Neue Designs und Rotorenformen

Neue Designs und Rotorformen

Im Jahr 1981 stellten die Herren De Barros Fonseca senior und junior einen Windrotor vor, der aus einem mittleren, feststehenden Zylinder aus Beton besteht, der eine bewegliche und leichte Konstruktion aus zwei Halbzylindern und vier Rotoren trägt. Diese drehen sich um die mittlere Achse automatisch immer in den Wind. Durch die runden Oberflächen wird der anströmende Wind zu den Öffnungen hin konzentriert, in denen die Rotoren angebracht sind, und in denen sich dadurch der Druck des Windes und die so mögliche Energieausbeute erhöht. Über eine technische Umsetzung ist mir allerdings nichts bekannt.

Ein System mit ähnlichem Ansatz bildet der ‚Windkonzentrator’ von Bionik-Prof. Ingo Rechenberg (TU-Berlin). Sein BERWIAN stellt die konventionellen Betrachtungen von Horizontalachsen-Windkraftwerken auf den Kopf. Da ein Trichter strömungstechnisch wirkungslos ist, wird hier die Strömungsenergie mittels stationären Turbinenschaufeln zusammengefaßt und dabei erhöht. Der Konzentrator besteht daher aus einem starren Kranz abgestumpfter Flügelprofile, die einwärts gebogen sind. Im freien Inneren des Kranzes und etwas zurückgesetzt ist das sich nun viel schneller drehende Windrad befestigt.

Durch die Ausnutzung einer Windverdichtung mittels einem ‚Wirbelspulengenerator’ sollte ein konventioneller nachgeschalteter Rotor etwa die 6 bis 8-fache Leistung liefern. Genutzt wurden dabei Erkenntnisse der Bionik (in diesem Fall waren es Vogelflügel), und man landete ganz schnell wieder bei der spiralförmigen Wirbelbewegung, die in Teil D noch ausführlich geschildert wird. Die ersten Versuche erfolgten 1984/1985 an der Ostseeküste.

Obwohl die gesamte Konstruktion automatisch in den Wind gedreht werden kann ist die Anlage viel zu groß und zu ineffektiv, um in der Praxis Anwendung finden zu können.

Das Thema des Japanischen Designwettbewerbs 1993 lautete ‚Wind’. Es ist daher nicht verwunderlich, daß sich Designer aus der ganzen Welt mit neuartigen Umsetzungen in einer Weise beschäftigten, die weit über das Tagesgeschäft konventioneller Ingenieurbüros oder Entwicklungsabteilungen von Firmen hinaus gingen.

Zu den sicherlich interessantesten Vorschlägen gehört das windbetriebene Energiefeld der beiden Deutschen Ulrich Reif und Werner Stiefler von der Universität Wuppertal, das eher einen ‚Wind-Wald’ ähnelt, als den üblichen Windkraftwerken. Unter dem Namen ‚Biotech – Windpowered energy fields’ wurde hier ein System konzipiert, das die im Wind schaukelnde Halmform von Korn, Gräsern oder Bambus mit dem piezoelektrischen Effekt verknüpft (s.u.).

Eine Art Windbaum stellten zwei Designer aus Brasilien vor, Edilson Shindi Ueda und Kazuhiro Ueda. Dabei gingen sie vom Beispiel hochwüchsiger Dschungelbäume aus, die vom Wind bewegt stark oszillieren. Beim ‚Windtree’ werden eine Reihe hydraulischer Zylinder durch Stahlseile einerseits mit der (festem) Basis und andererseits mit den Wipfeln verbunden. Das selbe Team schlug auch eine Art Hochsee-Energietankstelle für Schiffe vor, die aus 34 einzelnen, jeweils 8 m durchmessenden Rotoren auf einem 100 m hohen Turm besteht, deren Energie in Form von Wasserstoff gespeichert werden soll.

Von den beiden Japanern Ohki Mori und Yasushi Fujii stammt der Vorschlag, einen fliegenden Teppich aus Darrieus-Windmühlen in die Luft zu bringen, während der Schweizer Markus Stucki unter dem Namen ‚Spider – Windpowerstation in the Mountains’ eine Art Spinnennetz konzipierte, das sich quer über Täler spannen lässt und aus einer Vielzahl von Rotoren besteht.

Bereits 1996 wird im Fortune Magazine der ‚WARP tower’ von Alfred L. Weisbrich vorgestellt, einem erfahrenen Luftfahrtingenieur und Inhaber der Firma ENECO, der auch an der Entwicklung anderer Windenergiesysteme beteiligt war. Mit den WARP Windverstärkermodulen soll die Windströmung um den Faktor 1,7 bis 1,8 gesteigert werden. Damit würde der Rotor selbst fünf mal so viel Strom produzieren, wie ohne Verstärkung. Die Module haben einen torusförmigen Querschnitt, werden übereinander zu Türmen gestapelt und sehen aus wie ein Baumkuchen (der dem Erfinder wohl nicht bekannt war – oder hat ihn dieser gar inspiriert?). Größere Modelle besitzen zwei Rotoren von 2 – 3 m Durchmesser, die an gegenüberliegenden Seiten in die Ausbuchtungen eingelassen werden.

Obwohl das System mit einem Forschungsaufwand von 1,5 Mio. $ in Feldversuchen, sowie unter Federführung der New York State Energy Research (NYSERDA) vom Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) untersucht wurde (und außerdem noch in Dänemark und Österreich), hat man später nichts mehr davon gehört.

Ebenfalls 1996 meldet der Belgier Georges Gual das Patent für einen Senkrechtachser an, der die beim Turbinenbau genutzte Technik der Leitschaufeln nutzt. Bei der SteoEolian sitzt der Stator außen (grün) und der Rotor innen (rot).

