Anmelden

Windkraft – Unkonventionell

 

Quelle: Achmed A. W. Khammas (Buch der Synergie)

Abschnitte

  • Vertikalachsen – Systeme
  • Andere Systeme
  • Augmentoren

Vertikalachsen-Rotoren

Vertikalachsen-Rotoren haben gegenüber konventionellen Systemen mit waagrechten Achsen folgende Vorteile:

Als Beispiel für den Ideenreichtum, Windenergieanlagen mit senkrechten Achsen zu bauen, soll hier das 1975 angemeldete und 1977 erteilte US-Patent Nr. 4.017.205 vorgestellt werden. Victor W. Bolie aus Albuquerque in New Mexico will den Wind, unabhängig von dessen Richtung, über einen zentralen Konus nach oben richten, wo sich die Blätter des Rotors befinden. Die technische Infrastruktur befindet sich am Boden und gut geschützt innerhalb der Rundpyramide. 

Bolie-Patent 1975

Bolie-Patent (1975)

Nachfolgend werden die wichtigsten Konstruktionsmodelle der Senkrechtachser im Einzelnen betrachtet, die im Englischen unter dem Oberbergiff VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) bekannt sind. Es handelt sich um Flettner-, Savonius-, Darrieus- und verschiedene andere Rotoren, während Einzelerfindungen, die ebenfalls mit senkrechten Achsen versehen sind, im Kapitel Neue Designs und Rotorformen präsentiert werden.

Ein wesentlicher Vorteil von Windrädern mit senkrechter Drehachse ist die Möglichkeit, sie in kleinerem Abstand zueinander aufzustellen, wie Forscher vom California Institute of Technology um John Dabiri im September 2009 feststellen. In Simulationen zeigen sie, daß derartige Windrad-Konstruktionen im Vergleich zu den heute üblichen Windpark-Anlagen sogar hundertmal mehr Energie pro Flächeneinheit erzeugen können. Das Manko heutiger Windräder ist nämlich, daß sie aufgrund der Luftverwirbelungen in großem Abstand voneinander aufgestellt werden müssen – bei Rotorblättern von 100 m Länge muß dieser mindestens 1 km betragen.

Die Computersimulation bestätigt eine besonders hohe Effizienz, sobald im und gegen den Urzeigersinn laufende Turbine dieser Art abwechselnd aufgestellt wurden. Dieses Konzept soll demnächst in Testanlagen überprüft werden, es ist von Fischschwarm-Analysen aus den 1970er Jahren inspiriert: Wenn sie sich im Schwarm bewegen, nutzen Fische eine Formation, die es dem einzelnen Tier erlaubt, sich vom Wasserwirbel der beiden weiter vorne schwimmenden Fische ziehen zu lassen. Die höhere Effizienz wird durch die Bewegung des jeweiligen Rotors nebenan erklärbar, die eine größere Luftströmung bewirke. Im Gegensatz zu den eher störenden Effekten bei Vertikalachs-Anlagen werden die Wirbel im vorliegenden Fall synergetisch genutzt.

Umsetzungen der verschiedenen Senkrechtachser werden – über die folgende Präsentation hinaus – auch in der Länderübersicht sowie im Kapitel Windenergie und Architektur vorgestellt.

Der Flettner-Rotor

Die Wirkungsweise dieses Rotors basiert auf einem Effekt, den der Berliner Physiker Heinrich Gustav Magnus 1852 entdeckt: An einem rotierenden und senkrecht zur Achse angeströmten Zylinder entsteht senkrecht zur Achse und zur Anströmrichtung eine Querkraft. Während so auf der einen Seite des rotierenden Zylinders ein Unterdruck entsteht, ergibt sich für die gegenüberliegende Seite ein Überdruck.

Der 1885 in Eddersheim bei Frankfurt am Main geborene Anton Flettner – später bekannter Hubschrauber-Konstrukteur und 1961 verstorben -, der um 1920 mit seinen Experimenten beginnt, will den Magnus-Effekt zum Antrieb von Schiffen nutzen. Im Juli 1923 läßt er auf dem Berliner Wansee ein 50 cm Modellboot zu Wasser, das einen Papierzylinder als Aufbau hat, der von einem Federuhrwerk angetrieben wird. Bereits 1924 setzt er den Versuch maßstabsgetreu um und rüstet den dreimastigen Segelschoner ‚Buckau’ zu einem Rotorschiff um.

Die ‚Buckau’ war in der Wasserlinie etwa 51 m lang und hatte als Segler 889 m2 Segelfläche getragen. Das Schiff wird nun seiner Takelage beraubt und mit zwei Rotoren von jeweils 15,6 m Höhe und 2,8 m Durchmesser ausgerüstet. Zum Antrieb der Rotoren dienen zwei 11 kW Gleichstrommotoren. Die maximale Drehzahl ist 125 U/min. Beide Rotoren zusammen besitzen eine projizierte Fläche von 88 m2. Flettner geht davon aus, daß der Kraftbeiwert der Rotoren zehnmal so groß ist wie die der Gaffelbesegelung. Um einen solchen Wert zu erreichen, werden die Rotoren mit Endscheiben versehen, die den 1,5fachen Rotordurchmesser haben.

