Vertikale Rotoren im Aufwind

Bislang nur im Kleinformat rentabel

Dieses Ausrichten zur Windströmung ist bei vertikalen Windturbinen nicht erforderlich. Unabhängig von der Windrichtung drehen sich die drei senkrecht stehenden Rotorblätter horizontal im Kreis um die vertikale Antriebsachse, mit der sie mittels Rotorarmen verbunden sind. Die Krux dabei: Egal, woher der Wind bläst, die Rotorblätter weisen nur in dem Halbkreis, der direkt vom Wind angeströmt wird, einen mehr oder weniger günstigen Anströmwinkel auf. Trotzdem kreisen sie, da sich immer ein Rotorblatt im Aufwind des windgünstigen Halbkreises bewegt. Unterstützt wird das noch durch die Luft, die den Rotorblättern während des Drehens entgegenströmt. Allerdings resultiert daraus keine optimale Nutzung des Luftstroms – und das ist ein Grund, weshalb vertikale Windräder bislang recht unrentabel und daher nur im Kleinformat im Einsatz waren.

Ein Exemplar davon stand im Garten, von Maschinenbauingenieur Karl Bahnmüller, dem Schwiegervater von Agile-Windpower-Chef Patrick Richter. Es diente dazu, den elektrischen Strom für die Pumpen einer künstlichen Wasserlandschaft zu liefern. Aus Neugier testeten Bahnmüller und Richter größere Modelle in einem Windkanal – und vor 15 Jahren machten sie sich daran, ein fundamentales Problem zu lösen, das dem Bau kommerziell konkurrenzfähiger vertikaler Windturbinen im Großformat entgegenstand.

Dieses Problem war Richter als Privatpilot ein Begriff. Es handelt sich um den plötzlichen Strömungsabriss, der Piloten mitunter den kalten Schweiß auf die Stirn treibt. Das Phänomen tritt auf, wenn der Flugzeugführer die Maschine zu abrupt steigen lässt, indem er die Tragfläche in einen zu steilen Anstellwinkel bringt. Die Folge ist, dass der Luftstrom beidseitig nicht mehr die Tragfläche umfließt, sondern auf der Oberkante abreißt und in einen unkontrollierbaren Wirbel übergeht. Dieser Abriss, im Fachjargon auch Stall genannt, lässt die Maschine jäh in einen Sinkflug absacken.

Schnelle Drehung ist gefordert

Das geschieht auch bei einer vertikalen Windkraftanlage. Jedes ihrer drei Rotorblätter erfährt pro Drehung einen solchen Abrissmoment, und zwar wenn sich das Rotorblatt im ersten Halbkreis aus der windgünstigen Position gedreht hat und darauf im Abwind in die Abrissphase des Wirbels gerät. Damit der Abriss gering bleibt und die Rotation möglichst wenig behindert, müssen vertikale Turbinen eine beachtliche Drehzahl erreichen. „Damit sie überhaupt funktionieren, müssen sie sich schnell drehen“, sagt Richter. Am meisten Leistung bringen sie, wenn sie sich vier bis fünf Mal so schnell wie die Windgeschwindigkeit drehen. „So wird verhindert, dass ein radikaler Stromabriss eintritt, der den Rotor zum Stehen bringen kann“, erklärt Richter.

Allerdings: Eine so rasche Rotation brächte ein weiteres Problem mit sich. Würden sich die 15 Tonnen schweren Rotorblattstränge mit der fünffachen Windgeschwindigkeit drehen, wären sie einer Fliehkraft ausgesetzt, der sie kaum standhalten könnten. Zusätzlich angebrachte Verstärkerarme wiederum würden den Luftstrom beeinträchtigen und zu einem größeren Luftwiderstand führen. Die Folge wäre ein schlechterer Wirkungsgrad.

