Windtechnik der Zukunft

Das Konzept Windkraft ist noch recht jung, und die Industrie ist immer auf der Suche nach Möglichkeiten zur Effizienzverbesserung. Während Experten an der Optimierung bestehender Turbinendesigns arbeiten, um die Energiegewinnung zu maximieren, steht bei verschiedenen Innovationsträgern und Unternehmen die Entwicklung völlig neuer Formen der Windnutzung im Fokus.

Im Nationalen Laboratorium Risø bei Roskilde in Dänemark trifft sich das News from Vattenfall mit Kenneth Thomsen, Sektionsleiter des Fachbereichs Windenergie von Dänemarks Technischer Universität (DTU). Die Wände zieren Fotos von Windkraftanlagen der vergangenen Jahrzehnte – sie zeigen den Weg, den die Windkraft seit den 1970ern zurückgelegt hat. Sofort beginnt Thomsen, über Turbinen zu sprechen, und erklärt, dass Dänemark seine Führungsposition in der Windkraft politischer Unterstützung, erstklassiger Forschung und einer innovativen Industrie verdankt.

„In Dänemark wurde die Windkraft stärker durch Evolution als durch Revolution vorangebracht. Wir sind kleine Schritte gegangen und haben auf lokale Entwicklungen durch organisches Wachstum vom Dorfschmied bis zum heutigen Großhersteller von Windkraftanlagen gesetzt. Der Wachstumsschub kam, als der Markt bereit war“, resümiert Thomsen.

Multi-Rotor-Turbine

In Kooperation mit DTU Wind Energy testet der Windkraftanlagenhersteller Vestas im Testcenter von Risø gerade die technische Machbarkeit des Betriebs und der Steuerung einer Multi-Rotor-Turbine. Die Windkraftanlage besitzt vier Rotoren statt einem, jeder mit einem Durchmesser von 29 Metern, und ist auf zwei Armen montiert, die am selben Turm befestigt sind. Beide Arme können unabhängig voneinander im Wind agieren.

„Das Konzept ist aus der Theorie bekannt, doch in der Realität haben wir so eine Windkraftanlage noch nie gesehen. Wir müssen also noch viel lernen. Wenn vier Rotoren so nah beieinander liegen, beeinflusst das die Gesamtleistung und die der einzelnen Rotoren. Außerdem müssen wir in Erfahrung bringen, wie man vier Rotoren steuert. Die gewonnenen Daten werden Vestas und uns bei der Entwicklung zukünftiger Modelle helfen“, sagt Thomsen.

Die Testwindkraftanlage wurde im April dieses Jahres aufgestellt. Damit ist das Projekt noch relativ jung. Viele neue Last- und Steuerfunktionen müssen entwickelt, getestet und validiert werden, um die technische und wirtschaftliche Eignung des Konzepts bewerten zu können. Erst nach einer erfolgreichen Demonstration wird Vestas mehr über einen möglichen Einsatz der Technologie wissen. Schlussendlich muss eingeschätzt werden, ob und wie eine noch kosteneffizientere Windkraftanlage möglich ist.

„Der konkrete Business Case hat nicht zum Ziel, etwas zu entscheiden oder zu beurteilen. Wir stellen keine Produkte her. Wir liefern Kenntnisse für die Industrie, damit diese eine fundierte Entscheidung treffen kann“, erklärt Thomsen.

Jenseits vom Dreiblattrotor

Betrachtet man die innovativeren Zukunftstechnologien, die weltweit getestet werden, wird deutlich, dass es viele Möglichkeiten gibt, Windenergie zu generieren.

Doch nicht alle Prototypen sind kosteneffizient oder realisierbar. Thomsen steht Innovation positiv gegenüber und findet es gut, dass Leute über neuen, andersartigen Lösungen brüten. An der DTU nehmen sich die Mitarbeiter Zeit, um sich mit Erfindern zu treffen und Feedback zu innovativen und ungewöhnlichen Lösungen zu geben.

„Ich sehe das als unsere Verpflichtung gegenüber der Gesellschaft, da es nicht viele andere Instanzen gibt, an die man sich wenden kann. Wir versuchen, offen zu bleiben und uns nicht von der traditionellen Industrie beeinflussen zu lassen. Das macht uns zu einem Knotenpunkt für Erfinder. Und ja, ab und zu erreichen uns unrealistische Vorschläge, aber wir erhalten auch interessante und machbare Lösungen, die wir nach allen Kräften unterstützen. Einige dieser Lösungen leiten wir an die Industrie weiter, die sie dann umsetzt. Darüber freuen wir uns immer sehr“, meint Thomsen.

