Link verschicken   Drucken
 

Alternative Technologien zur Windkraftnutzung

Zusammenfassung:

  1. Die Nachteile der Windkraftanlagen mit horizontaler Achse (HAWT), die zu einer breiten Ablehnung der Windkraftnutzung in der Bevölkerung führen, werden bei Windkraftanlagen mit vertikaler Achse (VAWT) weitestgehend vermieden.

  2. Forschungen in Kalifornien belegen, dass mit einer bestimmten Art einer VAWT aus einem Windeignungsgebiet ein um den Faktor 10 höherer Ertrag erzielt werden kann.

  3. Sofern die Leistungskennlinien einiger untersuchter VAWT nicht Fälschungen sind, ist mit Einzelanlagen von VAWT geeigneter Bauart ein bis zum Faktor 3 höherer Ertrag möglich. Das widerspricht der Lehrmeinung der Aerodynamik (dem Betzschen Gesetz), nach der auch eine Hummel nicht fliegen kann. Ob die Kennlinien eine Fälschung sind oder das Betzsche Gesetz die Realität nur unvollständig abbildet, könnte mit einer einfachen, preiswerten und üblichen Messung ermittelt werden.

  4. Aufgrund der einfacheren Konstruktion von VAWT (nur eine Achse) lassen sich die spezifischen Produktionskosten von Windkraftanlagen drastisch senken.

  5. Es ist völlig fragwürdig bzw. unverständlich, warum das mögliche sehr hohe Potential, welches in der Technologie mit VAWT steckt, in Deutschland ignoriert und nicht geprüft wird.

  6. Wer sich für die aufgezeigte Thematik ernsthaft interessiert, kann natürlich weitergehende Informationen erhalten.

 

Im Detail:

Die Windkraftnutzung wird durch die Standardtechnologie – dreiflügelig mit horizontaler Achse (HAWT) – dominiert. Sie besitzt folgende Nachteile:

  1. Eingriff in das Landschaftsbild

  2. Gefährdung der fliegenden Fauna (Vögel und Fledermäuse)

  3. Schallemissionen; insbesondere Infraschall

  4. Optische Beeinträchtigung (Stroboskopeffekt)

 

Durch diese Nachteile, verstärkt durch fehlende Maßnahmen der Politik, diese Nachteile für die betroffenen Bürger durch finanzielle Vorteile auszugleichen, ist die Akzeptanz der Windkraftnutzung in der Bevölkerung auf einen Tiefstand gesunken. Die Frage ist nun, welche alternativen Technologien es gibt.

Das sind:

  1. Die Flugdrachentechnik (Kite-Technologie),

  2. Windkraftanlagen mit vertikaler Achse (VAWT) und

  3. Windkraftanlagen, bei denen die Flügel nicht sichtbar sind.

 

Die Flugdrachentechnik ist eine ausgereifte Technologie, die z.B. bei großen Schiffen (Tanker, Containerschiffen) genutzt wird, um Treibstoff zu sparen. Da nur durch leichte kaum sichtbare Flügel in großer Höhe die Windenergie genutzt wird, ist die Beeinträchtigung des Landschafts-bildes nicht signifikant und die Gestehungskosten für die Energie sind sehr gering. Im Ausland wird an dieser Technologie intensiv geforscht und in Deutschland (Berlin) wurde sie zur Anwendungsreife entwickelt, wird aber nicht angewandt.

Der Nachteil besteht einmal darin, dass freie Flächen (ohne Gebäude oder Bäume) benötigt werden und sich deshalb der Off-Shore-Bereich oder Steppen besonders anbieten. Zum anderen sind die Investitionen erheblich, so dass kleine Gemeinden oder einzelne Gehöfte als Anwender praktisch nicht in Frage kommen. Deshalb wird in diesem Artikel auf diese interessante und Erfolg versprechende Technologie nicht weiter eingegangen.