1999 wird im belgischen Rivesaltes das Unternehmen Gual Industrie gegründet, und 2002 gewinnt die Innovation den von G 16 of PERPIGNAN gestifteten Alfred SAUVY-Preis. 2003 wird der erste Prototyp installiert, die erste kommerzielle Installation folgt ein Jahr später.

Das System ist für den urbanen Einsatz gedacht und soll bis zu einer Windstärke von 150 km/m funktionieren.

Das Unternehmen bietet 2007 zwei Modelle an, die 800 kg wiegende SteoEolian GSE 4 mit einem Durchmesser von 4 m und einer Höhe von 1,5 m, die bis zu 10 kW leistet – sowie die SteoEolian GSE 8 mit einem Durchmesser von 8 m und einer Höhe von 3 m, die bis zu 36 kW leistet. Diese wiegt dann allerdings schon 2,5 t.

1999 entwickelte der deutsche Wirbelforscher Alfred Evert einen Fisch-Rotor: Um den fischförmigen Körper wird durch Leitbleche, ein ringförmiges Tragflächenprofil und angestellte Stege dazwischen eine Drallbewegung erzeugt. Durch Düseneffekt, Sogwirkung und den höheren statischen Druck der Umgebung ergibt sich am ‚Schwanz’ des Fisches eine verstärkte Drallströmung, es ist dort also mehr kinetische Energie verfügbar. Die Flügel sind nach dem Prinzip der Düsentragflächen konzipiert. Ihre Kanäle saugen mittig Luft ab, die durch die Rotation zentrifugiert und an den Oberseiten der Flügel durch Düsen hinaus gepresst wird. Dieses System soll damit sogar selbstbeschleunigend sein.

Zu den neuartigen Rotorformen, die es ebenfalls noch nicht bis zur praktischen Anwendung gebracht haben, gehört der ‚Laufrad-Energie-Wandler’ (Impeller Wind Energy Converter – IWEC) der Lübecker Firma Dewind AG, der im Jahr 2000 als Konzeptstudie vorgestellt wurde. Statt die Rotorblätter an einem nabenseitigen, axialen Generator anzubringen, werden sie beim IWEC von einem Ring umfasst. Gelagert ist das Gebilde in einem weiteren, starren Ring. Diese Konstruktion bildet damit einen Ringgenerator, der die Drehbewegung des windgetriebenen inneren Ringes in elektrische Energie umwandelt. Ein Rotordurchmesser von 120 m soll eine Leistung von rund 6 MW erbringen.

Über den ‚Schlitzblatt Rotor’ des Irakischen Erfinders Tahsin Al-Majed (aka Mahmood Hajem) werde ich separat noch ausführlich berichten sobald ich dazu komme, denn ich habe viele Jahre lang versucht aus diesem Patent ein Produkt zu machen und besitze deshalb auch eine Unmenge an Unterlagen darüber.

Der Erfinder bekam 1987 die Silbermedaille der Schweizer Erfindermesse – kurz nachdem ich mit ihm einen Vertrag zur Patentierung in Syrien und anschließend EU-weit geschlossen hatte. Inzwischen ist das Patent ausgelaufen – womit diese Schnittstellen-Technologie nun ‘open source’ ist und von jedem frei genutzt werden kann.

Die Geschichte ist charakteristisch für viele Innovationen im Energiesektor: Sie schaffen es häufig nicht, sich gegen die konventionellen Systeme durchzusetzen – und im vorliegenden Fall sogar trotz der Nachweise aus dem Windkanal, denen zufolge diese Rotorstruktur ein Leistungsplus von rund 30 % erbringt – bzw. einer 2-D-Simulation des Hermann-Föttinger-lnstituts der TU-Berlin, aus der hervorging, daß das Potential durch die Implikation eines Schlitzes sogar bei einem Plus von 45 % liegt!

Immerhin wurde die Innovation 1991 vom Designpreis Schweiz in Solothurn mit einer Auszeichnung für ‚herausragendes Design’ geehrt, nachdem sich der Berliner Künstler Jörg Reckhenrich des originalen Konzeptes von al-Majed angenommen hatte um daraus das Design ,Schwert des Windes’ zu entwickeln.

Ein weiteres – sehr eigenes – System wurde von der IPAT (Interdisziplinäre Projektgruppe Angepasste Technologie) der TU-Berlin schon Mitte der 1970er entwickelt. Das ‚Schlagflügelsystem’, das für den Einsatz als windbetriebene Kolbenpumpe in 3.-Welt-Ländern konzipiert war, wurde sogar auf Hawaii getestet. Später wurde die Anlage wieder nach Berlin zurückgebracht und anschließend mehr oder weniger vergessen. Zwar kommen von Zeit zu Zeit immer wieder neue Erfinder auf die Idee, doch ein System, das keine Rotationsbewegung zur Stromerzeugung zur Verfügung stellt, scheint in der Umsetzung kaum Chancen zu haben. Leider habe ich keinerlei Fotos oder Abbildungen – das System hat jedoch eine gewisse Ähnlichkeit mit einer traditionellen Schwengelpumpe.

Am 30. Januar 1998 stellte der bildende Künstler und Erfinder Josef Moser aus dem bayerischen Erding eine mastenlose Windkraftanlage vor. Außerdem vermeidet eine speziell entwickelte Oberflächenstruktur auf dem Flügel die lärmverursachende Verwirbelung der Luft. Bei Mosers Einflügler-Windkraftanlage, die bis 10 MW erreichen soll, steht der Generator leicht erreichbar auf dem Boden.

