Turbinen mit vertikaler Achse verpassten in den 1980er Jahren ihre Blütezeit, aber sie sind zurück und werden immer größer. Das mag überraschen. Die Technologie war auf Nischenanwendungen beschränkt und vor wenigen Jahren praktisch abgeschrieben. Jetzt sind sie bereit für einen neuen Wachstumsschub im Dachbereich, und sie machen sich sogar auf den Weg zur See.
Der lange Weg zu Windkraftanlagen mit vertikaler Achse
Für diejenigen unter Ihnen, die neu in diesem Thema sind, Windkraftanlagen mit vertikaler Achse sind so konstruiert, dass sich gebogene Rotorblätter um einen zentralen, aufrechten Pol drehen. Das Sandia National Laboratory des US-Energieministeriums experimentierte in den 1980er Jahren mit einem vergrößerten Design, das einem Schneebesen ähnelte, wie auf dem Foto oben in diesem Artikel dargestellt.
Die Idee wurde schließlich zugunsten der heute bekannten Windkraftanlage verworfen, die nicht wie ein Schneebesen aussieht. Herkömmliche Windturbinen setzen gerade Blätter ein, die sich vor einer horizontalen Achse drehen, die auf der Spitze eines schmalen Turms thront.
Die Aktivität auf der vertikalen Achse blieb am kleineren Ende der Skala bestehen. Es schien vor etwa zehn Jahren startbereit zu sein, als hochkarätige Immobilienbesitzer und Mieter nach neuen Wegen suchten, um ihr grünes Profil zu fördern. Solaranlagen auf dem Dach sind von der Straße aus nicht besonders sichtbar, aber eine Reihe von Windkraftanlagen ist eine auffällige Dekoration.
Alle möglichen kleinen, seltsam geformten Konfigurationen tauchten auf, sowohl innerhalb als auch außerhalb des Feldes der vertikalen Achse. Hier in den USA gehörten Sport-Franchises zu den Early Adopters. Die Philadelphia Eagles kauften sich bereits 2010 eine Reihe von Mikro-Windkraftanlagen der Firma UGE, und die Buffalo Bills folgten 2011 mit einer Reihe von Mikro-Windkraftanlagen im Oberlauf des Ralph-Wilson-Stadions.
Die Blüte fiel bald von der Rose ab. UGE hat beispielsweise 2016 seine Windsparte verkauft, um sich auf die zu konzentrieren Gemeinschaftssolar aufstellen. Im Jahr 2019 berichtete NBC-TV, dass die Eagles die Windturbinen zur Reparatur vom Lincoln Financial Field entfernt hatten. Ersatzpläne sind ab Anfang dieses Jahres noch in der Luft.
Gib niemals auf, kapituliere niemals
Eigentlich ist die Blüte noch nicht von der Rose ab. Ein Hoffnungsschimmer für den Dachwindmarkt tauchte 2019 auf, als das National Renewable Energy Laboratory des US-Energieministeriums einen Anstieg der Nachfrage nach den kleinsten Windturbinen feststellte, die mit 1 Kilowatt oder weniger definiert sind.
Das Energieministerium hat dies fortgesetzt Halten Sie die Fackel der vertikalen Achse schon immer, zum Teil aufgrund seines Potenzials zur Nutzung von Gebäuden und anderen Standorten, an denen herkömmliche Windkraftanlagen nicht geeignet sind. Auch am großen Ende der Skala hat die Agentur den Ball aufgegriffen. Im Jahr 2019 startete das ARPA-E-Finanzierungsbüro der Agentur ein Förderprogramm zur Entwicklung von Turbinen mit vertikaler Achse im Megawattbereich für Offshore-Windparks.
Auch andere haben sich der Upscaling-Idee verschrieben. Das norwegische Unternehmen SeaTwirlbringt zum Beispiel eine 1-Megawatt-Offshore-Windkraftanlage mit vertikaler Achse auf den Markt. Das Unternehmen geht davon aus, dass Windentwickler von den Kostenvorteilen angezogen werden, wenn sie mehr Turbinen in ein Offshore-Array packen.
Am anderen Ende der Skala steht die Marketingfirma ARC Industries aus Massachusetts eine 3-Kilowatt-Vertikalachse Turbine für den Dacheinsatz. Das Unternehmen hat gerade sein erstes Modell namens Orb auf dem Dach eines Parkhauses am Burlington International Airport eingesetzt.
Eine Microgrid-Lösung auf dem Dach
Dachwind kann auch über den einstelligen Kilowattbereich hinaus wachsen. Die große Frage ist, ob mittelgroße Windkraftanlagen auf Dächern mit vertikaler Achse unter dem Strich sinnvoll sind oder nicht. Vielleicht nicht allein, aber die texanische Firma Hover hat ein „Wind-Powered Microgrid™“ Dachkombinationssystem entwickelt, das Solarmodule und ein Energiespeicherelement zusammen mit Windturbinen mit vertikaler Achse verpackt.
