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Veröffentlicht
20.12.2018
Schlagworte
  • Kleinwindenergie
  • Windenergie
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Frage

Welche Unterschiede bestehen zwischen den sogenannten Windtürmen oder vertikalen WEA und heute gängigen großen Windenergieanlagen (WEA) und warum haben sich letztere durchgesetzt? Wie ist der Wissensstand zu Umweltwirkungen vertikaler WEA?

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Entwicklung von Windenergieanlagen und Gründe für die Durchsetzung von Horizontalachsern


Heutige große Windenergieanlagen (WEA), die aus einem Turm mit darauf installierter drehbarer Gondel und einem in vertikaler Ebene drehenden, entgegen der Windrichtung ausgerichteten Rotor bestehen, bezeichnet man aufgrund der Lage ihrer Rotor-Drehachse als sogenannte Horizontalachser oder auch Horizontalläufer.

WEA, die über eine vertikale Drehachse verfügen, bei denen drei oder mehr Rotorblätter mehr oder weniger senkrecht und parallel zur Achse angeordnet sind, werden entsprechend als Vertikalachser oder Vertikalläufer bezeichnet. Zu diesen gehören auch die von Ihnen im angesprochenen „Windtürme“ bzw. die vertikalen WEA in dem von Ihnen angehängten Spiegel-Artikel aus dem Jahre 2009.

Die Entwicklung von Vertikalachsern wurde anfänglich zeitlich parallel zu der von Horizontalachsern betrieben. Neben den sogenannten Savonius-Rotoren, deren Rotoren sich bauartbedingt maximal so schnell bewegen können, wie die vorherrschende Windgeschwindigkeit – und die dadurch nur sehr niedrige Wirkungsgrade erreichen – wurde insbesondere die von Darrieus entwickelte Form als entwicklungsfähige Konzeption betrachtet (vgl. Hau 2003, S. 66).

Insbesondere in den 1980er Jahren wurden diese Vertikalachser eingehend untersucht und von einzelnen Herstellern in verschiedenen Leistungsklassen gebaut. Als vorteilhaft galt deren Unabhängigkeit von der Windrichtung, was eine entsprechende Nachführung des Rotors entbehrlich machte. Zudem wurde durch die bodennahe Installation der wesentlichen elektrischen und mechanischen Komponenten von einem vergleichsweise geringen Wartungsaufwand ausgegangen. Als aufwändig erwies sich die Herstellung der kompliziert geformten Rotorblätter.

Ein wesentlicher Grund dafür, warum sich WEA mit horizontaler Achse gegenüber den Vertikalachsern im Bereich der Großwindanlagen an Land und auf See durchgesetzt haben, liegt in deren höherem Wirkungsgrad begründet und – dadurch mit bedingt – in deren deutlich höherer Wirtschaftlichkeit. Aufgrund der Bauart bewegen sich die einzelnen Rotorblätter von Vertikalachsern die Hälfte der Zeit mehr oder weniger gegen den Wind. Hinzu kommt, dass die Windgeschwindigkeiten in Bodennähe deutlich geringer sind als in den mit den Horizontalachsern erreichbaren Höhen. Hinzu kommt eine unruhige Dynamik der Vertikalachsern, eine geringe Schnelllaufzahl sowie die fehlende Möglichkeit durch Verstellen der Rotorblätter (sog. Pitching) die Drehzahl und somit auch die Leistungsabgabe der WEA zu regeln. (Bruns et al. 2009, S. 36 sowie Bruns et al. 2010)

Aufgrund einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber den im Siedlungsbereich häufig turbulenten Windverhältnissen und der vergleichsweise kompakten Bauweise (vgl. Jüttemann o. J.) finden sich heutzutage Vertikalachser vor allem kleinerer Bauart als so genannte Kleinwindenergieanlagen (KWEA) im städtischen Bereich, wo sie zumeist auf Gebäudedächern installiert werden.

Die von Ihnen angesprochenen Windtürme sind ein Versuch, das Prinzip der Vertikalachser auf ein höheres, den Horizontalachsern vergleichbares Leistungsniveau zu bringen. Allerdings kam es mit zunehmender Anlagengröße bzw. -höhe verstärkt zu Schwingungen, die sich sowohl negativ auf die Leistung der Anlage, als auch auf die Lebensdauer des Materials auswirken. Daher waren die Anlagendimensionen bislang nicht beliebig steigerbar.

Es wird aber weiterhin an der Optimierung der Vertikalachs-Technologie gearbeitet. So gibt es zum Beispiel den Versuch, mit sogenannten H-Rotoren – einer besonderen Form des Darrieus-Rotors – durch eine ständige Anpassung der Rotorblatt-Anstellwinkel während der Umdrehung des Rotors den Wirkungsgrad deutlich zu verbessern und zugleich die auftretenden Lasten zu reduzieren. Praxistest einer derartigen Anlage, die zunächst eine Nabenhöhe von rund 80 Metern und eine Gesamthöhe von gut 100 Metern haben soll, ist in Vorbereitung (vgl. Agile Wind Power online[1]). Perspektivisch könnten derartige Anlagen möglicherweise wirtschaftliche Alternativen darstellen, zum Beispiel auch, um weitere Standorte für die Windenergienutzung erschließen zu können.[2]

Kenntnisstand zur Naturverträglichkeit von vertikalachsigen WEA


Über die Auswirkungen auf Vögel und Fledermäuse von Vertikalachsern ist bislang wenig bekannt. Unseres Wissens wurden Aspekte wie Kollisionsgefährdung oder Störwirkungen gegenüber Vögeln und Fledermäusen bislang nicht näher wissenschaftlich untersucht.