Ebenfalls 1998 stellte die Firma Windus in Rudersberg einen Kleinrotor mit etwa 1 m langen bogenförmigen Flügeln vor. Dieser ‚Spiralrotor’ erreicht hohe Rotationsgeschwindigkeiten, das System ist auch ohne Windfahne selbstausrichtend. Ab 2004 wurden Windwandler mit ‚Spiralrotoren’ von der Firma MatroW GmbH aus Ladenburg angeboten. Dies sind Auftriebsläufer, die aus zwei identischen Flügeln bestehen. Die beiden Spiralflügel aus GFK-Verbundstoff erstrecken sich zu einem Bogen in axial- und Radialrichtung. Dieser Bogen ist anströmungsunabhängig und hat im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen einen bedeutend höheren Wirkungsgrad, da sein induzierter Widerstand sehr gering ist. Die Anlagen gibt es allerdings bislang nur im unteren Wattbereich.

Während die meisten Windkraftwerke auf eigenen Masten in der Landschaft herumstehen, wurden verschiedentlich auch alternative Standorte vorgeschlagen. Im Sommer 1993 machte die damalige niedersächsische Umweltministerin Monika Griefahn (SPD) gemeinsame Sache mit dem Energiekonzern PreussenElektra. Ab 1994 sollten auf 6.000 Hochspannungsmasten Windräder installiert werden, die jeweils 50 bis 100 kW Leistung erbringen.

Nachdem es in dieser Sache jedoch jahrelang nicht weiterging, lebte die Idee erst in Vorbereitung der EXPO 2000 wieder auf. Diesmal war es die CBF Berlin Bauconsulting GmbH & Co., welche das Projekt unter dem Namen ‚Synline’ voranbringen wollte. Nun wurde von 270.000 infrage kommenden Masten geredet.

Schon 1999 sollte ein umgerüstetes 750 kW Windrad der Berliner Südwind GmbH als Prototyp an den ungewöhnlichen Standort angepaßt werden, u.a. mittels zusammenklappbaren Rotorblättern und einer ‚selbstkletternden’ Hydraulikvorrichtung, die am Rücken des Mastes bewegt wird, um den gesamten Windkopf in eine senkrechte Transportstellung zu überführen. Und Mitte 1998 machte die Firma SAV GmbH aus Bingen Werbung mit ihrem Konzept, ehemalige Fabrikschonsteine mit Windkraftanlagen bestücken zu wollen. Keiner der beiden Ansätze hat sich bisher jedoch durchsetzen können.

Der Computer-Grafik Experte Viktor Aleksandar Jovanovic gründet in London 2001 das Unternehmen Stormblade Turbines und verkündet einen Durchbruch bei der Entwicklung eines hocheffizienten Windturbinen-Designs, das bis zu 70 % der Windenergie in Elektrizität umwandeln könne. Außerdem würden die leisen und naturfreundlichen ‚Stormblade Turbinen’ die doppelte Windstärke als herkömmliche Turbinen verkraften.

Das besondere an der Anlage: Ebenso wie alle anderen beweglichen Teile befinden sich hier auch die Rotorblätter innerhalb einer Umhüllung, und bilden daher eine geringere Gefahr für Vögel oder Fledermäuse.

Interessant ist eine Grafik aus dem US-Magazin Science an Machanics von 1933 – auf dem Systeme abgebildet sind, die dem Stormblade-Konzept sehr ähnlich sehen.

Eine weitere neue Rotorform bildet der ‚Schlaufen-Rotor’, dessen Einsatz die Projektgruppe ‚Ultra-Leicht’ an der Hochschule Magdeburg untersucht wird. Auf einer Zeichnung dient der auch ,Bionic Rotor’ genannte Propeller sogar schon für den Antrieb eines modernen Kleinstflugzeugs. Mitglied der Gruppe ist übrigens auch Dr. Rudolf Bannasch vom Fachgebiet Bionik der TU Berlin, dem wir bei der ausführlichen Darstellung des (o.g.) Schlitzblattrotors noch einmal begegnen werden.

Ein bionisch inspiriertes Ultraleicht-Flugzeug mit diesem Rotor wird von Prof. Ulrich Wohlgemuth in Magdeburg-Stendal entwickelt.

Das holländische Unternehmen Venturi Wind BV & Aerolift Patent BV entwickelt eine neue und lautlose Windturbine, die insbesondere in bewohnten Gebieten eingesetzt werden könnte. Die sehr kleinen ‚Venturi Turbinen’ sind ballförmig und können als eine waagrechte Abart des Darrieus-Rotors betrachtet werden.

Windtunnel-Messungen an der Delfter Universität im Jahr 2003 zeigten, daß eine dreiblättrige Venturi Turbine eine Effizienz von 85 % erreicht – was immerhin um 40 % höher liegt als die Betzschen Gesetze eigentlich erlauben (nach diesen noch immer gültigen ‚Gesetzen’ ist maximal 59 % der Windkraft umsetzbar).

Das 30 kg schwere Gerät ist für 12/24 V ausgelegt, besitzt 6 flache Rotorblätter aus Polyester, hat einen Durchmesser von 110 cm, und bedarf keiner Drehzahlregelung. Die Venturi Turbine startet bereits bei einer Windgeschwindigkeit von 2 m/s, und ab 10 m/s leistet sie 100 W. Der maximale Output von 500 W wird bei 17 m/s erreicht, doch aushalten kann die Anlage bis zu 40 m/s. Auf dem Markt kommen wollte man 2005.

Das Jahr 2003 scheint für Innovationen auf dem Windsektor besonders attraktiv zu sein. Die California Energy Commission fördert mit 75.000 $ zum Beispiel den Erfinder Douglas Spriggs Selsam, damit er den 3 kW Prototypen einer von ihm erfundenen einachsigen mehrfach-Rotor-Windturbine bauen und testen kann. Und da das Projekt der ‚Selsam Superturbine’ das wohl am besten dokumentierte der gesamten Branche ist, soll ihm hier auch die Ehre eines link zuteil werden. Kommerziell angeboten wird bereits eine ‚Selsam Superturbine ST 1.2 American Twin Dual-Rotor’ mit einer Leistung von 1 kW.