Der Microgrid-Ansatz könnte mehr Möglichkeiten zur Skalierung bieten, aber Hover hält vorerst daran fest eine 36-Kilowatt-Vertikalachse Windkraftanlage.
„Als Array an der windzugewandten Kante eines Gebäudedachs installiert, nutzt das bahnbrechende aerodynamische Design das Gebäude als Segel und liefert Leistung im kommerziellen Maßstab. Ein Direktantriebsgenerator reduziert die Reibung und ermöglicht niedrige Drehzahlen“, erklärt Hover.
„Die in der Mitte des Daches installierte Photovoltaikanlage fungiert als Ergänzung zur Turbinenanlage und erzeugt tagsüber Strom. Die von beiden Quellen erfasste Energie wird an das integrierte Energiemanagementsystem von Hover geleitet, wo die Energie kombiniert, gereinigt und in 3-Phasen-Wechselstrom umgewandelt wird, der direkt mit dem Gebäudemanagementsystem verbunden ist“, fügt das Unternehmen hinzu.
Ein batterieartiges Energiespeichersystem ermöglicht es dem System, überschüssige Energie zu speichern. Hover testete das System zwei Jahre lang an einem Standort in Florida. Das System funktionierte während dieser Zeit trotz zweier Hurrikane weiterhin wie geplant. Abhängig vom Gebäude und den Bedürfnissen seiner Bewohner könnte das System es einem Gebäude ermöglichen, im Notfall vom Netz zu gehen.
Wenn alles nach Plan läuft, wird Hover Anfang nächsten Jahres eine neue Produktionsstätte in Tennessee in Betrieb nehmen, um die kommerzielle Produktion für etwa ein Dutzend Installationen aufzunehmen, die sich bereits in der Planungsphase befinden.
Windturbinen mit vertikaler Achse schwimmen bereits
Kehren wir zurück zu der Idee, Windkraftanlagen mit vertikaler Achse aufs Meer hinauszuschiffen, und werfen wir einen Blick auf die Vorgänge bei diesem ARPA-E-Zuschussprogramm. Die Preisträger wurden 2020 bekannt gegeben, und einer von ihnen war es Sandia National Laboratories. Das Labor wurde mit der Entwicklung beauftragt eine neue Offshore-Version der Vertikalachsen-Technologie, genannt ARCUS.
Um die Lilie mit vertikaler Achse zu ehren, wurde in der Auszeichnung festgelegt, dass die neuen Windturbinen auf Plattformen aufs Meer hinausgeschwemmt werden und nicht am Meeresboden befestigt sind.
Die Idee schwimmender konventioneller Windkraftanlagen hat sich bereits weit verbreitet, weil sie in Gewässern verankert werden können, die für den Bau mit fester Plattform zu tief sind. Die Verdrehung der vertikalen Achse ist neu und könnte ein Spielveränderer sein.
Wie von ARPA-E beschrieben, kann die Konfiguration mit vertikaler Achse die Kosten reduzieren, die mit den großen, sperrigen Plattformen verbunden sind, die für herkömmliche schwimmende Windkraftanlagen erforderlich sind.
„Ein VAWT [vertical axis wind turbine] ist ideal für schwimmende Offshore-Standorte“, freut sich ARPA-E. „Zu den Vorteilen gegenüber Windkraftanlagen mit horizontaler Achse (HAWTs) gehören das Wegfallen von Giersystemen, eine verbesserte aerodynamische Effizienz und eine niedrigere Platzierung des Antriebsstrangs der Turbine, wodurch die Masse der schwimmenden Plattform und die damit verbundenen Systemkosten erheblich reduziert werden.
Ein wesentlicher Unterschied ist der Ersatz eines zentralen Turms durch gespannte Abspannseile.
„Das Ergebnis ist eine bis zu 50 % geringere Rotormasse als bei herkömmlichen VAWTs“, erklärte ARPA-E. „Dies minimiert die Plattform- und Systemkosten erheblich. Anstatt die Plattform so zu konstruieren, dass die Bewegung der Turbine eliminiert wird, wird das Projektteam das oszillierende Turbinen-Plattform-System so konstruieren, dass es unter extremen Wetterbedingungen innerhalb einer zulässigen Reaktion sicher arbeitet.“
Wir werden nächstes Jahr mehr wissen, wenn der Förderzeitraum endet.
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Bild: Vertikale Achse Windkraftanlage aus den 1980er Jahren mit freundlicher Genehmigung des Sandia National Laboratory.
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