Bei Vögeln besteht die Vermutung, dass insbesondere die kompakte Bauweise und allgemein geringere Größe der Rotoren sowie die höhere Drehzahl zu einer besseren Wahrnehmbarkeit führen und diese damit hinsichtlich des Kollisionsrisikos weniger problematisch sein könnten.

Gleiches gilt für Fledermäuse, von denen angenommen wird, dass deren Echoortung Rotorblätter nur auf sehr kurze Distanzen (zirka 0,5 Meter) wahrnehmen können (Long et al. 2009). Die kompakte Bauweise und eine sich durch eine vergleichsweise schnelle Drehzahl bildende zylinderförmige Silhuette von vertikalachsigen WEA könnte ebenfalls zu einer geringeren Gefährdung führen (ebd.). Dies dürfte insbesondere auf Kleinwindanlagen (KWEA) zutreffen. Der Umstand, dass diese häufig auf Gebäuden und in Siedlungen (und damit potenziell in unmittelbarer Nähe zu Fledermaus-Quartieren) installiert werden, könnte wiederum auch zu erhöhten Risiken führen (vgl. LUWG 2015). Letzteres wäre dann allerdings nicht direkt bauartbedingt.

Neue Entwicklungen von Vertikalachsern größerer Bauart (siehe oben) müssten hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Vögel und Fledermäuse noch untersucht werden.

Hinsichtlich der Schallemissionen ist ebenfalls wenig bekannt. Allgemein wird davon ausgegangen, dass Vertikalachser leiser sind als Horizontalachser. Dem wird allerdings von Jüttemann (o. J.) – für KWEA – entgegengehalten, dass moderne Horizontalläufer nicht unbedingt lauter seien als Vertikalläufer. Auch hier geht die technologische Entwicklung permanent weiter.

Der Schattenwurf von Vertikalachsern dürfte im Vergleich zu horizontalachsigen WEA mit ausladenden Rotoren und langen Rotorblättern geringer sein. Im überwiegenden Einsatzbereich der Vertikalachser als KWEA spielt der Schattenwurf allerdings aufgrund der geringen Fernwirkung allerdings keine große Rolle.

Der Flächenbedarf von Vertikalachsern ist gegenüber horizontalachsiger WEA zunächst als deutlich geringer einzuschätzen, da bauartbedingt deutlich geringere Abstände mehrerer Anlagen zueinander einzuhalten sind. Dies relativiert sich jedoch, wenn man die Flächeneffizienz betrachtet, das heißt die – auf Grundlage der heute am Markt verfügbaren Anlagentechnik – installierbare Nennleistung pro Fläche bzw. die erzeugbare Strommenge pro Fläche.

Insgesamt verbleibt hinsichtlich der natur- und insbesondere artenschutzrelevanten Auswirkungen vertikalachsiger WEA noch Forschungsbedarf.

[1] https://www.agilewindpower.com/de/vertical-sky.

[2] Dies könnten z. B. Standorte mit besonderen logistischen Herausforderungen, häufig wechselnder Windrichtung oder zu dicht angeordneten Windparks sein.  

Literaturverzeichnis

Bruns, E., Köppel, J., Ohlhorst, D., Schön, S. (2009): Die Innovationsbiographie der Windenergie. Absichten und Wirkungen von Steuerungs­impulsen. LIT Verlag, Hamburg. ISBN 978-3825816254.

Bruns, E., Ohlhorst, D., Wenzel, B., Köppel, J. (2010): Erneuerbare Energien in Deutschland – Eine Biographie des Innovationsgeschehens. Endbericht zum Forschungs­vorhaben „Innovationsbiographie der erneuerbaren Energien“ des Bundes­umwelt­ministeriums. Universitätsverlag TU Berlin. 507 S. Link zum Dokument (letzter Zugriff: 20.12.2018).

Jüttemann, P. (o. J.): Kleinwindkraft-Portal. Vertikale Windkraftanlagen. Link zum Dokument (letzter Zugriff: 18.12.2018).

Long, C. V., Flint, J. A., Lepper, P. A., Dible, S. A. (2009): Wind Turbines and Bat Mortality: Interactions of Bat Echolocation Pulses with moving Turbine Rotor Blades. – Proceedings of the Institute of Acoustics 30 (1): 185–192. Link zum Dokument (letzter Zugriff: 20.12.2018).

LUWG RP – Landesamt für Umwelt Wasserwirtschaft und Gewerbeaufsicht Rheinland-Pfalz (2015): Hinweise zur artenschutzfachlichen Beurteilung von Kleinwindenergieanlagen (KWEA). Mainz. 12 S. Link zum Dokument (letzter Zugriff: 20.12.2018).