Mitte 2003 wird die ‚Aeroturbine’ von Bil Becker öffentlich vorgestellt, die an der University of Illinois in Chicago entwickelt wurde, und nun von der Aerotecture International, Inc. vermarktet werden soll. Das System läßt sich senkrecht wie waagrecht betreiben, sei sehr leise und würde auch so gut wie jeden Windhauch nutzen. Anfang 2006 werden Pläne bekannt, denen zufolge der Stararchitekt Helmut Jahn in seinen neuen Entwürfen auch waagrecht auf dem Dach liegende Aeroturbine-Windgeneratoren integrieren wird.

Nach immerhin 23 Jahren Entwicklungszeit betrachtet 2003 der Australier Arthur O’Connor seine Turbine als ausgereift. Sie ist leise, für eine große Bandbreite unterschiedlicher Windstärken ausgelegt, und sehr preisgünstig. Es sind Durchmesser zwischen 1 und 5 m möglich, wobei mit dem 1 m Modell (~ 7.000 US-$) bis zu 6 kWh erreicht werden sollen, während mit 5 m schon 100 kWh am Tag eingefahren werden können. Die international patentierte O’Connor ‘Hush Turbine’ wurde im  September 2005 auch im Windkanal der RMIT University getestet.

Nobuhiro Murakami beginnt 2003 mit der Arbeit an einer Windkraftanlage ohne konventionelle Rotorblätter. Auf der japanischen Leitmesse für erneuerbare Energien im Oktober 2007 wirbt seine zwischenzeitlich im japanischen Katagami gegründete Firma Mecaro Co. für eine Windkraftanlage, die aus fünf mit spiralförmigen Lamellen versehenen Röhren besteht.

Der in Gemeinschaft mit mehreren Universitäten entwickelte Rotor mit seinen 11,5 m Durchmesser sei besonders leise. Als Name wurde ‚Spiral Magnus’ gewählt, weil er auf dem Magnus-Effekt beruht, dem zufolge ein in einer Strömung rotierender Körper eine Querkraft entwickelt. Um diesen Effekt optimal zu nutzen, wurden die Walzen mit einer spiralförmigen Lamelle versehen. Die erste in Japan selbst entwickelte Anlage mit 12 kW Leistung wird Ende 2007 bei der Ortschaft Ogata in der Präfektur Akita installiert.

Ebenfalls 2003 beginnt das frisch gegründete japanische Unternehmen Loopwing Ltd. Co. mit Windkanalversuchen an einen 1 m durchmessenden Modell eines selbstentwickelten, besonders leisen ‚Loopwing-Rotor’ am National Institute of Advanced Industrial Science and Technology. Auch hier haben die drei Rotorblätter eine schlaufenartige Form, als Wirkungsrad des Systems werden 43 % angegeben. Das Unternehmen tourt mit dem Rotor auf Messen und kassiert eine Reihe von Designpreisen dafür.

Ab 2006 wird der Loopwing-Rotor mit einem Durchmesser von rund 1,40 m hergestellt und zehn Mal für Parkbeleuchtungen verkauft. Im Oktober 2007 gibt das Unernehmen bekannt, daß ab nächstem Jahr Windkraftanlagen mit einem Durchmesser von 2,8 m und später von 4,8 m auf den Markt kommen sollen, wobei das große Modell dann auch nach Europa exportiert wird.

Für gutes Marketing sorgt derweil ein dreirädriges Selbstbau-Modellauto von Loopwing/Tamiya für 30 $, das sich mittels des mitgelieferten Loopwing-Windrades innerhalb von 5 Minuten wieder aufladen läßt. Es fährt dann 3,5 Minuten lang.

Und noch eine weiterer ‚Spiralrotor’ wird präsentiert, diesmal 2004 und von dem Bochumer Gernot Kloss. Jeweils zwei diametral angeordnete, flach gewundene Spiralen drehen sich um den Mast, unter dem sich der Generator befindet. Die Spiralen sind schalenförmig und ähneln auf den Kopf gestellten Spielplatz-Rutschen, die allerdings immer wieder von Querblechen unterbrochen werden. Damit kann die Anlage Wind aus allen Richtungen einfangen, sie soll auch schon bei schwachem Wind anlaufen – und selbst sehr starken Wind noch umsetzen können. Außerdem machen die Spiralen weniger Lärm als konventionelle Rotorblätter, und sie werfen auch keinen Schatten.

Eine kleine Version ist für den schwimmenden Einsatz auf Bojen konzipiert und hat hier den Vorteil, daß sich der gesamte Schwimmkörper samt Mast im Wind zur Seite neigen kann, ohne daß die Funktion davon beeinflusst wird.

Das kalifornische Unternehmen Wind Energy Group aus Orange County stellt unter dem Namen ,WEGI-100’ eine horizontale Windturbine vor, die man im Grunde auch als liegenden Savonius (s.d.) betrachten kann. Man stellt 2004 den ersten Prototypen her, der dann bis April 2006 getestet wird.

Die 100 kW-Anlage ist für den urbanen Einsatz auf Hausdächern u.ä. konzipiert, hat einen Rotor mit einem Durchmesser von 5,5 m und soll bereits in 149 Ländern patentiert worden sein (Stand Ende 2007).

