforderung. Damit kann man mehr Ertrag generieren, man kann die Lasten reduzieren. Aber das gibt es nicht kostenlos. Das heißt, Sie müssen natürlich auch die Blattverstell-Systeme entsprechend einbauen. Und die müssen über 20, 30 Jahre, also während der Lebensdauer der Anlagen, möglichst wartungsarm oder noch besser wartungsfrei funktionieren.”

In einem eigenen Windpark führen die Wissenschaftler detaillierte Messungen zur Effizienz der Anlagen durch - also dazu, wieviel Energie sich aus dem Wind überhaupt maximal "ernten” lässt. Bislang gilt: Konventionelle Windräder haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad als Anlagen mit vertikalen Rotoren.

Peter Dalhoff, Windenergieforscher, HAW Hamburg
"Nun könnte vielleicht auch eine Anlage mit einem etwas schlechteren Wirkungsgrad, wenn sie denn deutlich günstiger gebaut werden kann, könnte sie dazu führen, dass man Stromgestehungskosten hat, die unterhalb derer der heutigen Anlagen liegen. Aber das ist eine verdammte Herausforderung.”

Derzeit wäre die Produktion einer Kilowattstunde Strom also noch teurer als bei großen, konventionellen Windkraftanlagen. Für Patrick Richter ist das aber im Moment noch zweitrangig.

Patrick Richter, Geschäftsführer "Agile Wind Power"
"Die Vorteile kommen vor allem in der Dezentralität zum Tragen. Dort ist der Business Case ein ganz anderer. Wir produzieren nicht Strom gegen eine Einspeisevergütung, sondern wir wollen wirklich eine Anwendung vor Ort mit Strom versorgen. Zum Beispiel für Kläranlagen, 24 Stunden, ebenso Kühlhäuser, Datacenter, alles Elemente, die irgendwo im besiedelten Umfeld sich befinden und die Menge Strom, die da produziert wird, die muss dann nicht vom Netz eingekauft werden.”

Überall dort, wo kein großer Windpark sinnvoll oder möglich ist, sieht Patrick Richter einen Platz für seine Anlagen. Sie ließen sich auch in schwer zugänglichen Gegenden errichten, da die Einzelteile deutlich kleiner sind. Langfristig kann sich Richter auch größere Varianten mit bis zu 4 Megawatt vorstellen. Der Prototyp produziert mit 750 Kilowatt noch vergleichsweise wenig Strom – etwa so viel wie herkömmliche Windräder an Land, wie sie noch vor fünf bis zehn Jahren gebaut wurden.

Peter Dalhoff, Windenergieforscher, HAW Hamburg
"Die Entwicklung im Onshore-Markt ist eben weitergegangen zu zwei, drei, vier, fünf Megawatt, sodass die großen Hersteller gar keine Anlagen mehr im Bereich 750 Kilowatt bis anderthalb Megawatt anbieten. Von daher würde diese Firma tatsächlich eine Lücke bedienen.”

Martin Jäschke, DER SPIEGEL
"Das Bundesland mit der strengsten Abstandsregel für Windräder ist Bayern: Dort gilt seit ungefähr sechs Jahren die sogenannte "10H-Regel”, und die besagt, dass der Abstand zur nächsten Wohnsiedlung mindestens das Zehnfache der Höhe der Windkraftanlage betragen muss. Moderne Anlagen sind oft um die 200 Meter hoch, und das heißt: 2 Kilometer Abstand. Seit ungefähr sechs Jahren steht auch der Windkraftausbau in Bayern quasi still. Eine Zeit lang hatte jetzt auch die Bundesregierung darüber diskutiert, einen pauschalen Abstand zu Wohnsiedlungen einzuführen. 1000 Meter waren da im Gespräch, um die Akzeptanz von Windparks weiter zu erhöhen. Damit wäre aber bundesweit kaum noch Platz für neue Windkraftanlagen geblieben. Vor kurzem hat sich jetzt die Große Koalition darauf geeinigt, dass diese Regel aber nicht verbindlich sein soll. Länder und Kommunen können also selbst entscheiden, ob die 1000 Meter bei ihnen gelten sollen, oder ob es auch weniger Abstand sein kann.”

Gut für Patrick Richter – aber noch lange keine Garantie dafür, dass seine vertikalen Windräder die Lücken näher an bewohnten Gebieten auch füllen können. Denn wenn es um die Akzeptanz von Windkraftanlagen geht, spielt nicht nur die objektiv messbare Geräuschemission eine Rolle, sagen Umweltpsychologen.

Gundula Hübner, Umweltpsychologin, Universität Halle-Wittenberg
"Die Vorstellung, man kann einfache Lösungen finden durch eine andere Gestaltung oder auch durch wenige Geräusche, reicht nicht aus, weil wir immer wieder sehen, dass viel entscheidender ist, tatsächlich auch bei der Frage, ob Menschen auch unter Geräuschen leiden oder nicht – denn manchmal leidet ein Nachbar und der andere eben nicht – das Entscheidende scheint hier der Planungsprozess zu sein. Und zwar, ob die Menschen mitgenommen worden sind, ob sie die Möglichkeiten haben, sich zu beteiligen. Das heißt auch mit zu beeinflussen, wie die Anlagen aufgestellt werden, ob sie auch Gewinne erleben von diesen Anlagen – zum Beispiel durch Beteiligungsmöglichkeiten für die Gemeinde – oder ob die Menschen vor Ort nur die Lasten tragen und die Gewinne gehen woanders hin.”

Bevor es um solche Fragen geht, muss sich aber erst einmal zeigen, ob die neue Bauweise technisch funktioniert. Der Prototyp muss sich auf dem Testfeld beweisen. In Kürze soll er sich erstmals drehen.

Patrick Richter, Geschäftsführer "Agile Wind Power"
"Da hat es eine Messanlage drauf, die Winddaten erfasst. Gleichzeitig ist unsere Anlage vollgespickt mit Sensorik und Messinstrumenten, die dann die ganzen Belastungen, die auf die Anlage einwirken, auf die verschiedenen Elemente, ausgemessen wird. Und da gibt es in der Steuerung dann noch einiges zu justieren, an der Software rumzuspielen, das kommt jetzt dann in den nächsten Wochen.”

Sollte die vertikale Windkraftanlage halten, was sie in der Theorie verspricht, plant Patrick Richter eine Weiterentwicklung und möglicherweise eine Serienproduktion ab 2022. Seine Firma, sagt er, bekomme schon jetzt Anfragen aus aller Welt.

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Source: spiegel

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