Was sind vertikale Windkraftanlagen und wie funktionieren sie?

Im Bild: LS Helix 3.0 Savonius vertikalen Windkraftanlagen.
Im Bild: LS Helix 3.0 Savonius vertikalen Windkraftanlage.

Vertikale Windkraftanlagen sind Windturbinen, deren Rotoren und Flügel sich um eine senkrechte Welle drehen. Die Stromerzeugung mit der Kraft des Windes läuft dabei wie bei horizontalen Anlagen ab: Die Luftströmungen versetzen den Rotor in Bewegung, der diese Umdrehungen wiederum an den Generator überträgt. Dieser wandelt die erzeugte mechanische Energie in Elektrizität um.


Vertikale Windkraftanlagen sind die älteste Art von Windturbinen

Heutzutage als Nischenprodukt angesehen, gilt die Funktionsweise der vertikalen Windkraftanlagen als das am längsten bekannte Prinzip zur Nutzung von Windenergie. Bereits die Perser im 7. Jahrhundert n. Chr. brachten es beim Mühlen und Pumpen zum Einsatz. 1887 konstruierte dann der schottische Elektroingenieur und Akademiker James Blyth eine der ersten überlieferten Windturbinen, die Strom produzieren konnte. Er verwendete dafür ebenfalls die vertikale Bauweise.


Zwei Designs, zwei Funktionsweisen

Die Besonderheit der Turbinen liegt in deren Vielfalt, die in den verschiedenen Designs der Flügel, Strukturen und Formen zum Ausdruck kommt. Diese bedingen die Funktionsweise der vertikalen Windkraftanlagen sowie deren Leistungsfähigkeit und Anwendungsbereiche. Die Maschinen besitzen demnach zahlreiche Farben und Formen, können aber technisch gesehen in eine der nachfolgenden zwei Gruppen eingeteilt werden:

Es gibt zwei Modelle von vertikale Windkraftanlagen: die Savonius Turbine und die Darrieus Turbine.
Es gibt zwei Modelle von vertikale Windkraftanlagen: die Savonius Turbine und die Darrieus Turbine. Wind Turbine Icons created by Lluisa Iborra from the Noun Project.


Turbinen im Savonius-Stil: Der Widerstandsläufer

Bei Windturbinen mit Savonius-Rotoren sind die Flügelsegmente wie eine Helix um einen vertikalen Schaft angeordnet, der deshalb auf den ersten Blick wie ein DNA-Strang oder eine Fusilli-Nudel wirkt. Eine breite, stabile Fläche, die der Windaufnahme dient, zählt zu den wesentlichen Merkmalen des Savonius-Stils.

Durch ihre Funktionsweise machen sich vertikale Windkraftanlagen nach der Savonius-Bauweise das Prinzip des Strömungswiderstands zunutze. Einfach gesagt versetzt der vehemente Druck des Windes auf die Flügeloberflächen den Rotor in Bewegung. Währenddessen spürt die entgegengesetzte Seite der Flügel den aerodynamischen Widerstand oder „Zug“ des Windes. Ein ähnliches Prinzip erlebt jeder Radfahrer oder Läufer: Es scheint, als existiere ein permanenter Gegenwind. Aus diesem Grund können sich Savonius-Turbinen nie schneller drehen als der Wind weht.


Die Darrieus-Bauweise: Der Auftriebsläufer

Klassische Darrieus-Windkraftanlagen zeichnen sich durch lange, gebogene Flügel aus, deren Enden jeweils an der Ober- und Unterseite des Rotors befestigt werden. Die Modelle erinnern deshalb an Schneebesen, wenngleich der eigentliche Name auf den französischen Erfinder Georges Darrieus zurückgeht. Turbinen im Darrieus-Stil können auch aus drei geradlinigen Flügelsegmenten bestehen, die wie ein „H“ parallel mit dem Schaft verbunden sind.