Bereits im September 2000 startet das Windturbinen-Projekt ‚enflo’ – und schon 2001 wird der erste Prototyp enflo 0150/2.5 präsentiert und die enflo WindPower GmbH gegründet. 2002 folgt die Gründung der enflo systems ag und die Fertigstellung des enflo 0060/0.5 Prototypen. Nach der weiteren Optimierung und Tests an den Anlagen beginnt das operative Geschäft dann 2005 – und wird 2006 mit der Vergabe des iF gold award für die Windenergieanlagen ‚enflo 0060/0.5’ belohnt.

Die gegenüber freifahrenden Windenergieanlagen bei der enflo Turbine wesentlich erhöhte Energieausbeute beruht hauptsächlich auf folgenden Faktoren: Der die Turbine um- und durchströmende Wind wird durch einen Diffusor beschleunigt, entsprechend dem aerodynamischen Prinzip eines Flugzeugflügels. Der speziell bei den kleineren Anlagen entstehende Staudruck hinter der Turbine wird außerdem durch einen Fowler wirkungsvoll auf ein Minimum reduziert.

Shawn Frayne aus dem kalifornischen Mountain View entwickelt ab 2004 einen Windbelt, welcher den luftelastischen Effekt nutzt um Strom zu erzeugen. Es ist der allen bekannte Effekt der auftritt, wenn ein gespanntes Gummi im Luftstrom stark zu vibrieren beginnt.

Das 2007 erstmals vorgestellte System ist besonders geeignet um Energie unterhalb von 100 W zu erzeugen. An der schwingenden Membran ist in Nähe des Verankerungpunktes ein Magnetpaar befestigt, das zwischen festen Spulen oszilliert. Diese Methode sei 10 bis 30 Mal so effizient wie die besten Kleinwindturbinen, außerdem würde ein Windbelt für die wenigen Watt, wie sie häufig für Lampen oder Radios in der dritten Welt benötigt werden, nur ein paar Dollar kosten. Um sein Projekt voranzutreiben gründet Frayne die Humdinger Wind Energy, LLC mit Sitz in Honolulu.

Prof. Majid Rashidi von der Cleveland State University entwickelt ab 2005 einen Windturm mit dem Namen ‚Smart Energy Spire’, der dem 1996 von Weisbrich präsentierten ‚WARP tower’ (s.o.) sehr ähnlich ist, nur daß er diesmal spiralförmig aufgebaut ist.

In den Windungen des gigantischen Korkenziehers in Leichtbaukonstruktion befinden sich in zwei Reihen untereinander die Windrotoren. Auch hier soll durch die Lamellierung aufgrund des Bernoulli-Effekts eine Verstärkung der Windströmung erfolgen, wodurch eine sechs- bis achtfache Ausbeute im Vergleich zu Einzelrotoren erreichbar wird. Ein erstes Modell kann 300 kW leisten, doch Rashidi plant bereits eine 500 kW-Anlage mit insgesamt 20 Einzelrotoren.

Im Februar 2007 wird bekannt, daß man gemeinsam mit dem Unternehmen Green Energy Technologies aus Akron in die Produktion gehen will – bis 2009 soll bereits ein Umsatz von etwa 93 Mio. $ erreicht werden.

Der US-Bundesstaat Cleveland unterstützt das Vorhaben mit über einer halben Million Dollar, um auf einem der Universitätsgebäude einen ersten Prototypen zu errichten. Im Juli des Jahres melden die Blogs, daß weitere 1,1 Mio.  an Steuermitteln für das Projekt bewilligt wurden. Auch in die verschiedenen Konzepte des ‚Agri-Tower’, über den noch gesondert berichtet wird, fließt die Technik Rashidis mit ein – hier sogar mit vier Kolumnen von Generatoren.

Das Unternehmen PacWind Technology in Torrance, Kalifornien, bietet 2006 eine 1 kW Anlage an, die nach dem Modell der Durchström(wasser)turbine konzipiert ist und damit auch eine weiterentwickelte Abart des Savonius-Rotors darstellt. Versuche fanden außerdem mit einem 5 kW Modell des ‚PacWind Rotors’ statt, hier allerdings auch mit einer weit höheren Anzahl von Blättern.

Die Stromerzeugung durch Nutzung des Piezoelektrischen Effekts wurde schon mehrfach versucht, doch erst die ‚Bimorph Generator Structure’, die von zwei Instituten der University of Minnesota entwickelt und im Februar 2006 vorgestellt wird, scheint eine auch praktisch umsetzbare Methode zu sein, Windenergie in Strom zu verwandeln, ohne dabei rotierende Maschinenelemente zu gebrauchen.

Die flexible, mehrschichtige Matte flattert im Wind wie eine Fahne, wobei die Zug- und Druckkräfte der wellenförmigen Bewegung, die durch Luftwirbel induziert wird, eine Ladungssteigerung an der einen Folienseite zur Folge haben – allerdings ist die Energieausbeite von 20 mW noch bescheiden, und auch der bislang erreichte maximale Wirkungsgrad beträgt erst 0,1 %.

Ab Oktober 2006 bietet das Unternehmen Southwest Windpower in Flagstaff, Arizona, sei neuestes Produkt, den ‚Skystream 3.7’ an – einen 1,8 kW Dreiblattrotor mit 3,72 m Durchmesser, der sich ducrch schwertförmig gebogene Rotorblätter aus Fiberglas auszeichnet.

Lucien Gambarota entwickelt 2006 an seinem Unternehmen Motorwave (s.a. Wellenenergie) und gemeinsam mit Ingenieuren der University of Hong Kong eine spezielle Windkraftanlage, die schon bei Windgeschwindigkeiten um 2 m/s Strom produziert. Das System besteht aus einer Vielzahl miteinander verzahnter Minirotoren aus Plastik mit einem Durchmesser von 25 cm, die auch an Dächern oder Balkonen installiert werden können.

