Wackelstab statt Windrad?

Wackelstab-Park: So stellen sich die Erfinder eine Anlage mit Vortex-Bladeless-Masten vor. (Fotos: Vortex Bladeless)
Wackelstab-Park: So stellen sich die Erfinder eine Anlage mit Vortex-Bladeless-Masten vor. (Fotos: Vortex Bladeless)

Kennen Sie diese Fitness-Schwingstäbe, die man mit der Hand zum Rotieren bringt und mit denen der Körper angeblich Unmengen von Kalorien verbrennt? Falls ja, stellen Sie sich solch einen Wackelstab einmal mehrere Meter hoch vor, der zudem nicht durch Muskel-, sondern Windkraft angetrieben wird und auf diese Weise Energie erzeugt. Ein derartiger Schwingmast ist längst kein Gedankenspiel mehr. Spanische Ingenieure haben einen ersten Prototyp ihres sogenannten Vortex Bladeless entwickelt, mit dem sie mittels der Wirbelstärke grünen Strom produzieren wollen. Sie versprechen sich zudem Vorteile gegenüber konventionellen Windrädern: Die Stäbe oszillieren geräuschlos, Vögel geraten nicht in den Rotor und die Wackelmasten benötigen weniger Baumaterial. Experten für Windenergie zeigen sich allerdings skeptisch, was die Energieausbeute betrifft.

Die Tacoma-Narrows-Bridge war schon bei ihrer Eröffnung 1940 etwas Besonderes: Die Hängebrücke im US-Bundesstaat Washington besaß damals mit 853 Metern die weltweit drittgrößte Spannweite. Dieser Rekord währte allerdings nur vier Monate. Dann brachte ein Sturm der Windstärke 8 das Bauwerk zum Einsturz. Genauer gesagt, der Wind versetzte die Brücke derart in Schwingung, dass sie durch ihre Eigenbewegung immer mehr Energie aus dem Starkwind aufnahm und schließlich auseinanderriss.

Das Unglück, bei dem glücklicherweise niemand zu Schaden kam, weil die Brücke zuvor schon verdächtig gewackelt hatte und gesperrt worden war, hatten Ingenieure auf Film gebannt. Über 60 Jahre später brachte jener Clip den spanischen Ingenieur David Yánez Villarreal und seine Kollegen auf eine Idee: mithilfe der Wirbelstärke, die einst die Tacoma-Narrows-Bridge zerstörte, Strom zu erzeugen. Wirbelstärke entsteht, wenn Wind an den Seiten eines feststehenden Objekts vorübergleitet. Dabei werden Wirbelbewegungen erzeugt, deren Kräfte auf das Objekt einwirken und es in Schwingung bringen können.

"Wirbel ohne Rotor"

Um die kinetische Energie der Wirbelstärke nutzen zu können, entwarfen die spanischen Entwickler einen ungewöhnlichen Windkollektor - genannt Vortex Bladeless, was zu Deutsch so viel wie "Wirbel ohne Rotor" heißt. Die Anlage besteht aus einem konischen Glasfaser-Mast, der über einen Zapfen aus Kohlenstofffaser mit einem feststehenden Fußteil verbunden ist. Der Mast selbst kann auf dem Fußteil rotieren. Über einen einfachen Generator wird die Wackelbewegung dann in elektrische Energie umgesetzt.

Bislang hat das Team um Yánez vor allem Tests in Computersimulationen und Experimente im Windkanal durchgeführt. Einen ersten sechs Meter hohen Prototyp errichteten die Ingenieure nun auch nahe der Kleinstadt Gotarrendura in der Autonomen Provinz Kastilien-Léon. Geplant sind weitere Testinstallationen, die 13 und 150 Meter hoch sein sollen.

Doch die bisherigen Ergebnisse stimmen die Erfinder hoffnungsfroh. Ihr System zeige mehrere Vorteile gegenüber konventionellen Windrädern: Da die Anlage ohne Rotor auskommt, kämen keine Vögel oder Fledermäuse zu Schaden, ebenso würde der Stab geräuschlos vor sich hin wackeln. Allem voran sei der Vortex Bladeless um einiges kostengünstiger als ein Windrad- sowohl in der Herstellung als auch in der Wartung . "Der Turm und der Generator sind im Grunde ein- und dasselbe", so die spanischen Entwickler. "Das ermöglicht es uns, auf eine Gondel zu verzichten, auf Stützmaßnahmen und die Rotorblätter, die für gewöhnlich kostspielige Teile bei konventionellen Windgeneratoren darstellen."