Die Buckau

Die Buckau

Die im Herbst 1925 durchgeführten Versuchsfahrten ergeben, daß der Rotor ein in jeder Beziehung zuverlässiges und vollwertiges Antriebsmittel auch für Jachten darstellt. Außerdem ist die Handhabung der Rotoren wesentlich einfacher als das Setzen oder Raffen von Segeln, wofür immer mehrere Mann benötigt werden. Die erzielten Geschwindigkeiten bis 7 m/s entsprechen denen normaler Segeljachten ähnlicher Größe, während bei mehr als 7 m/s die Segeljacht dem Rotor unterlegen ist. Eine Segeljacht muß nämlich, wenn der Wind eine größere Geschwindigkeit als 7 m erreicht, bereits die Segel wegnehmen und sie reffen. Bei der Rotorjacht können die Böen dagegen nicht so gefährlich werden. Die Rotoren haben kein ‚Vollzeug’, die Geschwindigkeit wird lediglich durch die Verringerung der Drehzahl vermindert. Besonders wenn der Wind von achern – also von hinten – kommt kann der Winddruck auf den Rotor für die Fahrt voll ausgenützt werden, woraus sich sehr hohe Geschwindigkeiten ergeben. So werden während der Probefahrten bei 8 bis 10 m Wind in der Sekunde Fahrtgeschwindigkeiten von 20 bis 22 km/h gemessen.

Später wird die‚Buckau in ‚Baden-Baden umgetauft.

Trotz erheblicher technischer Schwierigkeiten beim Betrieb der Rotoren beweist das Schiff im Einsatz seine Fahrttüchtigkeit. Flettner behauptet, die Rotoren hätten  dem Schiff die gleiche Fahrleistung gegeben wie vorher die Segel – andere Aussagen widersprechen dem und meinen, daß die ursprüngliche Geschwindigkeit von 12 kn mit den Rotoren nie erreicht wurde. Trotz alledem weisen die Rotoren über vier Jahre ihre Brauchbarkeit bei geringem Wartungsaufwand nach.

Flettner-Rotor-Schiff Barbara

Die Barbara

Flettner führt im Mai 1926 mit seinem ‚Kamin-Segelboot’, wie es im Volksmund genannt wird, eine erfolgreiche Atlantiküberquerung durch – und zwar gegen den Wind, wovon Segler sonst nur träumen können.

Im selben Jahr wird im Auftrag der Reichsmarine ein weiteres Schiff bei der AG Weser-Werft in Bremen umgerüstet. Die 90 m lange ‚Barbara’ bekommt neben ihrem 750 kW Motor auch drei Rotoren von je 17 m Höhe und 4 m Durchmesser und kann daher als erstes Motorschiff mit Windzusatzantrieb gelten. Die ‚Baden-Baden’ beweist im sechsjährigen Einsatz die Funktionstüchtigkeit und Zuverlässigkeit des Rotorsystems, allerdings wird der Betrieb beider Schiffe im Zuge der aufkommenden Weltwirtschaftskrise aus ökonomischen Gründen eingestellt.

Die Nachteile dieser Methode bilden das Auftreten störender Kreiselkräfte, die wiederum mit lästigen Fliehkräften verbunden sind und Unwuchten (Vibrationen) erzeugen, die ihrerseits Festigkeitsprobleme aufwerfen. Außerdem ist kein schnelles Anlaufen und Drehrichtungsumsteuern des Rotors möglich. Flettner-Rotoren werden auch in dem 1926 erschienenen Buch von Anton Lübke Technik und Mensch im Jahr 2000 als zukünftige Energieproduzenten vorgeschlagen.

Rotorflugzeug auf dem Wasser

Rotorflugzeug

An dieser Stelle soll auch der Versuch erwähnt werden, ein Flettner-Flugzeug zu bauen! Durch die erfolgreichen Atlantiküberquerung der Baden-Baden im Mai 1926 inspiriert, wird in den USA ein Rotorflugzeug ohne herkömmliche Flügel entwickelt. Statt dessen kommen auch hier Flettner-Rotoren zum Einsatz, die den Magnus-Effekt nutzten.

Die Entwicklung dieses Fluggerätes basierte auf Untersuchungen von Ludwig Prandtl an der Aerodynamischen Versuchsanstalt (AVA) in Göttingen. Prandtl hatte rotierende Zylinder im Windkanal vermessen – und war auf verblüffende Auftriebswerte gestoßen. Ein rotierender Zylinder bot demnach einen bis zu zehnfach höheren Auftrieb als eine Flugzeugtragfläche.

Die um 1930 gebaute ,921-V’ mit ihren drei Rotationszylindern soll sogar einmal geflogen sein, dann jedoch eine Bruchlandung gemacht haben.

Der Flettner-Rotor ist im angelsächsischen Bereich auch unter dem Namen Madarasz-Rotor bekannt (manchmal auch Madaras geschrieben).