Als erstes Projekt wird Mitte 2007 aus z.T. eingefärbten 396 Einzelrotoren ein 18 m langer Schriftzug der Hong Kong Sea School aufgebaut – eine Werbemethode die nicht Energie kostet, sondern erzeugt. Auch die Taifune über Hong Kong im August und September mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 110 km/h verkraftet die Anlage schadlos. Im November 2007 wird eine weitere Dachanlage aus 500 Rotoren in mehreren Blöcken errichtet.

Ein Set aus 8 Rotoren, die gemeinsam 50 W Leistung erzielen, wird zusammen mit einem 2,2 m langen Träger für 199 $ angeboten.

So innovativ wie umstritten ist das Konzept Windpower ’n Rail der 1997 gegründeten deutschen SeeBA Energiersysteme GmbH. Die konventionellen Rotoren stehen hier auf Gittermasten, die direkt über vorhandenen und meist auch elektrifizierten Eisenbahngleisanlagen errichtet werden. Das Unternehmen gilt in Deutschland als erste Adresse für Gitter- oder Fachwerkstrukturen, und schon für den August 2004 plant man die Errichtung eines Prototypen mit 160 m Nabenhöhe und einer 2,5 MW-Windenergieanlage, allerdings noch nicht direkt über einer Gleistrasse. Man erwartet durch die zusätzliche Höhe eine Ertragsteigerung um bis zu 25 %.

Gemeinsam mit der im Mai 2003 gegründeten W2E (Wind to Energy), einem Rostocker Entwickler neu konzipierter 2,5 MW Windenergieanlagen, werden im 4. Quartal 2005 in Küstennähe zwei Prototypen errichtet, allerdings mit geringeren Nabenhöhen. Im September 2006 wird dann in Laasow, Brandenburg, die bislang höchste Windkraftanlage der Welt aufgestellt, denn die Rotorblätter dieser Fuhrländer-Anlage erreichen eine Höhe von 205 m.

Kein zwingend neues Design aber eine sinnvolle und effiziensteigernde Methode ist die Installation zweier gegenläufiger Rotoren an der gleichen Anlage. Diese Technik wird immer mal wieder vorgeschlagen, hat sich bislang aber trotz ihrer Vorteile noch nicht durchsetzen können. Eine sehr clevere Umsetzung wird unter dem Namen Counter Rotating Wind Turbine (CRWT) von der 2003 gegründeten Schweizer Firma Eotheme Sàrl vorgestellt. Hier dreht jeder Rotor eine Hälfte des Stromgenerators – einen ‚Stator’ gibt es nicht mehr.

Die Vorteile des gegenläufigen und getriebelosen Rotor-Generator-Systems werden im Wintersemester 2006/2007 von Prof. Dominique Bonvin am Polytechnikum in Lausanne untersucht. Im Abschlußreport wird u.a. eine Vorläuferuntersuchung genannt, die von M. Kloss im August 1942 in der Elektrotechnischen Zeitsschrift (63. Jhg. Heft 31/32) veröffentlicht worden ist. In Deutschland hatte das Reichsenergieministerium zwischen 1935 und 1945 sogar mehrere dementsprechende kleinere Modelle mit Durchmessern bis zu 10 m untersucht.

Ein neues Blatt-Design für niedrige Windgeschwindigkeiten unter 6 m/s zeigt als Besonderheit eine sanft gekrümmte Spitze, die es dem Blatt ermöglicht, den Belastungen durch turbulente Böen besser zu widerstehen. Im Februar 2007 wird das von den Sandia National Laboratories in Kooperation mit dem Unternehmen Knight & Carver (K&C) aus San Diego entwickelte Design unter dem Namen ‚Sweep Twist Adaptive Rotor blade’ (STAR) vorgestellt. Das Blatt kann sich stärker verwinden als herkömmliche Konstruktionen, wodurch auch längere Blätter herstellbar werden, die außerdem auch noch 10 % – 15 % mehr Leistung bringen. Im ersten Quartal 2007 werden vier weitere Blätter gefertigt, von denen drei im praktischen Einsatz an einer Turbine in Iowa getestet werden sollen. Ab 2005 hatte das Department of Energy (DOE) das Entwicklungsprojekt mit 800.000 $ gefördert.

Im September 2007 schlägt der Amerikaner Richard Dickson, der sich schon seit langem mit den Nutzung des piezoelektrischen Effekts beschäftigt, vor, Windbäume zu errichten, die mit ‚Blättern’ aus den entsprechenden Folien bestückt werden. Jedes Flattern dieser Folien erzeugt Strom, wenn auch nur in geringem Maße – doch durch die Masse können damit signifikante Leistungen erreicht werden. Über andere Nutzungsformen des piezoelektrischen Effekts berichte ich unter dem Oberbegriff Mikro-Energy-Harvesting (s.d.).

Im November 2007 stellt die MINIWIZ Sustainable Energy Development Ltd. in Tapei, Taiwan, ein portables Batterieladegerät vor, das mit einem winzigen Windrad – ähnlich wie bei Windmeßgeräten – bestückt ist. Die persönlichen Windkraftanlage HyMini kommt gemeinsam mit einem Mini-Solar-Ladegerät für 60 $ auf den Markt. Alleine gibt es sie für 50 $. Optional gibt es Oberarm- und Lenkstangenhalter, um während des Joggens oder Radfahrens das Handy oder den MP3-Player per Windkraft aufzuladen.

Ich bin allerdings überzeugt davon, daß eine kommerzielle Recherche noch sehr viele weitere Modelle, Innovationen und Ideen finden würde. Vielleicht läßt sich die vorliegende Übersicht ja eines Tages mit der entsprechenden Förderung zu einem tatsächlichen Lexikon der Windkraft-Innovationen ausbauen.

