Vertikale Windkraftanlagen

Vertikale Windkraftanlage

Vertikale Windkraftanlagen sind durch eine Rotorachse in vertikaler Lage (Standachse) gekennzeichnet. Die ersten Windanlagen überhaupt hatten eine vertikale Achse: Die sogenannte persische Windmühle reicht zurück bis ins 7. Jahrhundert. Unter den vertikalen Windrädern gibt es unterschiedliche Bauformen wie den Darrieus-Rotor und den Savonius-Rotor sowie Mischformen. 

Im Laufe der Zeit haben sich Windanlagen mit horizontaler Rotorachse durchgesetzt. Das Interesse an vertikalen Windanlagen ist heute noch groß, das besondere und oft schöne Design der Rotoren weckt die Neugier vieler Menschen. Neue Hersteller drängen auf den Markt.

Doch inwieweit können Vertikalläufer die Ansprüche moderner Energietechnik erfüllen? Können Einfamilienhäuser damit effizient mit Strom versorgt werden? Hier werden die wichtigsten Fakten über vertikale Windräder erläutert.

Funktionsweise und Bauformen vertikaler Windkraftanlagen

Bei vertikalen Kleinwindanlagen gibt es diverse grundlegende Bauformen, die im Folgenden vorgestellt werden. In der Praxis trifft man Varianten und Mischformen an, der Einfallreichtum der Entwickler kennt bei Vertikalwindanlagen keine Grenzen.

Savonius-Rotoren

savonius-rotor

Savonius-Rotoren sind sogenannte Widerstandläufer, da die Rotorfläche als Ganzes dem Wind einen Widerstand bietet und quasi vom Wind weggedrückt wird. Savonius-Rotoren bewegen sich langsam, der Rotor kann sich maximal so schnell die vorherrschende Windgeschwindigkeit bewegen. Von allen Kleinwindrad-Typen haben Savonius-Rotoren die niedrigsten Wirkungsgrade und entsprechend erheblich niedrigere Stromerträge als andere Konstruktionstypen.

Darrieus-Rotoren

Vertikale Windkraftanlage

Bei Darrieus-Rotoren handelt es sich um Auftriebsläufer. Die Rotorblätter stehen mit ihrer Angriffsfläche nicht komplett senkrecht zum Wind, wie es bei Widerstandsläufern der Fall. Der Wind streicht über das Rotorblatt. Der auf das Rotorblatt strömende Wind erzeugt einen Auftrieb wie es bei Tragflügeln der Fall ist. Es handelt sich um Schnellläufer: Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors kann erheblich schneller als die Windgeschwindigkeit sein. Für die Effizient der Windkraftanlage (Leistungsbeiwert) hat das eine entscheidende Bedeutung. Moderne Windkraftanlagen sind allesamt Auftriebsläufer, dazu zählen alle Windanlagen mit horizontaler Rotorachse.

H-Rotor

H-Rotor Vertikale Windanlage

Ein gängiger Konstruktionstyp des Darrieus-Rotors ist der H-Rotor. Die Tragflügel der Anlage sind nicht gebogen wie beim klassischen Modell, sondern gerade. Der H-Rotor hat eine größere dem Wind entgegengesetzte Fläche und somit theoretisch eine höhere Leistung als mit gebogenen Blättern.

Die folgende Animation zeigt die verschiedenen Rotortypen in Bewegung:

Animation

vertikale Windkraftanlage

Von links nach rechts: 1. Vertikaler Savonius-Rotor, 2. horizontale Windkraftanlage, 3. Vertikaler Darrieus-H-Rotor. (Quelle: By Ssgxnh (Own work), via Wikimedia Commons)

Effizienz und Wirkungsgrad

Der theoretische Wirkungsgrad von Windkraftanlagen wird mit dem sogenannten Leistungsbeiwert (auch Betzscher Wirkungsgrad oder spezifische Leistungsausbeute) angegeben. Der Leistungsbeiwert liegt maximal bei 59 %. Dieser Wert beschreibt die Fähigkeit der Rotoren, die Bewegungsenergie des Windes umzuwandeln. Der effektive Wirkungsgrad ist aufgrund der Verluste von Getriebe und Generator niedriger.

Vertikale Windkraftanlagen haben einen deutlich geringeren Leistungsbeiwert als Anlagen mit horizontaler Achse. Während nach dem aktuellen Stand der Technik Horizontalläufer einen Leistungsbeiwert von rund 50 % erreichen können, liegt die Leistungsausbeute von Vertikalläufern bei maximal 40 %. Damit wird der entscheidende Unterschied zwischen den beiden Bauformen deutlich: Windkraftanlagen mit horizontaler Achse sind in der Regel effizienter als vertikale Anlagen. Betrachtet man den Gesamtwirkungsgrad, so liegt dieser bei guten Kleinwindanlagen mit horizontaler Rotorachse bei rund 30 %. Vertikalläufer erreichen Werte bis 20 %.

Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit ist nicht der Wirkungsgrad, sondern die Stromgestehungskosten d.h. die Kosten für eine Kilowattstunde Strom. Doch auch hier spricht alles für Horizontalläufer: Bezüglich der Effizienz und Marktreife haben horizontale Kleinwindanlagen derzeit klar die Nase vorn. Diese Bauweise hat sich nicht ohne Grund bei den Multimegawatt-Turbinen durchgesetzt.

Preise und Kosten vertikaler Windkraftanlagen

Vertikale Windkraftanlagen - Preise & Kosten

Die Kaufpreise vertikaler Windkraftanlagen in Bezug zur Anlagenleistung unterscheiden sich oft geringfügig von Kleinwindanlagen mit horizontaler Rotorachse. Für den gesamten Kleinwindkraft-Markt gilt, dass es je nach Hersteller und Windturbinenmodell erhebliche Unterschiede bei Preisen und spezifischen Kosten pro Kilowatt Leistung gibt. Die Preisspanne bewegt sich zwischen 3.000 und 8.000 Euro pro Kilowatt installierter Leistung.

Vor allem bei vertikalen Windrädern muss man unbedingt beachten: Entscheidend sind nicht Kaufpreis oder Investitionskosten sondern die Kosten der produzierten Kilowattstunde Strom (Stromgestehungskosten). Warum das gerade bei Vertikalläufern wichtig ist? Weil die Wirkungsgrade und damit die Stromerträge vertikaler Windturbinen oft deutlich geringer sind als bei horizontalen Windturbinen. Pro Kilowatt installierter Leistung erzeugen vertikale Windanlagen deutlich weniger Strom als horizontale Windanlagen.

Rechenbeispiel Wirtschaftlichkeit

Angenommen zwei 6 kW Kleinwindanlagen mit vertikaler und horizontaler Rotorachse kosten beide pro kW Leistung 5.000 Euro. Der Gesamtpreis beträgt für jede Anlagen somit 30.000 Euro. Betrachtet man vom TÜV geprüfte Jahreserträge zweier am Markt angebotenen Windgeneratoren bei einer mittleren Jahreswindgeschwindigkeit von 5 m/s (guter Standort im Binnenland) so ergeben sich folgende Werte:

  • Vertikale Kleinwindkraftanlage mit 6 kW: ca. 3.900 kWh pro Jahr.
  • Horizontale Kleinwindkraftanlage mit 6 kW: ca. 9.500 kWh pro Jahr.

Das horizontale Windrad ist erheblich wirtschaftlicher. Bei einer Betriebszeit von 20 Jahren gibt es entsprechende Unterschiede bei den Kosten des produzierten Windstroms…

  • Vertikales Windrad: 38 Cent pro kWh.
  • Horizontales Windrad: 16 Cent pro kWh.

Dieses Beispiel umfasst zwar realistische Werte, kann aber nicht pauschal auf alle am Markt angebotenen kleinen Windkraftanlagen übertragen werden. Entscheidend für die realisierten Stromerträge ist die Windstärke des Standorts.

Vorteile vertikaler Windkraftanlagen

  • Keine Windnachführung notwendig und entsprechende Regelung.
  • Besser geeignet für Standorte mit schwierigen Windverhältnissen (Städte).
  • Einfache Wartung, da wartungsintensive Komponenten wie Generator in Bodennähe.
  • Geringere Schallemissionen als manche Horizontalläufer.
  • Teils höhere Akzeptanz in Genehmigungsbehörden.

Vorteile bei der Genehmigung

Nicht nur bei manchen potentiellen Betreibern von Kleinwindanlagen, sondern auch in einigen Baubehörden und anderen Fachbehörden wird die Meinung vertreten, dass vor allem im Stadtgebiet vertikale Windturbinen besser geeignet sind. Damit verbunden sind Vorteile bei der Erlangung der Baugenehmigung, ganz nach dem Motto: Ein vertikale Windanlage darf installiert werden, eine horizontale Windturbine bekommt keine Genehmigung.

Vertikale Kleinwindanlage - New Energy Husum

Als ein häufiger Grund wird der Schall angeführt: Es wird pauschal angenommen, dass Vertikalläufer leiser sind. Doch moderne Horizontalläufer sind nicht unbedingt lauter. 