Bei dem Madarasz Rotor Power Plant project, das in den Jahren 1930 bis 1934 verfolgt wird, und dessen Patentierung durch Julius D. Madarasz 1928 beantragt wird (US-Patent Nr. 1791731, erteilt 1931), soll eine Vielzahl von 27 m hohen und rund 6,5 m durchmessenden Rotoren auf einer Kette von flachen Wagen installiert werden, die von Wind angetrieben auf einer kreisförmigen Schiene zirkulieren. Die Stromerzeugung soll über die Achsen der Wagen erfolgen.

Außer dem Bau eines Zylinder-Prototyps in Burlington, New Jersey, wird das Projekt jedoch nicht weiter verfolgt.

Erst viele Jahre später, 1977, wird an der Lehigh University in Bethlehem, Pennsylvania, eine Studie vorgestellt, derzufolge mit den aktuellen Technologien ein wirtschaftlicher Berieb des Systems sehr wahrscheinlich sei.

Von Herrn Rainer Schmieg bekomme ich dankenswerterweise noch weitere Fotos mit Flettner-Rotoren, von denen ich hier zwei veröffentlichen möchte. Zum einen handelt es sich um eine Aufnahme aus dem Bundesarchiv vom Mai 1931, auf der eine kleine Jacht mit Flettnerrotor zu sehen ist. Außer einem Hinweis auf Hamburg (auf dem Ruderboot) habe ich jedoch keine weiteren Informationen über dieses Boot.

Flettner-Rotorschiff als Spielzeug

Flettner-Spielzeug

Das zweite Foto zeigt ein vierrädriges Kinderspielzeug in Form eines Flettner-Schiffes, das vermutlich ebenfalls aus den 1930ern stammt. Die kleine Schlaufe am vorderen Teil impliziert, das man das Schiffchen hinter sich her ziehen konnte, worauf sich die Rotoren höchstwahrscheinlich gedreht haben.

Ansprechend ist in meinen Augen auch das Titelbild der Popular Science vom Juli 1933 mit segelartigen, spitz zulaufenden Flettner-Rotoren auf einer Jacht und einem Frachter. Die Idee hat damals jedenfalls großes Interesse geweckt, fiel dann aber lange Jahrzehnte der Vergessenheit heim.

Anton Flettner stirbt 1961 in New York und kann die Renaissance seines Antriebsverfahrens nicht mehr miterleben.

1983 erleidet die US-Amerikanische Windship Development Corp. Schiffbruch, als sie einen kleinen Flettner-Rotor mit einer Windturbine koppelt – und auch der weltbekannte Meeresforscher Jacques-Yves Cousteau muß im Oktober 1983, damals schon 74jährig, schlechte Erfahrungen machen – als bei Windstärke 9 sein ‚Turbosail’ herunterkommt.

Zu diesem Zeitpunkt testete er gerade eine modifizierte 13,5 m hohe, tragflächenartige ovale Röhre, bei welcher der Unterdruck statt durch Rotation durch einen innen liegenden 12 PS Ventilator und siebartige Öffnungen in den Seiten erzeugt wird. Auf dem 22 m langen Katamaran ‚Moulin à Vent I’ sollte damit die gleiche Leistung wie durch einen konventionellen 150 PS Motor erbracht werden.

Alcyone

Alcyone

Cousteau macht weiter, assistiert von den Professoren der Pierre et Marie Curie-Universität in Paris Lucien Malavard und Bertrand Charvier: Bis Mitte 1985 wird die ‚Alcyone’, ein verbessertes Modell mit zwei der inzwischen auch als Cousteau-Pechiney Turbosails bekannten Systeme, von der Firma Pourprix in Lyon konstruiert und beim Aluminium-Konzern Cegedur-Pechiney in Voreppe (Dept. Isère) in Auftrag gegeben; gebaut wird es anschließend in der Werft Société Nouvelle des Ateliers et Chantiers de la Rochelle-Pallice.

Noch im Laufe des Jahres 1985 überquert Cousteau mit der ‚Alcyone’ den Atlantik ohne Zwischenfall und setzt seine Erprobungsfahrt in den Pazifik fort. Das Schiff ist 2006 immer noch für die Cousteau Society unterwegs.

Ab 1985 wird für Cousteau das 800 t Forschungsschiff ‚Calypso II’ geplant, das ebenfalls mit zwei Turbosegeln, d.h. optimierten Flettnerrotoren mit einer projizierten Segelfläche von 150 m2 ausgerüstet werden sollte. Andere Pläne sahen nur ein Turbusail vor. Durch den späteren Tod von Cousteau wird das Vorhaben aber nicht verwirklicht.

Nachdem das Turbosystem durch die französische Firma Cegedur-Pechiney serienreif gemacht wird, erhält 1986/1987 ein 600 t Chemietanker ebenfalls dieses System.

Ein persönlicher Bekannter, Herr Gottfried Grossmann, berechnete in seinem Schreiben vom 30.06.1983, daß ein 20 m hoher und 2 m durchmessender Rotor eine Fläche von etwa 125,6 m2 besitzt. Bei einer Windgeschwindigkeit von 10 m/s entspricht dies jedoch einer Segelfläche von bis zu 1.256 m2, da der Magnuseffekt die wirkenden Kräfte bis zum 10fachen der Zylinderfläche steigert. Ein weiterer Bekannter, Rainer Höhndorf, hat sich ebenfalls mit diesem Prinzip beschäftigt und die eigene Jacht umgebaut. Etwas weiter unten verlinke ich auf ein Interview mit ihm. Seine zwei Rotoren benötigen jeweils 150 W. Er ist der Meinung, daß er damit eine Vortriebsleistung von 3.000 W erzielt hätte, was einen ausgesprochen guten Wirkungsgrad bedeuten würde.

