Regelmäßig präsentieren neue Hersteller von Kleinwindkraftanlagen ihre Technik in der Öffentlichkeit. Teils mit außergewöhnlichen Rotorformen und Anlagenkonzepten.
Superlative in Bezug auf Ertragskraft und Effizienz der kleinen Windkraftanlagen sind keine Seltenheit in entsprechenden Pressemeldungen. Das gilt auch für das Startup Aeromine Technologies aus den USA, welches im Herbst 2022 eine eingehauste Windturbine fürs Dach vorgestellt hat.
Eine Behauptung des Startups: Bis zu 50 Prozent mehr Strom als andere Technologien bei gleichen oder geringeren Kosten. Wir haben einen Top-Experten für Windenergie gebeten, die Angaben des Startups einem Faktencheck zu unterziehen.
Dr.-Ing. Frank Kortenstedde (Hochschule Bremen)
Dr. Frank Kortenstedde nimmt in der folgenden Analyse die Angaben des Startups unter die Lupe.
Frank Kortenstedde ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im "Institute of Aerospace Technology" (IAT) der Hochschule Bremen. Seine Promotion zum Dr.-Ing. im Jahr 2016 an der TU Clausthal umfasste eine Dissertation über die Rotorblattoptimierung von Windkraftanlagen.
Als Leiter der IAT-Abteilung "Wind Turbines" beschäftigt er sich nicht nur mit großen Megawattanlagen, sondern auch mit Kleinwindkraftanlagen. Seine wissenschaftlichen Interessen konzentrieren sich auf aerodynamische Fragestellungen zur Optimierung und Effizienzsteigerung von Windenergieanlagen.
Dr.-Ing. M.Sc. Frank Kortenstedde
Angaben über Aeromine in der Presse
Im letzten Quartal des Jahres 2022 wurde eine neuartige Kleinwindenergieanlage beworben, was zunächst einmal nichts Außergewöhnliches ist. Allerdings ließ in diesem Fall aufhorchen, dass diese „Mini-Windturbine“ des Herstellers und Entwicklers „Aeromine Technologies“ preiswerter als Solaranlagen sei und 50 % mehr Strom liefern solle.
(Quelle: Artikel vom 31.10.22 online auf ingenieur.de, Redakteurin: Alexandra Ilina, www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/aeromine-technologies-mini-windturbine-statt-photovoltaik).
Konkret finden sich aktuell folgende Aussagen auf der Internetseite des Herstellers Aeromine Technologies, Houston, Texas, USA:
„Die patentierte innovative Lösung von Aeromine erzeugt bis zu 50 % mehr Strom als andere nachhaltige Energieoptionen bei gleichen oder geringeren Kosten.“
„Eine einzelne Aeromine-Einheit liefert die gleiche Energiemenge wie bis zu 16 Solarmodule.“
(Aus dem Englischen übersetzt von www.aerominetechnologies.com , aufgerufen am 21.02.2023).
In Pressemeldungen wird erwähnt zudem, dass eine Windturbinen-Einheit von Aeromine eine Leistung von 5 Kilowatt hat.
„Laut Entwickler soll ein 5 kW-Modul der Turbinen jährlich 10.000 bis 15.000 Kilowattstunden Strom erzeugen – in manchen Fällen könne es sogar viel mehr sein.“
(Bericht des MDR, abgerufen am 28.03.2023: www.mdr.de/wissen/energie-vergleich-solar-windkraft-windturbine-aeromine-hausdach100.html)
Faktencheck aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht
In diesem Fachbeitrag sollen unter anderem diese Aussagen aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht überprüft werden, um den potenziellen Interessenten für neue Windenergietechnologien einen Einblick in diese Thematik zu geben. An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass für diese Analyse keine Anlage dieses Typs zur Verfügung stand, sondern ausschließlich die vom Hersteller veröffentlichen Informationen.
Interessant ist dabei, wieviel Energie die Aeromine Kleinwindkraftanlage unter realistischen Randbedingungen bei einem Standort in Deutschland tatsächlich liefern könnte. Um diese Aussage machen zu können, muss zunächst kein aufwendiger mehrere Monate dauernder Testlauf einer Pilotanlage auf einem Windenergietestfeld stattfinden. Es genügt für eine gute erste Abschätzung, einige wenige Parameter zu kennen, wovon die wichtigsten folgende sind:
a. Die Rotorfläche bzw. wirksame Windfläche der Anlage
b. Die durchschnittliche jährliche Windgeschwindigkeit am konkreten Standort
c. Der Leistungsbeiwert cp oder die Bauweise des Rotors
d. Ist die Anlage mit oder ohne eine Windrichtungsnachführung ausgestattet?