 

Windkraftanlagen, bei denen die Flügel nicht sichtbar sind und deshalb Anwohner oder die Fauna praktisch nicht beeinträchtigen sind z.B.:

  • Scheunenwindmühlen,

  • Anlagen auf der Basis der Kaminwirkung in oder an Gebäuden und

  • Anlagen, die die Trichter oder Ablenkwirkung von Gebäuden/ Bauwerken nutzen.

 

Zu letzteren gehören z.B. die Schwachwind-Strömungsturbinen, die insbesondere auf Dächern zur Anwendung kommen könnten.

 

Leider unterbindet der Gesetzgeber (mindestens in Berlin und Brandenburg) die Nutzung dieser Technologien in ihrem natürlichen Hauptanwendungsgebiet, in Städten und Gemeinden. Es wird formuliert: In reinen Wohngebieten ist der Einsatz von Windkraftanlagen ausgeschlossen. Sinnvoll wäre dagegen eine Formulierung, dass solche Vorhaben eine Einzelfallprüfung erfordern und die Akzeptanz durch die betroffenen Bürger Voraussetzung ist. Weshalb eine solche Formulierung nicht gewählt wurde, ist fragwürdig.

 

Im Folgenden wird nur noch auf Windkraftanlagen mit vertikaler Achse (VAWT) eingegangen.

 

VAWT haben folgende Vorteile gegenüber einer HAWT:

  1. Eine Gefährdung der Fauna ist ausgeschlossen.

Die Flügel bilden einen Rotationskörper, den Vögel und Fledermäuse erkennen und instinktiv meiden. Ein Durchfliegen dieses Rotationskörpers wird nicht erfolgen (außer bei Windstille). Weiterhin können die Flügel niemals eine höhere Geschwindigkeit erreichen als die Windgeschwindigkeit. Dagegen erreichen die Flügelspitzen von HAWT nahezu die Schallgeschwindigkeit.

  1. Die Schallemissionen sind minimal; Infraschall tritt nicht auf.

  2. Die optische Belästigung (Stroboskopeffekt) ist minimal.

  3. Eine Nachführung der Anlage bei Änderung der Windrichtung ist nicht erforderlich. Dadurch ergibt sich eine wesentlich einfachere Konstruktion (nur eine Drehachse), die geringere Produktionskosten bedingt (vorausgesetzt gleiche Stückzahlen bei der Produktion).

  4. Da Wirbel und Windböen ausgenutzt werden können, erreicht man auch mit relativ geringer Anlagenhöhe einen akzeptablen Ertrag. Dadurch kann im Gegensatz zu HAWT, die laminare Windströmung erfordern, der Eingriff in das Landschaftsbild minimiert werden.

  5. Wie Forschungsergebnisse in Kalifornien zeigen, lässt sich mit VAWT aus einem Windeignungsgebiet ein um den Faktor 10! höherer Ertrag erreichen.

Alternativ wurde dort nachgewiesen, dass mit einer Anlagenhöhe von nur 10 m mit VAWT ein um 30% höherer Ertrag als mit HAWT bei 150 m Anlagenhöhe zu erzielen ist. Was für ein Unterschied bezüglich des Eingriffs in das Landschaftsbild!

  1. Das in der Regel schwerste Bauteil einer Windkraftanlage, der Generator, muss nicht in einer Gondel auf der Mastspitze untergebracht werden, sondern kann sich (deutlich) unterhalb der Flügel befinden. Dadurch kann der Mast kostengünstiger erstellt werden.

  2. Es ist prinzipiell eine Mehrfachnutzung des Mastes z.B. zusätzlich als Funkmast möglich, da wegen des Wegfalls einer Gondel die Anbringung von Einrichtungen über den Flügeln möglich ist.

  3. Bei der Nutzung der Windkraft über Waldflächen muss nur ein Bruchteil an Bäumen gerodet werden.

Das ergibt sich daraus, dass keine Gondel auf der Spitze des Mastes erforderlich ist.