„Ich sehe die Zukunft der nachhaltigen Energieproduktion in einer Kombination aus mehreren Quellen wie Wind, Wasser und Sonne. Auch das Speichern von Energie wird wichtig. Jedenfalls ist noch viel Entwicklungsarbeit nötig, bevor wir nachhaltige Energiequellen optimal nutzen können“, fährt er fort.

„Ich glaube nicht, dass wir bei der Optimierung der aktuellen Technologie schon am Ende sind. Es gibt immer noch so viel zu untersuchen, etwa die Feinabstimmung von Rotorblättern, Sensoren und Instrumenten. Die dreiblättrige Windkraftanlage ist bestimmt noch nicht der Höhepunkt der Entwicklung.“

Aktuelle Prototypen, die mögliche Optionen für die Zukunft aufzeigen, beweisen, dass Thomsen nicht der Einzige ist, der an neuartigen, unkonventionellen Ansätzen interessiert ist. Einige Unternehmen erforschen technische Alternativen zur traditionellen Windkrafttechnik. Von fliegenden und schwimmenden Windkraftanlagen bis hin zu minimalistischen Modellen, die im Grunde nur große Stangen sind, werden viele Wege untersucht, um die effizientesten und produktivsten Möglichkeiten zur Windenergienutzung zu entwickeln. Unten sehen Sie einige Innovationen, die momentan im Testbetrieb sind.

Sind das die Technologien der Zukunft?

Vortex -Schaufellose Turbinen

Hier wird Windenergie durch schwingende zylindrische Stangen erzeugt – ohne Rotorblätter, Getriebe oder Lager. Weht der Wind daran vorbei, entsteht ein Strudel, der sie zum Vibrieren bringt. Diese Vibration wird genutzt, um in einem speziellen Generator Strom zu erzeugen. Um die Eignung der Technologie nachzuweisen, wurde sie verschiedenen Tests unterzogen. Aktuell führt das entwickelnde Unternehmen Feldversuche mit maßstabgetreuen Modellen durch.

Makani - Flugwindkraftanlagen


In diese Technologie investiert Google. Hierbei werden Windkraftanlagen in Flugdrachen integriert. Die Theorie dahinter ist, dass in höheren Lagen, wo mehr und stärkerer Wind weht, mehr Energie produziert werden kann. Kleine Rotoren, die als Propeller fungieren, heben den Drachen in die Luft. Dort fliegt er dann im Kreis und ähnelt so der Spitze einer normalen Turbinenschaufel. Die Rotoren „sammeln“ die Windkraft, und ein eingebauter Generator wandelt sie in Strom um, der dann zur Bodenstation übertragen wird. Der Drachen ist über Leiterdrähte um einen hochfesten Kern mit einer Bodenstation verbunden.

Altaeros - Flugwindkraftanlagen
 

Altaeros präsentiert sich als kosteneffiziente Innovation aus einer Tragfläche und einem modernen Flugsteuersystem. Bei Erfolg wird dies das weltweit erste autonome Aerostatsystem sein, das aus bis zu 600 Metern Höhe Strom und Telekommunikationsdienste bereitstellen kann. Da es in einer solchen Höhe viel und stetigen Wind gibt, können die Windkraftanlagen dort im Vergleich zu ähnlichen Technologien sehr viel mehr Energie erzeugen. Eine kontinuierliche Überwachung und Steuerung ist nicht notwendig, da die Windkraftanlagen autonom sind.

Hywind - Schwimmende Windkraftanlagen

 
Diese Technologie ist schon am Markt, hat aber noch riesiges Potenzial zur Weiterentwicklung. Das Hywind-Konzept in Norwegen ist die erste vollständig schwimmende Windkraftanlage der Welt. Bei Hywind ragt ein zylinderförmiger Schwimmkörper aus Stahl 100 Meter in die Tiefe und wird dort auf dem Meeresboden an drei Leinen verankert. 2017 will der norwegische Erdölkonzern Statoil, der in Hywind investiert, den ersten schwimmenden Windpark bauen. Entstehen soll der aus fünf Sechs-Megawatt-Anlagen bestehende Park vor der Küste Schottlands.

Deepwind - Schwimmende Windkraftanlagen

Ein langes vertikales Rohr, an dessen oberem Ende sich ein Rotor und am unteren ein Generator befindet, bildet den Kern dieser Technologie. Auch diese Windkraftanlage wird mit einem Stahlseil am Meeresboden fixiert. Die Technik hinter dem einfachen Aufbau ist äußerst komplex, und es ist sehr viel Forschungsarbeit notwendig, um technische Herausforderungen wie das dynamische Verhalten des Systems zu überwinden. Die vertikale schwimmende Windkraftanlage erzeugt Windenergie weit draußen auf dem Meer, wo es mehr Wind und eine größere offene Fläche gibt.