Ab 1984 soll bei der Hamburger Werft Blohm + Voss der 1982 in Südkorea gebaute 6.700-t-Chemietanker ‚Nura’ mit Flettnerrotoren ausgerüstet werden. Das besitzende Unternehmen August Bolten will mittels einer Förderung durch das BMFT die Flettner-Technologie beleben und bei dem Tanker dadurch jährlich 15 – 20 % des Treibstoffes einsparen. Laut dem damaligen Abteilungsleiter des Projekts (1986/87) wurde das Vorhaben, zwei Flettner-Rotoren als Zusatzantrieb zu installieren, jedoch nicht realisiert, weil die zuvor stark gestiegenen Rohölpreise wieder sanken.

Am 13.08.1986 meldet Peter Ferger in Deutschland ein Patent an (Nr. 36.27.532.8), das eine Weiterentwicklung des Flettner-Rotors beinhaltet. Er nennt seine Erfindung ‚Digital-Segel mit aktiver dynamischer Oberfläche’.

Flettner-Boot

Unbekanntes
Flettner-Boot

Wegen der zuvor von der OPEC drastisch erhöhten Rohölpreise soll 1987 in einem vom Bundesministerium für Forschung und Technologie geförderten Projekt bei der Blohm+Voss AG in Hamburg ein 4500 tdw Chemikalientanker mit 2 Flettner-Rotoren ausgerüstet werden. Nach umfangreichen Windkanalversuchen werden folgende Leistungsmerkmale festgelegt:

  • Rotorlänge / Durchmesser: 19,5 m / 3,8 m
  • Bei 12 kn Schiffsgeschwindigkeit und Bft 5 sowie einem Windwinkel von 100° (bzw. 260°) übernehmen die Rotoren 35 % der Antriebsleistung.
  • Bei 12 kn Schiffsgeschwindigkeit und Bft 7 sowie den o.g. Windwinkeln übernehmen die Flettner-Rotoren die gesamte Antriebsleistung.
  • Jährliche Brennstoff-Einsparung auf einer Route von Europa nach Mittelamerika: ca. 25 %

Das Projekt wird allerdings nicht realisiert, weil die Kosten für Rohöl bzw. Schiffsbrennstoffe bereits 1986 wieder auf den Stand von 1973 zurückfallen.

Die Informationen und Berechnungsgrundlagen dieses Projektes stammen von Herrn Claus Wagner.

Zu dieser Zeit beschäftigen sich auch verschiedene Privatpersonen mit dem Flettner-Prinzip. Mal mit nur einem Zylinder, wie bei dem abgebildeten (unbekannten) Kleinboot, das zumindest auf diesem Foto recht mutig wirkt – und mal mit zwei Zylindern von jeweils 2,5 m Höhe, wie bei dem 7 m langen Kutter ,Übergang II’, den Rainer Höhndorf aus Schwerin 2003 baut, der uns weiter unten nochmals begegnen wird.

Windkanaltest eines Flettner-Schiff-Modells

Windkanaltest eines
Flettner-Schiff-Modells

Das Projekt wird gemeinsam mit dem Schulprojekt ‚Fit for Life’ verwirklicht, die beiden Motoren der Rotoren verbrauchen jeweils 150 W, während die Fahrleistung des Schiffes bei Wind mit umgerechnet 3 kW angegeben wird.

Der Physiker Lutz Fiesser von der Universität Flensburg experimentiert seit 15 Jahren mit dem Flettner-Rotor. 2004 und 2005 werden Forschungsmittel bereit gestellt, damit im Institut für Physik und Chemie und ihre Didaktik ein regenerativ angetriebenes Wasserfahrzeug entwickelt werden kann. Fiesser hatte um 1990 bereits das Modell eines Solar-Katamarans namens ,SolKat’ entwickelt.

Mitte August 2006 nimmt das Testboot – es ist 6,10 m lang und 4,50 m breit – in der Flensburger Förde erstmals Fahrt auf. Die ,Uni-Kat’ besitzt wie die in der Südsee als Proa bekannten Boote einen zweiten, kleineren Rumpf, der mit dem Hauptteil des Boots über Stangen verbunden ist und ein problemloses Wenden ermöglicht.

Die Proa selbst ist unter dem ursprünglichen Namen Mbuli von John Harris konstruiert worden, die Modifikation und der Umbau erfolgen durch die Firma R&R Bootsbau. Die weitere Entwicklung wird durch die Innovationsstiftung Schleswig-Holstein gefördert. Für das Foto des ,Uni-Kat’ sowie für das aktuellste Foto des ‚E-Ship’ (s.u.) danke ich Herrn Reinhold Kellermann, auf dessen Homepage weitere interessante Informationen zu finden sind.