Zudem müssten die Schwingmasten aufgrund ihrer geringen Höhe weniger tief fundamentiert werden. Die Ingenieure schätzen, dass sich mit ihrem Energiesystem etwas mehr als 50 Prozent an Herstellungs- und Betriebskosten einsparen ließen sowie um die 80 Prozent an Ausgaben für Wartungsarbeiten. Weil die Bauteile nicht so schnell ermüden würden wie bei Windrädern. "Die verschiedenen Windgeschwindigkeiten beanspruchen Teile wie Getriebe, Lager, Buchsen und Bremsen recht stark", erklären die Erfinder. Deshalb sei auch die Lebensdauer einer Vortex-Bladeless-Anlage im Vergleich zu einem Windrad viel höher: statt nur durchschnittlich 20 Jahre könnte ein Vortex Bladeless 32 bis 96 Jahre in Betrieb bleiben.

Weniger Kosten für weniger Energie

Der Wackelstab scheint das Zeug zu haben, den Windkraftmarkt zu revolutionieren. Aus diesem Grund dürfte das Projekt auch zahlreiche Unterstützer gefunden haben. Über Crowdfunding konnte das Entwicklerteam mehr als 70.000 US-Dollar sichern, "nur" 50.000 hatte man anfangs angepeilt. Von der spanischen Regierung und Privatinvestoren kamen noch eine Million US-Dollar hinzu.

Es regen sich allerdings auch Bedenken an dem Projekt. Andreas Reuter vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik etwa äußert sich skeptisch: "Letztendlich ist das Prinzip ähnlich einer konventionellen Windenergieanlage: Die kinetische Energie wird dem Wind entnommen und in elektrische Energie umgewandelt", erklärt der Wissenschaftler und fügt hinzu: "Beim Vortex Bladeless wird allerdings eine aufwändige Methode mit minimalstem Wirkungsgrad verwendet."

Auf ähnliche Kritik stößt der Wackelstab bei Carlo Bottasso, Windenergieexperte an der TU München. Auch er sieht beim Vortex Bladeless vor allem bei der Energieausbeute einen Nachteil gegenüber konventionellen Windrädern. "Die überstrichene Fläche, also der Bereich, den der Masten mit seinen Vibrationen abdeckt, ist viel kleiner als bei einer normalen Windkraftanlage. Aus diesem Grund dürfte auch der Energie-Output geringer sein."

Grundsätzlich lässt sich das Ausmaß der Energieausbeute anhand des Betzschen Gesetzes ermitteln. Das besagt, dass ein Windkraftwerk nie mehr als 59 Prozent Leistung aus dem Wind gewinnen kann - aufgrund diverser Reibungsverluste. Davon leiten Physiker den Betzschen Leistungsbeiwert ab, also die eigentliche Leistung einer Windkraftanlage. Moderne Windräder erreichen zwischen 70 und 85 Prozent des Betzschen Leistungsbeiwerts. Beim Vortex Bladeless beläuft sich der Wert laut Yánez und Kollegen auf 40 Prozent und fällt damit deutlich geringer aus. Die spanischen Ingenieure fügen zudem hinzu: "Vorläufige Tests haben gezeigt, dass die elektrische Umwandlung ungefähr 70 bis 85 Prozent von dem erreicht, was ein konventioneller Rotor erzeugt." Das heißt ein Wackelstab erzeugt auch weniger Strom als ein Windrad.

Vielversprechende Idee, aber keine genauen Daten

Die geringere Leistungs- und Energieausbeute könnte allerdings wettgemacht werden: Denn anders als die bekannten Windradtürme ließen sich die Wackelstäbe enger zueinander stellen - also mehr Vortex-Anlagen als Windräder auf derselben Fläche aufrichten. Auch das geräuschlose Oszillieren und die verminderte Gefahr, dass Vögel im Rotor zugrunde gehen, machen das System attraktiv - sofern sich die Bevölkerung an vibrierende Stäbe in der Landschaft gewöhnen kann. "Obwohl der Mensch schon rotierende Objekte nicht mag - etwa wegen des Flimmereffekts, der den Lichteinfall verändert, wenn sich Rotorblätter bewegen -, denke ich, dass die Bevölkerung vielleicht große oszillierende Masten noch mehr ablehnen wird", vermutet Carlo Bottasso.

Für ihn ist der Vortex Bladeless dennoch eine vielversprechende neue Idee auf dem Markt der erneuerbaren Energien. "Sie ist es wert, weiter erforscht zu werden", so Bottasso. Dafür fordert der Wissenschaftler aber auch, dass die Entwickler ihre bisherigen Ergebnisse veröffentlichen und der Forschergemeinschaft zugänglich machen. Erst wenn genaue Daten bekannt seien, könne man verfizieren, ob die Idee auch zukunftsträchtig sei.

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