Anmerkung: Zur Montage der VAWT kann ein analoges Verfahren genutzt werden wie bei der Errichtung eines Hochhauses in einer Stadt. Dort kann man nicht zusätzlich zum Baugrund etwa 1 ha bestehender Gebäude abreißen, um einen Kran aufstellen zu können, und Straßenkreuzungen verbreitern, um lange Bauteile antransportieren zu können.

 

Fazit Nr. 1:

Da nachgewiesen wurde, dass mit VAWT ein höherer Ertrag aus einem Windeignungsgebiet trotz drastisch reduzierter Anlagenhöhe erzielt werden kann und sich damit der Eingriff in das Landschaftsbild ohne Ertragseinbußen praktisch vermeiden lässt, besitzen VAWT (geeigneter Bauart) nur Vorteile gegenüber HAWT.

 

Wie verhält sich nun der mögliche Ertrag bei einer Einzelanlage?

 

a. Eine qualitative Aussage zum Ertrag einer Windkraftanlage ist auf einfache Weise durch den Vergleich der Leistungskennlinien verschiedener Windkraftanlagen möglich. Dazu sind keine Spezialkenntnisse sondern nur der gesunde Menschenverstand und eine Grundschulausbildung erforderlich.

Die Leistungskennlinie, die Funktion der Leistung einer Anlage (Ordinate) in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit (Abszisse), ist in der Regel S-förmig. Sie beginnt ab einer Mindestwindstärke, steigt an und bleibt konstant ab einem Maximalwert der Leistung.

Zum Vergleich verschiedener Anlagen muss man die Leistungskennlinien normieren, indem man als Ordinate z.B. den Promillewert der Leistung bezogen auf den Maximalwert wählt und einen einheitlichen Wert (z.B. m/s) für die Abszisse festlegt.

Legt man nun die normierten Leistungskennlinien übereinander (trägt die Werte in ein gleiches Koordinatensystem ein), so lässt sich auf einfachste Weise eine qualitative Aussage treffen.

Die Anlagenvariante, dessen (normierte) Leistungskennlinie sich links (bei niedrigerer Windgeschwindigkeit) befindet, bringt logischerweise höhere Erträge.

b. Eine quantitative Aussage lässt sich nur in Verbindung mit den Windverhältnissen am Einsatzort der Anlagen treffen.

Dazu benötigt man die Weibull-Verteilung der Windgeschwindigkeit am Einsatzort. [Diese Funktion hat die Form einer asymmetrischen Glocke. Ihr Maximum verschiebt sich logischerweise mit zunehmender Anlagenhöhe oder zu windigen Gegenden (Küste statt Inland) nach rechts (zu höheren Windgeschwindigkeiten).]

Bildet man das Integral über das Produkt der Funktionen 1. der Häufigkeitsverteilung des Windes und 2. der Leistungskennlinie der jeweiligen Anlage erhält man ihre Durchschnittsleistung (in Watt).

[Das klingt kompliziert. Teilt man die beiden Funktionen in diskrete Einzelwerte auf, kann man mit hinreichender Genauigkeit die Durchschnittsleistung als Summe der Produkte der Einzelwerte ermitteln. Eine simple Aufgabe für ein Tabellenkalkulationsprogramm.]

Multipliziert man nun die Durchschnittsleistung der Anlage mit der Anzahl der Stunden im Jahr (8.760; geteilt durch 1000) erhält man den wahrscheinlichen Jahresertrag der Anlage in kWh. Den Jahresertrag kann man dann in Relation zur Maximalleistung, zum Rotordurchmesser, zur Rotorfläche oder zu den Anschaffungskosten setzen, um die entsprechenden Vergleiche durchzuführen.

 

Folgende verschiedene 6 Windkraftanlagen wurden in Relation zu ihrer Maximalleistung miteinander verglichen:

  • eine Kleinwindanlage HAWT,

  • eine große HAWT (2 MW Nennleistung) und

  • 4 Kleinwindanlagen VAWT verschiedener Bauarten.