Ebenfalls im Sommer 2006 wird bekannt, daß der Auricher Windrad-Hersteller Enercon bei der Kieler Lindenau-Werft ein Frachtschiff mit 29.000 BRT bestellt hat, das mit vier Flettner-Rotoren ausgerüstet und im September 2008 ausgeliefert werden soll.

Enercon E-Ship 1 Grafik

Enercon E-Ship (Grafik)

Das für den Transport von Windkraftanlagen konzipierte ‚E-Ship’ wird 130 m lang und 22,5 m breit sein. Es besitzt einen dieselelektrischen Hauptantrieb und dazu vier von Enercon entwickelte stählerne Flettner-Rotoren von jeweils 25 m Höhe und 4 m Durchmesser. Bei Windstärke 7 kann der dieselelektrische Hauptantrieb (2 x 3.500 kW) komplett ausgeschaltet werden, denn dann reicht bereits die Kraft der Rotoren, um die Höchstgeschwindigkeit von 17,5 kn zu erreichen.

Das Schiff soll 30 bis 40 % weniger Kraftstoff verbrauchen, was beträchtlich ist, denn ein derartiger Frachter verbraucht an 320 Tagen im Jahr auf See Dieselöl für rund drei Millionen Euro. Man rechnet daher damit, dass sich der neue Antrieb in weniger als fünf Jahren amortisiert haben wird. Außerdem fahren Schiffe in der Regel mit schwefelhaltigem Schweröl. Dabei erzeugen sie mehr als 7 % des weltweiten Schwefeldioxid sowie 13 % des Stickoxidausstoßes.

Eigentlich ist bereits für Ende 2007 eine Pressemeldung mitsamt Fotos geplant (ich hatte die hier ursprünglich veröffentlichte Grafik auf Wunsch der Enercon-Geschäftsleitung gelöscht), doch die Kiellegung erfolgt ohne große Öffentlichkeit. Der erfolgreiche Stapellauf findet dann tatsächlich am 2. August 2008 statt, und bis Ende des Jahres soll die Endausrüstung und anschließende Inbtriebnahme erfolgen. Anfang 2009 bekomme ein erstes Foto des Schiffes – allerdings noch ohne Rotoren.

Enercon E-Ship im Bau

Enercon E-Ship (im Bau)

Anfang 2010 schießt Herr Onno K. Gent das erste Foto des ‚E-Ship’, auf dem die Flettner-Rotoren bereits zu sehen sind (s.d.). Nun sollte es nicht mehr allzu lange dauern, bis Enercon offizielle Pressefotos veröffentlicht. Und nicht nur ich bin sehr gespannt auf die tatsächlichen Fahrtergebnisse, sobald das Schiff im Einsatz ist.

Im Januar 2010 sind die Stahlbauarbeiten am ‚E-Ship 1’ weitestgehend abgeschlossen und das Schiff wird in ein Dock der Emder Nordseewerke (Thyssen Krupp Marine Systems TKMS) überführt, wo es seinen Endanstrich erhält und letzte Arbeiten am Unterwasserschiff ausgeführt werden.

Nach Fertigstellung dieser Arbeiten Ende Februar werden zunächst die Inbetriebnahmen der technischen Anlagen bei der Cassens Werft fortgeführt, anschließend wird das Schiff zur ersten von mehreren Erprobungsfahrten aufbrechen. Seinen Dienst als Frachtschiff wird das ‚E-Ship 1’ voraussichtlich im Sommer 2010 aufnehmen. Tatsächlich erfolgt im Juli eine Pressemeldung, derzufolge das Schiff bereits zwei Probefahrten unternommen hat. Die ersten beiden Fahrten mit Ladung erfolgen im August, wobei Windenergieanlagen nach Dublin verschifft werden. Die Fahrten verlaufen zumeist mit 13 bis 16 Knoten.

Es ist inzwischen jedoch fraglich, ob die überzeugenden Erfolge der SkySail-Technologie nicht gleichzeitig auch das Ende der relativ komplizierten und technisch aufwendigen Flettner-Rotoren bedeutet…

Über den Flettner-Rotor als physikalisches Prinzip berichte ich kurz im Teil D dieser Arbeit (Kapitel 9 unten). Ein Interview mit Rainer Höhndorf vom Sommer 2006 beschäftigt sich ebenfalls ausführlich mit dieser Technologie (pdf-Dokument).

Mehmetoğlu Prototyp 4

Mehmetoğlu Prototyp IV

Dem Namen zufolge eindeutig als aus der Türkei, ansonsten jedoch ohne nähere Informationen über Erfinder und Zeitpunkt, stammen die Rotoren der Firma Mehmetoğlu Energy. Auf verschiedenen YouTube-Clips von 2007 sind unterschiedliche Konfigurationen einer kleinen Windkraftanlage zu sehen, bei denen zylindrische Rotorblätter zum Einsatz kommen, die im Grunde als sich um zwei Achsen drehende Fletter-Rotoren bezeichnet werden können.

Während der Prototyp 1 (,NSM 21’) mit zwei konventionellen und zwei Flettner-Blättern ausgestattet ist, sieht man auf den Standfotos deutlich, daß der Prototyp 2 mit drei Zylindern bestückt ist, die innerhalb von rotorblattähnlichen Anströmflächen installiert sind.