Bei genauem Betrachten der oben genannten Parameter fällt auf, dass nur aerodynamische und keine elektrischen Kennwerte oder Angaben über die Regelung enthalten sind. Daten über den verwendeten Generator, ein gegebenenfalls vorhandenes Getriebe, eine Drehzahlregelung sowie die Nennleistung sind an dieser Stelle zunächst zu vernachlässigen.
Der Grund dafür ist, dass wenn dem Wind keine vergleichsweise hohe Leistung durch den Rotor entnommen werden kann, es dann nachrangig ist, wie die geringe Leistung weiter verwertet wird.
Bau- und Funktionsweise der Aeromine Windanlage
Grundsätzlich unterscheidet man bei Windenergieanlagen zwei Bauweisen nach der Lage der Rotorachse, die Lage ist entweder horizontal oder vertikal. Bei horizontal Achsen Rotoren mit in der Regel drei bis fünf Rotorblättern ist eine Windnachführung notwendig, um den Rotor der wechselnden Windrichtung nachzuführen (siehe Foto unten). Diese Rotoren sind Auftrieb nutzend, d.h. die Rotorblätter erzeugen eine resultierende Kraft aus der Auftriebskraft, die den Rotor in Bewegung setzt.
Kleinwindenergieanlage mit horizontaler Rotorachse (Bildrechte: Superwind)
Bei vertikal Achsen Rotoren ist in der Regel keine Windnachführung notwendig, denn der Rotor kann aus jeder beliebigen Richtung vom Wind angeströmt werden bei konstanter Leistungserzeugung. Bei diesen Rotoren wird nach Auftrieb- oder Widerstand nutzenden Prinzip unterschieden, was Auswirkung auf den aerodynamischen Wirkungsgrad hat.
Kleinwindenergieanlage mit vertikaler Rotorachse (Foto: Frank Kortenstedde)
Die Bauweise der Aeromine ist diesen beiden Konzepten nicht so eindeutig zuzuordnen, da die Rotorachse zwar vertikal verläuft, der Rotor mit seinen Rotorblättern aber einer typischen horizontal Achsen Windenergieanlage entspricht.
Die Aeromine (siehe Foto unten) besteht aus einem großen feststehendem Gehäuse, welches günstiger Weise in die Hauptwindrichtung zeigt und den Wind „einfängt“. Im Inneren befinden sich an den Seiten des Gehäuses und in der Mitte gebogene Oberflächen, ähnlich geformt wie die Oberseite von Flugzeugflügeln. Diese haben die Aufgabe, die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen, was in der Technik umgangssprachlich als Bernoulli-Effekt bezeichnet wird. Dadurch entsteht im Inneren ein Unterdruck, der dazu führt, dass über den unten angeordneten Rotor Luft angesaugt wird. Der Rotor wird dadurch in Bewegung gesetzt und so der Generator angetrieben. Der Rotor ist bei der Aeromine als Impeller ausgeführt, d.h. er ist von einem Gehäuse ummantelt. Durch die Ummantelung wird der Leistungsbeiwert bzw. der Wirkungsgrad des Rotors gesteigert, da die Randwirbelverluste an den Rotorblattspitzen verringert werden.
Kleinwindenergieanlage Aeromine (Bildrechte: Aeromine Technologies)
Berechnung der Energieerzeugung der Aeromine
Die Berechnung der Energieerzeugung der Aeromine basiert auf bekannten und abgeschätzten Parametern.
Zur Berechnung der Leistungsentnahme aus dem Wind kommen wir noch einmal näher auf die zuvor angegebenen Parameter zurück.
Rotorfläche bzw. wirksame Windfläche der Anlage
Die gesamte Gehäusegröße der Aeromine wird mit ca. 3 m x 3 m angegeben, deshalb nehmen wir hier die wirksame Windfläche mit 9 m² an. Zum Vergleich: Diese Fläche entspricht bei einer horizontal Achsen Windenergieanlage einem Rotor mit einem Durchmesser von ca. 3,39 m.
(Quelle: www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/aeromine-technologies-mini-windturbine-statt-photovoltaik/)
Durchschnittliche jährliche Windgeschwindigkeit am konkreten Standort
Für die Energieerzeugung ist neben der wirksamen Wind- oder Rotorfläche in erster Linie die Windgeschwindigkeit entscheidend. An einem günstigen Standort in Deutschland, könnte für eine Kleinwindenergieanlage, in ca. 10 Meter Höhe maximal mit einer jährlichen durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 5 m/s gerechnet werden. Höhere Windgeschwindigkeiten wären in größeren Höhen, in exponierten Lagen oder in der Nähe von Küsten zu erwarten. Wichtig ist in jedem Fall eine ungestörte Anströmung durch den Wind ohne Hindernisse in der Hauptwindrichtung sowie ein ungehindertes Abströmen des Windes hinter der Kleinwindenergieanlage.
