Windenergie Sandia Labs entwickeln Windkraftanlagen der Zukunft

Die meisten Windturbinen heutzutage haben einen Rotor mit einer waagerechten Achse. Forscher der Sandia Labs des US-Energieministeriums glauben aber, dass Turbinen mit einer senkrechten Achse für Windanlagen auf hoher See besser geeignet sind. Sie sollen ein entsprechendes Design entwickeln.

Geht es nach den Forschern der Sandia National Laboratories (Sandia Labs), sehen Offshore-Windkraftwerke künftig anders aus als bisher: Statt der heute üblichen Propeller könnten Vertikalrotoren (Vertical Axis Wind Turbine, VAWT) elektrische Energie aus Wind erzeugen.

Vertikale Achsen für Offshore-Anlagen

Die Rotoren mit der vertikalen Achse hätten einige Vorteile gegenüber denen mit einer horizontalen, erklären die Sandia-Forscher: Sie hätten einen niedrigeren Schwerpunkt, seien einfacher konstruiert und könnten besser skaliert werden. Wegen dieser Eigenschaften seien sie prädestiniert für Windkraftanlagen auf dem Meer. In einem auf fünf Jahre angelegten Projekt untersuchen die Sandia Labs, wie die Offshore-Windanlagen der Zukunft aussehen könnten.

Horizontal- und Vertikalrotoren im Vergleich (Bild: Sandia Labs)

"VAWTs sind wegen ihrer mechanischen Einfachheit elegant", erklärt Josh Paquette, einer der beiden Leiter des Projekts: Ein Vertikalrotor muss nicht nach dem Wind ausgerichtet werden. Deshalb fällt der Mechanismus zum Nachführen des Rotors weg, was das System weniger komplex macht. Da der Rotor sich um eine vertikale Achse dreht, also senkrecht steht, liegt sein Schwerpunkt deutlich niedriger. Damit wird das System stabiler - es kommt mit weniger Strukturen aus, die es halten.

Arbeiten an der Oberfläche

Getriebe und Generator befinden sich nahe der Wasseroberfläche. Entsprechend müssen die Techniker nicht mehr in luftige Höhen steigen, was die Wartung vereinfacht. Schließlich sollen sich die VAWTs auch größer bauen lassen als herkömmliche Rotoren. Zwar seien die Blätter der VAWTs größer und damit teurer. Ab einer gewissen Größe brauche jedoch eine Turbine mit horizontaler Achse einen so massiven Unterbau, dass die Kosten für Rotoren ausgeglichen würden, erklärten die Sandia-Forscher.

Bevor die VAWTs auf dem Meer aufgestellt werden, seien jedoch auch noch Schwierigkeiten zu beheben: Vielversprechend erscheint den Experten der Darrieus-Rotor mit zwei bogenförmigen Rotorblättern. Diese Bauform bedingt jedoch Drehmomentschwankungen, die den Antriebsstrang belasten. Im Rahmen ihres Projektes wollen die Wissenschaftler deshalb Designs entwickeln, die diese Schwankungen ausgleichen.

Luftbremse

Die zweite Schwierigkeit, die gelöst werden muss, ist das Stoppen des Rotors: Für VAWTs gibt es derzeit nur mechanische Bremsen - anders als bei den Rotoren mit der horizontalen Achse. Deren Rotorblätter sind drehbar gelagert und fungieren als aerodynamische Bremse, die den Rotor schnell stoppt. Ein vergleichbares System müsse auch für VAWTs entwickelt werden, sagt Matt Barone, der zweite Projektleiter.

In der ersten Projektphase soll ein Design für VAWTs entworfen werden. In der längeren zweiten Phase soll dieses in der Praxis getestet werden. Die Sandia Labs unterstehen dem US-Energieministerium.