Mehmetoğlu Prototyp 3

Mehmetoğlu Prototyp III

Der Prototyp 3 hat drei Zylinder, die einen größeren Durchmesser als seine Vorgänger aufweisen und eher an Tonnen erinnern. Hier hat man durch die daneben stehende Person auch einen Eindruck von der tatsächlichen Größe dieses Prototyps.

Das vierte Modell besitzt statt Zylindern drei kegelförmige Rotoren. Technische Details gibt es nicht zu erfahren. Den Angaben zu den Clips ist nur zu entnehmen, daß die Flettner-Rotorblätter einen um 30 % höheren Ertrag versprechen als die sonst üblichen Systeme. Es sollen bereits größere Versuchsanlagen im Bau sein, außerdem wird eine weltweite Patentierung angestrebt.

Über weitere Hinweise oder technische Informationen würde ich mich freuen – die schlechte Bildqualität rührt daher, daß es sich bei diesen Aufnahmen um Standfotos aus den Video-Clips handelt.

Eine ähnliche Anlage mit runden, allerdings wesentlich längeren und schlankeren Rotoren stelle ich unter dem Namen ,Spiral Magnus’ in der Länderübersicht Japan vor (s.d.).

Eine sehr interessante Optimierungsform des Fletter-Rotors scheint allerdings fast völlig in Vergessenheit geraten zu sein, denn der schottische Ingenieur Alexander Thom berichtet schon 1934 in dem Aeronautical Research Committee Report and Memoranda No. 1623 der Cranfield University, daß viele große Scheiben an einem Flettner-Rotor dessen Leistung beträchtlich anheben.

Aus einem maximalen Auftriebsbeiwert des Flettner-Rotors von ca. 12 wird mit Thom-Scheiben ein Auftriebsbeiwert von 20 bis 28 errechnet – bei einem Sechstel des Widerstands. Dies entspricht einer Verzehnfachung der Gesamtleistung.

Thom-Rotorschiff Grafik

Thom-Rotorschiff (Grafik)

Aufgenommen wurde diese Idee erst wieder in einem im März 2007 veröffentlichten Bericht von Stephen Salter und Graham Sortino der Universität Edinburgh, in welchem ein Konzept untersucht wird, bei dem u.a. auch seebasierte Anlagen die Wolkenalbedo steigern sollen – d.h. mehr Sonnenlicht zurückwerfen, um die Globaltemperatur zu senken. Die Idee bildet ein Geoengineering-Projekt, das auf fernsteuerbaren Roboterschiffen basiert, die die Meere durchkreuzen und dabei Wasserdampf in die Luft sprühen. Die winzigen salzhaltigen Tröpfchen steigen auf, werden zum großen Teil von en existierenden Wolken aufgenommen und vergrößern so die weiße Wolkenfläche, welche die Sonnenstrahlen reflektiert.

Die hierfür konzipierten Trimarane mit einer Wasserverdrängung von 300 t (zum Einzelpreis von 1 – 2 Mio. €) sollen mit mehreren 20 m hohen Thom/Flettner-Rotoren von 2,4 m Durchmesser ausgestattet werden. Der erzeugte Schub bewegt die 45 m langen Schiffe, deren Bewegung wiederum unter der Meeresoberfläche montierte Turbinen antreibt.

Der produzierte Strom pumpt das Wasser aus dem Meer und filtert winzige Wassertröpfchen heraus, die nicht größer als ein Mikron sein dürfen, um diese dann in die Luft zu sprühen. Um die gewünschte Wirkung zu erzielen müssen pro Sekunde 30 kg aufwendig gefilterten Meerwassers als feine Tröpfchen in die Luft gepustet werden.

In Deutschland kommt die Sache erst im September 2008 in die Presse, nachdem in den USA ein zweiter Artikel gemeinsam mit John Latham vom National Center for Atmospheric Research in Boulder erscheint. Mit ausreichender Finanzierung könnten die ersten funktionsfähigen Prototypen innerhalb von 5 Jahren gebaut werden, die Weiterentwicklung bis zur Serienreife würde etwa 20 Mio. € kosten.

Um die Temperatur konstant zu halten, wenn die CO2-Werte in der Atmosphäre nicht reduziert werden, wären dann bis zu 2.000 solcher Schiffe notwendig, rechnen die Wissenschaftler, während die Kosten des laufenden Betriebs mit weniger als 100 Mio. € im Jahr kalkuliert werden.

Der Klimatologe Alan Gadian ist laut Presse im September 2009 dabei, die notwendigen Fördergelder zu beschaffen um einen funktionierenden Prototypen der Klima-Schiffe zu bauen.

Das selbstgebaute Modell des Flettnerschiffs Barbara

Das selbstgebaute Modell
des Flettnerschiffs Barbara

Eine Wiedergeburt – in umgesetzter Form – hat die Universität von Edinburgh mit der ,Cloudia’ geschafft. Der Trimaran zur Erprobung des Flettner/Thomantriebs ist mit je einem 5 m und einem 6 m hohen Flettner/Thom-Rotor bestückt.