Leistungsbeiwert cp oder die Bauweise des Rotors
Der Leistungsbeiwert ist eine aerodynamische Kennzahl für die Güte des Rotors und entspricht umgangssprachlich dem aerodynamischen Wirkungsgrad. Der BETZ ’sche ideale Leistungsbeiwert cp beträgt im Maximum 0,593 für den Fall, dass der Rotor dem Luftstrom die maximal mögliche Leistung entzieht. In der Realität liegt der Leistungsbeiwert immer niedriger als der BETZ’sche Idealwert, da weitere Verluste, wie Drall- und Profilverluste am Rotor entstehen. Hier soll vereinfacht ein sehr guter Leistungsbeiwert von 0,5 angenommen werden, der auf die gesamte wirksame Windfläche, also Gehäusefläche, angewendet wird.
Ist die Anlage mit Windrichtungsnachführung ausgestattet?
Die Aeromine hat keine Windrichtungsnachführung, da das Gehäuse feststehend ist und der Windrichtung nicht folgen kann. Es ergibt sich dadurch ein kleiner Winkelbereich des anströmenden Windes, der optimal ist und ein weiterer Bereich der suboptimal ist, aber noch zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Das maximal nutzbare Windfenster, bestehend aus optimalen und suboptimaler Anströmung beträgt wahrscheinlich maximal 1/3 des Gesamtkreises, also 120 Grad. Sinnvoll ist unter diesen Bedingungen eine Ausrichtung in die Hauptwindrichtung, um möglichst häufig im Jahr den Wind nutzen zu können.
Leistungsberechnung der Kleinwindenergieanlage
Mit den gegebenen Parametern bzw. angenommen Randbedingungen kann nachfolgend die Leistung der Aeromine Kleinwindenergieanlage berechnet werden.
Die Aeromine ist mit einer Größe von 3 x 3 m angegeben. Das entspricht einer Fläche von 9 qm. Die Windleistung dieser Fläche entspricht bei einer Windgeschwindigkeit von 5 m/s dann 675 Watt.
Windleistung [W]: P_Wind = 1/2 * ρ * A_Rotor * v³
Der durchschnittliche jährliche Wind in 10 m Höhe liegt Landesinneren von Norddeutschland bei ungestörter Anströmung bei ca. 4-5 m/s, deshalb werden 5 m/s Windgeschwindigkeit für die Berechnung zu Grunde gelegt.
Jetzt muss man aber noch den Wirkungsgrad cp der Aeromine kennen oder abschätzen. Theoretisch nach Betz sind maximal 0,59 möglich. Wenn die Aeromine strömungstechnisch gut ist, wären 0,5 für cp anzunehmen (optimistisch).
Somit ergibt sich dadurch eine Leistung von 675 Watt mal 0,5 = 337,5 Watt. Das würde einem jährlichen theoretischen Ertrag von ca. 3000 kWh entsprechen.
Nachfolgend ist die Leistungskurve mit der Leistung über die Windgeschwindigkeit dargestellt. Das ist allerdings nur die theoretische Rotorleistung, die reale Leistungskurve würde unterhalb dieser Kurve liegen, da es u.a. mechanische Verluste gibt und auch der Generator einen Wirkungsgrad hat. Dazu kommen noch weitere Verluste, da die Aeromine sich nicht in den Wind ausrichten kann.
Theoretische aerodynamische Leistung über die Windgeschwindigkeit (Frank Kortenstedde)
Ergebnis des Faktenchecks
#1 | Gleiche Energiemenge wie bis zu 16 Solarmodule
Aussage von Aeromine Technologies:
Eine einzelne Aeromine-Einheit liefert die gleiche Energiemenge wie bis zu 16 Solarmodule.
Ergebnis des Faktenchecks:
16 Photovoltaik-Solarmodule würden an einem geeignetem Standort in Deutschland tatsächlich pro Jahr ca. 5.500 KWh Strom erzeugen können , demgegenüber steht der berechnete jährliche Ertrag der Aeromine Kleinwindenergieanlage mit ca. 3.000 KWh.
Fazit: die Angaben von Aeromine sind nicht realistisch.
Erläuterung: Berechnung des Photovoltaik-Ertrags
16 Module à 400 Wp; Leistung: 6,4 kWp; Ertrag/kWp: 897,43 kWh; Gesamtertrag/Jahr: 5.645 kWh; Berechnung: https://www.solarkataster.diepholz.de (Aufgerufen am 17.03.2023)
#2 | Ein 5 kW Windmodul erzeugt mehr als 10.000 kWh p.a.