Ein anderer Grund scheint noch wichtiger zu sein, warum vertikale Windturbinen im Rahmen der Genehmigung teilweise bevorzugt behandelt werden: Die visuelle Beeinträchtigung des Landschaftsbilds bzw. Stadtbilds. Es gibt Menschen, die Windkraftanlagen als eine Beeinträchtigung des Landschaftsbilds empfinden. Diese subjektiv empfundene visuelle Beeinträchtigung wird fast nur mit horizontalen Windrädern verbunden. Anders ausgedrückt: Vertikale Windräder haben bei manchen Menschen eine Art Design-Bonus. Eigentlich müsste das Aussehen eines Windrads im Rahmen der Genehmigung egal sein. Viel wichtiger sind Fakten wie Schall- und Schatten-Immissionen, Höhe der Anlage, Rotordurchmesser, Sicherheitssysteme der Anlage, etwaige Prüfdokumente etc. Aufgrund der geringen Aufstellungshöhe und Maße der Rotorblätter stellen Kleinwindkraftanlagen in den meisten Fällen keine visuelle Beeinträchtigung dar, unabhängig vom Konstruktionstyp vertikal oder horizontal.

Nachteile vertikaler Kleinwindanlagen

  • Geringe Wirkungsgrade und Stromerträge.
  • Geringere Marktreife.
  • Hohes Gewicht.
  • Hohe Schwingungen und Belastungen (fluktuierende Flügel, Mastresonanzen).
  • Geringere Bauhöhe.

Entscheidender Nachteil vertikaler Windkraftanlagen und Grund für die geringen Marktanteile sind die geringen Stromerträge. Die Wirtschaftlichkeit eines Kraftwerks wird durch die Kosten des produzierten Stroms begründet. Die Stromgestehungskosten vertikaler Windturbinen sind meistens erheblich höher als von Horizonalläufern (siehe Beispiel oben). Weitere Informationen zum Thema findet man im Artikel über den Vergleich von horizontalen und vertikalen Kleinwindkraftanlagen.

Hersteller und Anbieter vertikaler Windräder

Vertikale Windkraftanlagen sind im Kleinwind-Markt noch eine Randerscheinung. Nach wie vor bietet die Mehrzahl der Hersteller Kleinwindkraftanlagen mit horizontaler Rotorachse an. Nach dem Kleinwindanlagen Weltmarktreport 2013 der World Wind Energy Association gibt es weltweit 242 Hersteller horizontaler und 60 Hersteller vertikaler Kleinwindräder. Wer sich den Markt genauer anschaut wird feststellen: Viele Hersteller von Vertikalläufern halten sich nicht lange im Markt.

Vor allem bei Vertikalläufern ist Vorsicht geboten, was unseriöse Hersteller angeht. Manche Anbieter versprechen in Verkaufsprospekten realitätsferne Stromerträge. Im Rahmen der aufwendigen Marktanalyse für den Kleinwind-Marktreport wurden im März 2016 erstmals vertikale Kleinwindanlagen aufgenommen. Ein hoffentlich nachhaltiger Markteinstieg vertikaler Kleinwindturbinen mit weiteren Anbietern in der Zukunft. Weltweit beschäftigen sich zahlreiche Startups und Hochschulen mit neuen Konzepten. Neuigkeiten erfahren Sie über unseren kostenfreien Newsletter (ein Ebook gibt's gratis dazu).

Vertikale Windkraftanlagen für Einfamilienhäuser?

So mancher Anbieter eines Vertikal-Windrads wirbt mit vollmundigen Versprechen, was die Stromversorgung von Privathäusern angeht. Die Frage ist, wie viel Strom ein kleiner Vertikalläufer pro Jahr erzeugen kann und ob die Kosten des produzierten Stroms einigermaßen im Rahmen liegen.

Verbraucher müssen aufpassen: Einfamilienhäuser in Wohngebieten haben oft nur ein schwaches Windangebot. Das gilt vor allem für zentrale Lagen, da ringsherum andere Gebäude und Vegetation den Wind blocken. Eine Kleinwindanlage muss dann prinzipiell in Frage gestellt werden. Egal ob das Windrad auf dem Dach oder in den Garten gestellt werden soll. Wenn schon wenig Wind vorhanden ist, dann sollte man auf den effizientesten Windkrafttyp setzen in Form der horizontalen Windanlage.

Manche Interessenten legen sich fest: Es muss eine vertikale Windanlage sein. Wer ernsthaft den Betrieb eines Kleinwindrads in Betracht zieht, sollte sich auch mit Horizontalläufern beschäftigen, prinzipiell offen für alle Rotorformen sein.

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