Energie: "Schwarmintelligenz" macht Windräder effizienter
© Caltech (Ausschnitt)
Die Windkraft gehört mittlerweile zu den effizientesten Formen alternativer Energieerzeugung, ihr Preis pro Kilowattstunde könnte bald schon mit jenen aus konventionellen Kraftwerken konkurrieren. Derartige Windparks benötigen jedoch verhältnismäßig viel Platz. Außerdem gefährden ihre Rotoren Vögel ebenso wie Fledermäuse und belästigen Anwohner durch fliegende Schatten oder Geräusche. Robert Whittlesey vom California Institute of Technology in Pasadena und seine Kollegen wollen diese Probleme nun umgehen, indem sie Windparks zukünftig nach dem Vorbild von Fischschwärmen aufbauen. Gleichzeitig machen sie die Anlagen noch effizienter – mehr Strom wird auf einer kleineren Fläche produziert, wie sie nun auf einer Testanlage demonstrieren konnten.
Als Vorbild dienten den Ingenieuren große Fischschwärme, wie sie Heringe oder Sardinen bilden. Die Individuen ordnen sich darin so ein, dass sie mit möglichst geringen Reibungsverlusten ihren Vortrieb optimieren. Während sie schwimmen, erzeugen die Tiere Wirbel, die hinter ihnen befindliche Artgenossen – bei entsprechend optimalem Abstand – nutzen, um sich ein wenig vorwärts ziehen zu lassen. Whittleseys Team ordnete daher die einzelnen Windräder in seiner Anlage jeweils paarweise in relativ engem Abstand zueinander an, so dass jedes Paar seinen Nachbarn etwas Luft zufächelt und nur wenig Energie durch auftretende Turbulenzen verloren geht.
Dieses System funktioniert allerdings nicht mit dem üblichen propellerartigen horizontalen Rotorendesign. Stattdessen kreisen die Rotoren mittels vertikaler Drehachsen waagerecht um den Turm – was sie eigentlich weniger effizient macht, da der von der Seite eintreffende Wind nur ein Viertel des sich parallel zum Boden drehenden Rotors berührt. Bei Standardwindrädern beträgt dieser Anteil dagegen 50 Prozent. Diesen Nachteil gleichen die Alternativmodelle allerdings aus, indem sie turbulente Winde aus verschiedensten Richtungen nutzen können. Außerdem benötigen sie deutlich geringere Sicherheitsabstände untereinander.
Auf diese Weise konnten Whittlesey und Co die Leistung ihrer Anlage auf 20 bis 30 Watt pro Quadratmeter Fläche steigern – das Zehnfache der Ausbeute herkömmlicher Windfarmen. In ihrem Test lieferten die Turbinen in der fünften Reihe noch 95 Prozent der Leistung von Turbinen an der Windfront: Es traten also kaum Reibungsverluste auf.
Neben dem sinkenden Flächenbedarf besitzen Windräder mit vertikalen Drehachsen außerdem noch weitere Vorteile: Sie können bereits an kleinere Türme befestigt werden und benötigen keine 100 Meter hohen Masten wie die gängigen Rotoren. Dadurch sind sie optisch weniger auffällig, passen sich eher ins Landschaftsbild ein und stellen überdies ein geringeres Risiko für Großvögel dar, die immer wieder mit den Rotorblättern kollidieren. Die Rotoren mit vertikalen Drehachsen und ihre Stützen müssen allerdings enormen Fliehkräften und Vibrationen standhalten, was ihren Alltagseinsatz bislang noch einschränkt. (dl)
Als Vorbild dienten den Ingenieuren große Fischschwärme, wie sie Heringe oder Sardinen bilden. Die Individuen ordnen sich darin so ein, dass sie mit möglichst geringen Reibungsverlusten ihren Vortrieb optimieren. Während sie schwimmen, erzeugen die Tiere Wirbel, die hinter ihnen befindliche Artgenossen – bei entsprechend optimalem Abstand – nutzen, um sich ein wenig vorwärts ziehen zu lassen. Whittleseys Team ordnete daher die einzelnen Windräder in seiner Anlage jeweils paarweise in relativ engem Abstand zueinander an, so dass jedes Paar seinen Nachbarn etwas Luft zufächelt und nur wenig Energie durch auftretende Turbulenzen verloren geht.
Dieses System funktioniert allerdings nicht mit dem üblichen propellerartigen horizontalen Rotorendesign. Stattdessen kreisen die Rotoren mittels vertikaler Drehachsen waagerecht um den Turm – was sie eigentlich weniger effizient macht, da der von der Seite eintreffende Wind nur ein Viertel des sich parallel zum Boden drehenden Rotors berührt. Bei Standardwindrädern beträgt dieser Anteil dagegen 50 Prozent. Diesen Nachteil gleichen die Alternativmodelle allerdings aus, indem sie turbulente Winde aus verschiedensten Richtungen nutzen können. Außerdem benötigen sie deutlich geringere Sicherheitsabstände untereinander.
Auf diese Weise konnten Whittlesey und Co die Leistung ihrer Anlage auf 20 bis 30 Watt pro Quadratmeter Fläche steigern – das Zehnfache der Ausbeute herkömmlicher Windfarmen. In ihrem Test lieferten die Turbinen in der fünften Reihe noch 95 Prozent der Leistung von Turbinen an der Windfront: Es traten also kaum Reibungsverluste auf.
Neben dem sinkenden Flächenbedarf besitzen Windräder mit vertikalen Drehachsen außerdem noch weitere Vorteile: Sie können bereits an kleinere Türme befestigt werden und benötigen keine 100 Meter hohen Masten wie die gängigen Rotoren. Dadurch sind sie optisch weniger auffällig, passen sich eher ins Landschaftsbild ein und stellen überdies ein geringeres Risiko für Großvögel dar, die immer wieder mit den Rotorblättern kollidieren. Die Rotoren mit vertikalen Drehachsen und ihre Stützen müssen allerdings enormen Fliehkräften und Vibrationen standhalten, was ihren Alltagseinsatz bislang noch einschränkt. (dl)
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