Presseangabe zu Aeromine Technologies:
"Laut Entwickler soll ein 5 kW-Modul der Turbinen jährlich 10.000 bis 15.000 Kilowattstunden Strom erzeugen – in manchen Fällen könne es sogar viel mehr sein."
Ergebnis des Faktenchecks:
Eine Kleinwindanlage mit 5 kW Leistung, die bei einer Nennwindgeschwindigkeit von 13 m/s erreicht wird, soll pro Jahr 10.000 bis 15.000 kWh Strom erzeugen. Das ist absolut unrealistisch, da die Nennleistung erst bei sehr starkem Wind erreicht wird. Analog ist der Rotor der Windanlage viel zu klein, um pro Jahr so viel Strom zu erzeugen
Fazit: die Angaben über Aeromine sind nicht realistisch.
#3 | 50 % mehr Strom bei gleichen oder geringeren Kosten
Aussage von Aeromine Technologies:
Die patentierte innovative Lösung von Aeromine erzeugt bis zu 50 % mehr Strom als andere nachhaltige Energieoptionen bei gleichen oder geringeren Kosten.
Ergebnis des Faktenchecks:
Auch diese Aussage ist nicht stichhaltig, da auch andere Kleinwindenergieanlagen mit gleichem Leistungsbeiwert und Rotorfläche bzw. wirksamer Windfläche, Energie in dieser Größenordnung erzeugen würden. Zu den Kosten macht Aeromine Technologies bislang noch keine Angabe, die geringeren Kosten wären grundsätzlich möglich, wenn die Anlagen beispielsweise in hoher Stückzahl gefertigt werden würden.
Fazit: die Angaben von Aeromine sind nicht realistisch.
Zusammenfassung und Ausblick von Frank Kortenstedde
Aeromine Technologies hat mit der Aeromine Kleinwindenergieanlage aus technischer Sicht ein interessantes, neuartiges Konzept vorgestellt. Es sind gegebenenfalls Vorteile vorhanden, wie günstige Kosten bei entsprechender Haltbarkeit, die aber durch Testläufe auf einem Windenergietestfeld unter realen Bedingungen nachgewiesen werden sollten. Dabei könnte auch die Frage nach Schallemissionen durch das Gehäusekonzept sowie eine eventuell notwendige Körperschallentkopplung beantwortet werden, um die Übertragung von Geräuschen auf das jeweilige Gebäude zu verhindern.
Es sind aber auch Nachteile gegenüber bestehenden Kleinwindenergieanlagen erkennbar, wie beispielsweise die nicht vorhandene Windnachführung, welche zu Leistungseinschränkungen führt, da der Wind nicht immer nur aus der Hauptwindrichtung anströmt.
Die ingenieurswissenschaftliche Analyse hat gezeigt, dass die von Aeromine veröffentlichten Angaben zu Stromerträgen im Vergleich mit Photovoltaikanlagen unrealistisch sind. Das gilt auch für die angebliche Leistung von 5 kW pro Einheit.
Die wesentliche Komponente und Voraussetzung für die Nutzung der Windenergie ist grundsätzlich jedoch immer eine hohe durchschnittliche Windgeschwindigkeit am geplanten Standort einer Kleinwindenergieanlage.
Kommentar von Patrick Jüttemann
Frank Kortenstedde hat durch seine Analyse klargemacht, dass die Behauptungen von Aeromine nicht haltbar sind. Auch die (angeblich) effizienteste Technik bekommt durch physikalische Grundlagen unseres Planeten einen Rahmen gesetzt. Bestimmte Stromerträge können nur erreicht werden, wenn der Rotor eine ausreichend große Windfläche hat.
Ich analysiere regelmäßig den Markt für Kleinwindkraftanlagen. Es ist kein Einzelfall, dass Hersteller vollkommen übertriebene und teils physikalisch unmögliche Zahlen veröffentlichen. Diese Fehlinformationen schwappen dann als Welle durch die Presse und YouTube. Viele Menschen bekommen dadurch ein falsches Bild über Kleinwindkraft.
Aeromine ist deshalb in meinen Augen bislang nur ein Marketing-Hype. Wer solch unrealistischen Zahlen veröffentlicht, verliert als Unternehmen an Glaubwürdigkeit. Letztere könnte Aeromine zurückgewinnen, wenn die Windanlage von unabhängigen Akteuren getestet würde. An einem Standort, der einem typischen Aufstellungsort der Kleinwindanlage entspricht.