Ein Darrieus-Rotor nutzt die aerodynamische Kraft des Auftriebs zur Drehung der Flügel. Wenn Wind die Flügelprofile umströmt, wird an der Außenseite des Flügels ein Sog geschaffen, der den Rotor in Bewegung versetzt. Aufgrund ihrer speziellen Form erfahren die Turbinen damit weniger Widerstand als die der Savonius-Bauweise. Einmal in Bewegung kann die Geschwindigkeit eines Darrieus-Flügels ein Vielfaches der vorherrschenden Windgeschwindigkeit erreichen.


Die Unterschiede zwischen vertikalen und horizontalen Windkraftanlagen

Die Funktionsweise einer vertikalen Windkraftanlage ist für einen flächenmäßig konzentrierten Betrieb ausgelegt, der sich in der eigentlichen Größe der Turbinen widerspiegelt: Sie fallen deutlich kleiner aus als die horizontalen Anlagen. Dies führt zu einer ganzen Reihe an Vorteilen, wie die geringen Geräuschemissionen oder die hohe Turbulenzfestigkeit der Turbinen. Folglich sind Vertikalläufer ideal für die Stromerzeugung in bewohnten bzw. urbanen Gebieten sowie bei instabilem, böigem Wind.

Da vertikale Windkraftanlagen eine vergleichsweise niedrige Energieeffizienz und Leistungsabgabe besitzen, werden für gewöhnlich mehrere Turbinen zu einem Windpark kombiniert oder aber die Anlagen stellen nur eine von vielen Stromquellen vor Ort dar. Praktischerweise kann eine vertikale Windkraftanlage die erzeugte Elektrizität nämlich direkt in das lokale Stromnetz oder in einen gesonderten Energiespeicher einspeisen. Zudem werden vertikale Turbinen zur direkten Unterstützung der im Offshore-Bereich gelegenen Industrie eingesetzt.

In der Vergangenheit hat sich die Windindustrie hauptsächlich auf die Entwicklung und den Bau von horizontalen Windkraftanlagen konzentriert, da es sich dabei um die leistungsstärkeren Modelle handelt. Die Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen wurde in der Forschung entsprechend weniger berücksichtigt und gilt daher als unterentwickelt oder sogar experimentell.


Horizontal vs. Vertikal: Ein Team, nicht zwei Rivalen

Beim direkten Vergleich der Funktionsweisen von vertikalen Windkraftanlagen und denen der horizontalen Turbinen schneiden horizontale Windkraftanlagen eindeutig besser ab, was die Nennleistung und Energieeffizienz betrifft. Aber wieso sollten diese beiden unterschiedlichen Modelle überhaupt miteinander verglichen werden oder gar in direkter Konkurrenz stehen?

Als ein Unternehmen, das sich der Entwicklung von vertikalen Windkraftanlagen verschrieben hat, vertreten wir die Überzeugung, dass beide Arten von Windturbinen aufgrund ihrer völlig unterschiedlichen Einsatzbereiche problemlos zusammen auf dem Markt existieren können. Es gibt unzählige Szenarien, in denen horizontale Windkraftanlagen wunderbar funktionieren, aber auch ähnlich viele Situationen, in denen diese Turbinen wegen ihrer anspruchsvollen Montage oder den Belastungen für die Umwelt nicht geeignet bzw. strikt verboten sind.

Entsprechend erweisen sich vertikale Windkraftanlagen bei der Ortswahl als deutlich flexibler und weniger durch staatliche Vorschriften eingeschränkt. Deshalb eignen die Turbinen sich hervorragend als Alternative, wenn die Nutzung einer horizontalen Windkraftanlage unmöglich ist.

Als Befürworter von Windenergie und Nachhaltigkeit erscheint es LuvSide wichtiger, einen Weg für alle funktionalen Lösungsansätze zu schaffen, statt den Wettbewerb zu schüren, wenn sich der Ausbau der erneuerbaren Energien für unsere Gesellschaft doch als so essenziell erweist. Unter diesem Gesichtspunkt widmen wir uns wie viele Ingenieure weltweit mit unseren Ressourcen und unserem Fachwissen der Forschung, Entwicklung und Innovation vertikaler Windkraftanlagen.