Der Trick mit dem Pitch

„Das brachte uns auf die Idee, die Rotorblätter während der Drehung zu steuern“, berichtet Patrick Richter. „Denn die zwei ausschlaggebenden Faktoren – der Anströmwinkel und der Stall – lassen sich durch die Stellung des Rotorblattes verändern.“ Analog zu einem Piloten, der mit dem Höhenruder den Anstellwinkel der Tragfläche ändert – im Fachjargon: „pitcht“ –, lässt sich auch ein Rotorblatt pitchen, damit die Auf- und Abwindphasen weniger ausgeprägt verlaufen. Im Aufwind wird dann das Rotorblatt leicht nach außen gedreht, im Abwind leicht nach innen. Das Pitchen ermöglicht es, mit kleineren Drehzahlen zu fahren, ohne dass die Strömung abreißt. Gleichzeitig wird die Fliehkraft reduziert. „Die Rotorblatt-Pitch-Steuerung ermöglichte es uns, erstmals in größere Dimensionen zu gehen, um eine wirtschaftlich rentable vertikale Windturbine herzustellen“, sagt Richter.

Dazu entwickelten die Ingenieure bei Agile Wind Power eine patentierte Pitch-Steuerung, die in einen sogenannten Torque-Motor von 1,30 Meter Durchmesser integriert ist und diesen über einen geschlossenen Regelkreis akribisch kontrolliert. Der kreisrunde bürstenlose Gleichstrommotor verarbeitet die Steuerungsimpulse ohne Reibungsverluste, indem er die Rotorblätter über Kegelrollenlager positioniert. Das ermöglichte es, die Anlage auf dem Testfeld in Frimmersdorf mit weniger als 2,5-facher Windgeschwindigkeit zu drehen. Allerdings: Was die Entwickler nicht voraussehen konnten, waren verhängnisvolle Ereignisse beim Stillstand der Anlage. Nicht einberechnete Luftströme brachten die Anlage buchstäblich zu Fall: Einmal brach ein Rotorarm, ein anderes Mal bildeten sich trotz arretierter Rotorblätter über Nacht Risse in zwei Rotorarmen.

Experimente im Wasserkanal

Die darauffolgende Phase des Stillstands brachte aber immerhin die Gewissheit, dass das Schweizer Unternehmen den richtigen Weg eingeschlagen hatte. Denn ein Forscherteam an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Lausanne zeigte auf, wie eine vertikale Turbine bei einer sogenannten Schnelllaufzahl von 2,5 sogar in der Abwindphase noch an Drehmoment gewinnt, weil Wirbel und Stall verhältnismäßig klein ausfallen. Im Labor für instationäre Strömungsdiagnostik hatte das Team, bestehend aus Karen Mulleners, Daniel Fernex und Sébastien Le Fouest, in einem Wasserkanal an einem im Maßstab 1 zu 16 verkleinerten Modell das Verhalten eines vertikalen Rotorblatts bei unterschiedlichen Schnelllaufzahlen untersucht.

Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass vertikale Windräder dann der größten aerodynamischen Kraft ausgesetzt sind, wenn sie sich kaum schneller als der Wind drehen. Dann erfahren sie im Aufwind des ersten Halbkreises einen massiven Vortrieb, zu dem ein stark anwachsender Wirbel beiträgt. Im Abwind des zweiten Halbkreises sorgen die Strömungen des sich auflösenden Wirbels für abruptes Abbremsen und in der Folge für starke Vibrationen. „Je grösser der Wirbel ist, desto stärker sind die Vibrationen“, erläutert Daniel Fernex. Bei einer Schnelllaufzahl von 2,5 jedoch bildet sich ein kleinerer Wirbel mit einer um 60 Prozent reduzierten seitlichen Kraft.

Was die Prototypen von Agile Wind Power in die Knie zwang, waren nicht etwa Schwingungen infolge einer zu langsamen Rotordrehung, sondern Windkräfte, die den Rotor im Stillstand trafen. Diese Resultate seien nicht voraussehbar gewesen, stellt Patrick Richter fest. Denn auch für stillstehende Windkraftanlagen dieser Dimension gab es vor dem Bau weder Erfahrungen noch Normen.