Zu den neuen Designs (nach dem Motto ‚Kunst am Bau’) gehört inzwischen auch die Integration der Windenergie-Nutzung in Gebäudekonzepten. Hier ist in den wenigen vergangenen Jahren eine große Akzeptanz erreicht worden, so daß man davon ausgehen kann, daß die Entwürfe auch zunehmend umgesetzt werden.

Der Architekt Richard Rogers schlug für seinen Tomigaya Tower in Tokio bereits 1993 eine integrierte Windturbine vor. Der Wind sollte durch die Architektonik zwischen die Gebäudeteile gelenkt werden. Windkanalstudien am Imperial College London bewiesen, daß diese Technik genügend Energie erzeugen würde, um das gesamte Gebäude zu versorgen.

Die bislang erfolgten Umsetzungen wie in Terry Farrells Green Building in Manchester, oder dem New York Sports and Convention Centre von Kohn Pedersen Fox dienen eher der Symbolik, als daß sie einen signifikanten Beitrag zum Energiebedarf der betreffenden Gebäude leisten.

Vom September 1998 bis zum August 2000 läuft ein seitens der Europäischen Kommission unter JOULE III finanziertes Förderprogramm, dessen Ergebnisse dann im Juli 2001 auf der European Wind Energy Conference & Exhibition in Kopenhagen vorgestellt werden. Das Projekt WEB (Wind Energy for the Built Environment) beschäftigt sich mit der Entwicklung eines mit Windenergie versorgten Wolkenkratzers.

Mit daran beteiligt ist die Universität Stuttgart, wo am Lehrstuhl für Baukonstruktion und Entwurf der Plan für ein knapp 200 m hohes Hochhaus mit drei Rotoren entsteht, deren Energieertrag den Strombedarf des 50-stöckigen Zwillingsgebäudes etwa zur Hälfte decken soll. Als weiteres Konzept wird ein vierteiliges Gebäudeensemble vorgestellt, das den Wind aus jeder Richtung nutzen kann.

Die Vorteile bestehen darin, daß sich die Windkraftanlage nicht mehr meilenweit entfernt, sondern direkt in dem Gebäude befindet, wo der Strom auch verbraucht wird. Aufwendige Kabeltrassen sind damit obsolet. Außerdem ist durch die Form des Gebäudes gewährleistet, daß die Geschwindigkeit des Windes in der Mitte – wo sich die Rotoren drehen – größer ist als außen. Computersimulationen zeigen, daß dort der Wind aufs Doppelte beschleunigt wird. Es wird sogar ein größeres Modell gebaut, mit dem das Verhalten des Rotors getestet wird. Trotzdem wurden die Pläne bislang noch nicht umgesetzt.

Ein weiteres, ähnliches Konzept hatte ich bereits in der Länderübersicht vorgestellt: Das 240 m hohe Bahrain World Trade Center von Atkins, dessen Grundstein im August 2004 gelegt wurde, und bei dem drei Rotoren von jeweils 29 m Durchmesser an Brückenkonstruktion zwischen den beiden Türmen angebracht sind.

Die Installation der Rotoren erfolgt im März 2007 – was das Gebäude damit zum ersten weltweit macht, bei dem das Konzept der gebäudeintegrierten Windenergie tatsächlich umgesetzt wurde. Die gewonnene Energie von 1,2 MW soll 11 – 15 % des gesamten Gebäudebedarfs decken. Die Zusatzkosten durch die Integration der Windturbinen betragen weniger als 3,5 % der Gesamtkosten des Bauprojektes.

Nicht umgesetzt wurde dagegen der interessante architektonische Vorschlage von 2004 zum Bau des umstrittenen Freedom Towers in New York, der an der Stelle des zusammengestürzten WTC errichtet wird.

Auf die Spitze des Gebäudes wollte das Architekturbüro Skidmore Owings Merrill eine 150 m hohe offene Käfigkonstruktion setzen, in deren Innern sich 30 Windrotoren drehen. Die sich darunter befindlichen Bauelemente sollte den Wind außerdem nach oben leiten – womit 20 – 25 % des Gebäude-Energiebedarfs hätte gedeckt werden können. Für das beratende Ingenieurbüro Battle McCarthy sei die Ablehnung dieses Konzeptes die größte Enttäuschung ihres Lebens gewesen.

Zu den neueren Plänen gehört der Skyhouse Wohnturm von Marks Barfield Architects, die auch das derzeit europaweit größte Riesenrad London Eye errichtet haben. Im Zentrum der dreigegliederten Bauwerks dreht sich ein Senkrechtachser in Form einer langgestreckten Spirale, die genügend Energie erzeugt um alle öffentlichen Bereiche des Gebäudes mit Strom und Licht zu versorgen, egal aus welcher Richtung der Wind bläst.

Von Mark Barfield stammt auch der Entwurf eines Darrieus-Baumes – einer Y-förmigen Struktur, in der auf mehreren Ebenen diverse kleine Rotoren montiert sind.

Das Architekturbüro legt mit dem Liverpool Edge building ein weiteres Projekt vor, auf dessen Dach mehrere Spiralturbinen vorgesehen sind, die und 10 % des Gebäudebedarfs decken können.

Inzwischen haben die Architekten auch ein neues englisches Wort erfunden: Urbines – für ,urbane (Wind-)turbinen’.

Hamiltons Architects wiederum integrieren Urbinen in die Pläne für ihr Castle house (auch unter dem Namen Castlewind Tower bekannt), einem 147 m hohen, 43-stöckiges Hochhaus mit 408 Apartments in Southwark, London. Im oberen Gebäudeteil sind drei jeweils 9 m durchmessende Windturbinen installiert, die den gesamten Beleuchtungsbedarf decken sollen. Die Detailplanung wird im März 2006 festgeschrieben, Baubeginn ist im dritten Quartal 2007.