Während der Weihnachtsfeiertage 2009 habe ich mir eine kleine Auszeit genommen und ein Modell des Flettnerschiffes Barbara gebaut, das hier ebenfalls abgebildet werden soll. Die nicht gerade unkompliziert aufgebauten Bastelbögen aus dünnem Karton waren zwar nicht einfach zu bewältigen, dennoch hat es mir großen Spaß gemacht, das Modellschiff zu bauen.

Zwischen Februar und August 2010 gibt es eine Sonderausstellung in der Schifffahrtsausstellung des Deutschen Technikmuseums in München: „Der Flettner-Rotor – eine gescheiterte Innovation?“.

Eine Weiterentwicklung von 2010 sind WL-PowerCane Rotoren, die auf eine Idee von Wolfgang Watermann Ende 2007 zurückgehen und bereits 2008 als Modell im Windkanal getestet werden. Nun wartet die in Haan/Rheinland beheimatet Firma auf das nötige Investitionskapital. Ich werde die Entwicklung im Auge bahalten…

Der Savonius-Rotor

Diese Erfindung aus dem Jahr 1924 geht auf den finnischen Schiffsoffizier S. J. Savonius zurück.

Savonius-Rotor Strömungsverlauf

Savonius-Rotor und
Strömungsverlauf

Der Savonius-Rotor hat eine vertikal angeordnete Achse, er besitzt allerdings keine Rotorblätter, sondern nur zwei (oder mehr) gegeneinander versetzte Zylinderhälften, die zusammen mit der Achse verschweißt sind. Ein solcher Rotor ist leicht herzustellen, z.B. aus alten Ölfässern o.ä.

Savonius-Rotoren arbeiten schon bei Windstärken von 2 bis 3; sie sind mit kleinen Durchmessern vermehrt in den 1930er Jahren hergestellt worden, mit einer Leistung von 6.000 kWh im Jahr.

Im National Museum of American History, dem berühmten Smithsonian, wird ein Savonius-Rotor ausgestellt, der ein als Ventilator konzipiertes Schaufelrad antreibt und aus dem Jahre 1931 stammt.

Im Gegensatz zu allen anderen windnutzenden Systemen wirkt die Abluft aus der ersten halbkreisförmigen Schale in der zweiten wieder antreibend, sofern die Schalen nach innen hin offen zueinander sind, wodurch sich relativ gute Wirkungsgrade erreichen lassen – trotz der augenscheinlichen ‚Primitivität’ des Systems.

Pressemeldung 1931

Pressemeldung (1931)

Sehr interessant ist eine Pressemeldung aus dem US-Magazin Modern Mechanix vom Juli 1931. Dort wird ein Savonius-Rotor, bei dem es sich um den ersten in den USA handeln soll, nämlich (noch) als Flettner S-Rotor bezeichnet. Bei dem Wasser-Pumpsystem für einen Ententeich handelt es sich um die Entwicklung des Luftfahrtingenieurs Charles L. Lawrence.

Im Laufe der Jahre werden besonders in der 3. Welt viele ähnliche kleine Rotoren aufgestellt, da sie sehr leicht herstellbar sind. Wissenschaftliche Optimierungsbemühungen gibt es aber kaum, und erst Jahrzehnte später werden einige neue bzw. modifizierte Systeme vorgeschlagen.

Eine leicht abgewandelte Art des Savonius-Rotors wird in der 1970ern in Berlin durch die Firma ROTOSOL entwickelt (ROTAG 10-6) und vom Berliner Senat finanziert. Konstruiert wird die Anlage von Alfred Goedecke. Die Erprobung beginnt 1981 auf dem Gelände des Flughafens Tempelhof. Die Anlage ist 4 m hoch und hat einen Durchmesser von 6 m. Bei einer Windstärke 7 bis 8 (etwa 17,5 m/s) beträgt die Nennleistung 10 kW. Das neue an diesem Modell ist die optimierte Systemdurchströmung. Ab 1984 ist das Gerät auch im Handel erhältlich.

MAT System Prototypen

MAT Prototypen

Aus dem Jahr 1999 stammt das Modell eines Einfachst-Savonius aus Bambusstäben und Hanf-Leinwand. Er wird von Jeff Casper in New York entwickelt und gebaut (erscheint aber erst Mitte 2007 als YouTube-Clip im Netz).

Die in Worcester, Massachusetts, beheimatete Mass Megawatts Wind Power, Inc. plant den Bau großer Windkraftanlagen mit dem selbst entwickelten MultiAxis Turbosystem (MAT), das aus einer Vielzahl kleiner, eher flacher Savonius-Rotoren besteht.

Ende 2001 baut das Unternehmen einen eigenen Windkanal, um die Optimierung durchzuführen – während in Charlton die erste Versuchsanlage errichtet wird. 2004 wird in Blandford ein Prototyp aufgestellt, und 2006 spricht man bereits hoffnungsvoll von einem ersten 1.000 MW Projekt, obwohl es bislang nur diesen einen Prototyp gibt, und für die weiteren Projekte auch noch keinerlei Finanzierung bereitsteht.