 

Dabei wurden folgende Ergebnisse für Windverhältnisse im Inland in 10m Höhe ermittelt:

 

1. Die große HAWT erzielt gegenüber der Kleinwindanlage HAWT einen deutlich (34%) größeren Ertrag. Das war zu erwarten, da in der großen Anlage ein wesentlich höherer Entwicklungsaufwand und eine bessere Steuerung (verstellbare Flügel) stecken.

2. Bei den 4 VAWT ergab sich im Vergleich zur HAWT-Kleinwindanlage folgendes:

  1. ein signifikant niedrigerer Ertrag (nur 51 %) [Darrieus-Rotor],

  2. ein praktisch identischer Ertrag (103%) [Kombination von Savonius- und Darrieus-Rotor],

  3. ein doppelter Ertrag (209%) [Savonius-Rotor] und

  4. ein dreifacher Ertrag (324%) [eine andere Kombination von Savonius- und Darrieus-Rotor].

Dabei ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass VAWT Wirbel und Windböen ausnutzen können und dadurch ein Vergleich in der Praxis günstigere Ergebnisse für die VAWT erwarten lässt.

 

Bei höheren Windgeschwindigkeiten (Deutsche Bucht) ergab der Vergleich erwartungsgemäß:

3. Die relativen Unterschiede reduzieren sich, die qualitativen Unterschiede werden dadurch logischerweise nicht verändert.

 

Die Ergebnisse entsprechend 2. b. – d. (und analog die zu 3.) widersprechen den Gesetzen der Aerodynamik (Betzsche Gesetz), wonach eine VAWT stets eine niedrigere Leistung erbringt, als eine HAWT!!

 

Fazit Nr. 2:

Sofern die Leistungskennlinien aller untersuchten vorteilhaften Anlagen nicht gefälscht sind, kann mit geeigneten VAWT-Einzelanlagen ein wesentlich höherer Ertrag erzielt werden, als mit HAWT-Einzelanlagen.

 

Fazit Nr. 3:

Aufgrund der einfacheren Konstruktion von VAWT (nur eine Achse) lassen sich die spezifischen Produktionskosten von Windkraftanlagen drastisch senken.

Interessant ist, dass die Anlage mit dem zu erwartenden höchsten Ertrag am kostengünstigsten angeboten wird (ca. 330,- € je kW Maximalleistung) und damit die Konsequenz aus einer einfacheren Konstruktion bewiesen wird.

 

Das Ignorieren des Potentials der VAWT durch Produzenten und den verschiedenen Anwendern von Windkraftanlagen, Experten, Wissenschaftlern, Verwaltungen, Politik als auch Windkraftgegnern ist völlig unverständlich. Oftmals wurden sie auf dieses Potential hingewiesen.

 

Das Ignorieren des Potentials, welches in VAWT steckt, ist zu überdenken, zumal deutlich höhere Gewinnmargen möglich wären.

 

Fazit Nr. 4:

Es ist völlig fragwürdig bzw. unverständlich, warum das mögliche sehr hohe Potential, welches in der Technologie mit VAWT steckt, in Deutschland ignoriert und nicht überprüft wird.

 

Fazit Nr. 5:

Wer sich für die aufgezeigte Thematik ernsthaft interessiert, kann natürlich weitergehende Informationen erhalten.

Insbesondere

  • um welche konkrete Windkraftanlagen es sich handelt,

  • Links zu deren Leistungskennlinien,

  • Graphische Darstellung der normierten Leistungskennlinien,

  • die WeibullVerteilung der betrachteten Windverhältnisse,

  • die Kalkulationstabelle mit der der quantitative Vergleich berechnet wurde und

  • bei einem berechtigten Interesse, wer, wann und wie über den Sachverhalt informiert wurde.

 

Bei Interesse Anfragen bitte an den Bioenergiedorf-Coaching Brandenburg e.V. richten, der diese selbstverständlich an den Autor weiterleiten wird.

Brunow, Februar 2017