Für Agile Wind Power bedeuteten die neuen Erkenntnisse, dass die Ansteuerung der Rotorblätter auch im Stillstand gewährleistet bleiben muss. Eine angepasste Steuerung soll nun zunächst in einem kleineren Format erprobt werden. Dazu brachte das Team im Herbst 2024 in der Nähe von Winterthur an einem ehemaligen, 18 Meter hohen Windturbinenmast eine neu dimensionierte Vertical Sky-Testanlage an. Sie besitzt zehn Meter lange Rotorblätter, die sich in einem Kreis mit sechs Meter Durchmesser drehen.

Evolutionärer Algorithmus

Bei der Weiterentwicklung der Technik galt es, bei verschiedenen Schnelllaufzahlen den Anströmwinkel und die aerodynamische Kraft wechselseitig so zu optimieren, dass sie über die gesamte Umdrehung hinweg einen maximalen Vortrieb garantieren. Diese Berechnungen waren Bestandteil der Doktorarbeit von Sébastien Le Fouest an der ETH Lausanne. Der Wissenschaftler nutzte einen sogenannten evolutionären Algorithmus, der aus verschiedenen Startparametern in einem selektiven Wettstreit nach dem Vorbild der natürlichen, genetischen Evolution die am besten geeigneten Werte herausdestillierte. Zu diesem Zweck ließ Le Fouest eine Künstliche Intelligenz 30 Generationen von möglichen Lösungen erstellen, die fortlaufend verbessert wurden.

Die Ergebnisse, die der Algorithmus lieferte, waren besonders bei einer langsamen Rotation mit der anderthalbfachen Windgeschwindigkeit bestechend: Die aerodynamische Leistung konnte um den Faktor 2,5 bis 3,2 erhöht werden, die Anströmungswinkel des Rotorblatts ließen sich so korrigieren, dass sie zwischen 60 und fast 80 Prozent weniger Vibrationen auslösen. Dafür lässt die Steuerung das Rotorblatt im Abwind nach der ersten Halbkreisdrehung in eine abrupte Innenbewegung pitchen, um den Wirbel zur Seite loszuwerden. Dieser abrupte Pitch schränkt die Strömungsschwankungen und in der Folge die Vibrationen des Rotorblatts stark ein. Bei einer doppelt so schnellen Drehung weist das Rotorblatt auch ohne Pitchen einen recht ausgeglichenen Strömungsverlauf auf. Hier reduziert die KI-Steuerung in der Aufwindphase im ersten Halbkreis den Anstellwinkel und dadurch auch den Vortrieb. Dadurch werden die Voraussetzungen erreicht, um in der Abwindphase – anstelle eines Abrisses – das insgesamt stärkste Drehmoment zu erreichen. Auch damit lässt sich die aerodynamische Leistung über die ganze Umdrehung auf fast das Dreifache steigern. Nun will der Lausanner Forscher die Steuerung in einem größeren Maßstab testen.

Produktionsstart geplant

Es wird sich auch noch zeigen müssen, wie sich die Einblatt-Steuerung auf das Strömungsverhalten der neuen Anlage von Agile Wind Power mit den drei Rotorblättern im realen Betrieb auswirkt. Jedenfalls will Firmenchef Patrick Richter nach erfolgreichen Tests in Winterthur die Produktion im eigenen Werk in Lemwerder bei Bremen hochfahren und 2026 erste Pilotanlagen mit einem Megawatt Leistung ausliefern.

Solche vertikalen Windturbinen, meint Richter, könnten künftig dort stehen, wo große horizontale Anlagen mit einem Vielfachen an Leistung nicht stehen dürfen: zum Beispiel nahe an mittelgroßen Gewerbe- oder Industrieanlagen, die ihren eigenen Strom produzieren wollen. Die Nachfrage dafür sei da, versichert Richter, und es gebe bereits erste Vorbestellungen. Dieser Trend ist auch bei den Hochschulforschern angekommen. So arbeitet Sébastien Le Fouest in Lausanne inzwischen ebenfalls in einem Start-up-Unternehmen an der Entwicklung kleiner vertikaler Windkraftanlagen mit bis zu 100 Kilowatt Leistung etwa für den Einsatz in Werkstätten, Gemeinden oder Landwirtschaftsbetrieben.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…