Bereits erwähnt hatte ich die ab 2005 entwickelten Windtürme von Prof. Majid Rashidi an der Cleveland State University. Die ‚Smart Energy Spires’ werden 2007 beispielsweise in die Entwürfe des ‚Agri-Tower’ integriert, der wiederum eine neue Bewegung der vertikalen Landwirtschaft repräsentiert, die zunehmend Interesse weckt.

Einige Stichworte für weitere Recherchen hierüber: Die SKYFarm vom Gordon Graff, der The Living Tower von Pierre Sartoux, Konzepte von Waimond Ip oder eben die Agri-Tower Vertical Farms von Chris Jacobs, der auf die Dächer wahlweise PV-Solarheliostaten oder unterschiedliche Windkraftsysteme setzt.

Erstmals realisiert wird das Konzept im Rahmen eines 200 Mio. $ Projektes in Las Vegas. Man erwartet, mit der Vertical Farm den jährlichen Nahrungsbedarf von 72.000 Personen decken zu können. Insgesamt sollen 100 verschiedene Nutzpflanzen angebaut werden.

Die 30-stöckige Farm soll pro Jahr 25 Mio. $ für ihre Produkte einnehmen, sowie 15 Mio. $ durch besuchende Touristen. Die Planungsdetails werden 2008 erarbeitet, in Betrieb gehen soll das Gebäude dann Mitte 2010.

Ohne nun eine noch detailliertere Recherche durchzuführen kann man trotzdem davon ausgehen, daß auch in anderen Ländern als den hier genannten ähnliche Konzepte verfolgt werden.

Ein weiteres interessantes Urbinen-Projekt bildet jedenfalls der 38-stöckige Aquarius Tower in Atlanta, in dem neben einem PV-Solardach auch Windturbinen integriert werden sollen.

Der Baubeginn ist für den Sommer 2007 anvisiert, Bauende wäre dann im Herbst 2009. Konzipiert wurde das Hochhaus von Antonio Escandari und dem Architekturbüro PFVS, technische Details sind mir noch nicht bekannt.

Bill Dunster hat seinerseits den SkyZED Flower Tower konzipiert, der in Wandsworth Roundabout, Westlondon, errichtet werden soll. Hier sind neben zwei großen Turbinen auf den beiden Dächern auch noch diverse kleinere zwischen den 35-stöckigen Gebäudeteilen geplant. 2007 werden die Baukosten auf 60 Mio. Englische Pfund beziffert.

Das gleiche Prinzip sollte schon 2004 beim 15-stöckigen Wharf ZED Tower in Hammersmith, ebenfalls Westlondon, umgesetzt werden – was wegen der dort gültigen Traufhöhe von maximal 5 Stockwerken jedoch abgelehnt wurde.

Eine völlige neue Hochhauskonzeption bildet die ‚Dynamic Architecture’, die in Dubai erstmals umgesetzt werden soll. Dabei handelt es sich um ein Gebäude, das seine Form durch ständige Bewegung verändert – und in der Lage ist, für sich selbst als auch für andere Gebäude elektrische Energie zu erzeugen.

Der 330 Mio. $ Entwurf des italienisch-israelischen Architekt David Fisher sieht eine 59- oder sogar 68-stöckige Kombination aus Hotel, Wohn- und Büro-Turm vor, bei dem sich jede Etage unabhängig 360° um die Gebäudeachse drehen kann, was zu einer sich ständig verändernden architektonischen Form führt. Eine ganze Drehung dauert dabei 90 Minuten.

Und während sich die unteren Etagen entsprechend der Computerprogramme einer zentralen Steuerung drehen, haben die obersten fünf Ebenen die Freiheit, ihren Ausblick mittels einer Fernsteuerung selbst zu bestimmen.

Die fast versteckt zwischen den einzelnen Etagen horizontal rotierenden 48 Windenergieanlagen (bei dem 59-Etagen Konzept), von denen jede 300 kW erzeugt, sollen zusammen mit einer Solaranlage auf dem Dach jährlich rund 7 Mio. $ erwirtschaften.

An dem Projekt sind die Mejren Group von Scheich Mejren bin Sultan, die Kriston Co., ein Entwicklungsbüro mit Sitz in Athen, sowie Gowealthy, ein Immobilien-Marketing-Unternehmen in Dubai beteiligt. Baubeginn soll Mitte 2008 sein, die Bauzeit wird mit 22 Monaten angegeben.

Sehr interessant sind auch die Entwürfe von Michael Jantzen aus Illinois, wie z.B. das Konzept eines Daches voller kleiner Windgeneratoren für die Beschattung eines offenen Schwimmbades in wüstenähnlicher Umgebung. Der Architekt arbeitet seit Jahren an der Entwicklung von Gebäuden und anderen Objekten, die ihre Betriebsenergie weitgehend aus ihrem direkten Umfeld beziehen.

Eine Besonderheit seiner Arbeit sind begehbare Konstruktionen wie eine Fußgängerbrücke aus Stahl und Aluminium, die gleichzeitig ein Windtunnel ist, um den sich fünf Roteren in unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Richtungen drehen und für eine autonome nächtliche Beleuchtung sorgen.

Die gleiche Technik – diesmal allerdings in vertikaler Form – hat Jantzen als Beobachtungsturm konzipiert, in welchem eine innere Wendeltreppe zur Aussichtsplattform aufs Dach führt. Auch hier drehen sich die fünf Roteren in unterschiedlichen Richtungen.

Abschließend komme ich zu einem sehr aktuellen Bereich, der auch ganz besonders für Anleger interessant sein dürfte – den Offshore-Windfarmen.