Ende 2009 wird über weitere Tests in Hunter, New York, berichtet. Im Erfolgsfall könnte die Technologie bald in Skigebieten der Pocono Mountains in Pennsylvania zum Einsatz kommen. Der sich in Bodennähe befindliche Generators reduziert die Vibrationen und verringert die Wartungskosten. Die Anlage kann mit standardisierten Bauteilen vom Regal errichtet werden und erfordert auch weniger Material als die üblichen Windrotoren. Das Unternehmen behauptet außerdem, daß die Turbinen praktisch geräuschlos sind.

Bei der Testanlage in Hunter wird auch ein neuer, zum Patent angemeldeter Windverstärker integriert, der eine 50 %-ige Zunahme der Windgeschwindigkeit verursacht, sowie ein weitere Innovation, welche die Leistung aus der Blätter verdoppeln soll.

Die britische Carbon Concepts Ltd. aus Derbyshire entwickelt gemeinsam mit der New & Renewable Energy Research Group (NaREG) der Universität Durham, der Emat Ltd. und den Firman Gateshead, Tyne & Wear sowie Northumbria Plastics 2004/2005 den Prototypen eines 1 kW low cost Savonius samt neuem 2 kW Scheibengenerator für den Hausgebrauch.

Insgesamt sollen im Laufe von 6 Jahren 2.800 MAT-Einheiten aufgestellt werden. Ich rechne allerdings eher damit, daß dieses Unternehmen zu jenen vielen gehören wird, von denen man später leider nichts mehr hört…

Grafik des Ettridge-Rotors

Ettridge-Rotor

Um das Problem zu lösen, daß die Schaufeln des Savonius-Rotors nur während einem Drittel des Umlaufs (120°) vor dem Wind liegen, hat John Patrick Ettridge aus dem südaustralischen Dover Gardens 2006 ein teilweise abgeschirmtes System mitsamt einer darauf gesetzten Wind-Zuleitung entwickelt, durch welche die Blätter auch während der restlichen zwei Drittel des Umlaufs (240°) einen Windschub von schräg oben bekommen.

Im August 2008 kann Ettridge die Patentgebühren in mehreren Ländern für seine Erfindung nicht mehr zahlen, er hält nur noch die Rechte in den USA, England, Deutschland, Japan, Indien und Australien. Vermutlich hat er sich etwas verzettelt, der er neben seinem Rotor gleichzeitig auch noch einen Gemini Electric Motor und einen Gemini Electric Generator erfunden hat…

2010 sucht er noch immer nach einem Produzenten für seine Anlagen, von denen es bislang nur einen Prototypen gibt (vermutlich seit 2008), der im Vergleich zu dem scheibenförmigen Konzept eher wie eine zur Hälfte abgedeckte Tonne aussieht.

Das US-Unternehmen Helix Wind Corp., in dessen Aufsichtsrat u.a. auch Paul Bradley sitzt, besitzt 2006 bereits Herstellungsanlagen in San Diego und in Las Vegas. Der ‚Helix Wind Savonius 2.0’ soll Eigenheime leise und effizient mit Strom versorgen. Im Gegensatz zu den konventionellen Modellen haben die Rotoren von Helix Wind ein gewelltes Schaufelprofil, das als besonders leistungsstark gilt – außerdem sind sie spiralförmig aufgebaut, sodaß auch bei Turbulenzen der Wind bei jedem Winkel während der Rotation eine Angriffsfläche findet.

Am New Earth Development project im kalifornischen Barrio Logan wird 2007 die erste 2 kW Anlage installiert. Der Rotor mißt 180 x 120 cm und soll sich nur um 5 Dezibel von den allgemeinen Umgebungsgeräuschen abheben. Als Preis des ‚Helix Savonious 2.0’ werden 6.500 US-$ angegeben (ohne Turm und Installation), eine spätere 5 kW Version soll 16.500 US-$ kosten.

Im Februar 2009 wird Helix Wind zu 100 % von der US-Firma Clearview Acquisitions Inc. übernommen, und in einer Finanzierungsrunde sollen nun 3,5 Mio. $ für die Weiterarbeit eingeworben werden. Im darauffolgenden Juni wird eine strategische Partnerschaft mit der Firma Synergy California LP eingegangen, um ein Forschungs-Hochhaus der Oklahoma Medical Research Foundation mit 25 Stück der kleinen, DNA-förmigen ,Helix Wind S594’ Modelle zu bestücken.

Gemeinsam mit der Atoll Financial Group bietet das Unternehmen ab August 2009 ein Finanzierungskonzept an, das auch die 30 %-ige staatliche Steuergutschrift für die Herstellung sauberer Energie berücksichtigt, die in den USA gewährt wird.

Die aus Aluminium und Edelstahl hergestellten Helix Windkraftanlagen kosten zu diesem Zeitpunkt in etwa dasselbe wie Solaranlagen vergleichbarer Leistung: Die 3 m hohe 2,5 kW Turbine schlägt einschließlich einem 3 m Turm, Wechselrichter, Schaltkasten und Installations-Komponenten mit etwa 15.000 $ zu Buche – vor der 30 %-igen Steuergutschrift –, während eine netzgekoppelte 5 kW Anlage von 6 m Höhe komplett installiert zwischen 20.000 $ und 25.000 $ kostet.

Im Oktober 2009 liefert Helix Wind seine Windkraftanlagen auch an das nigerianische Telekommunikationsunternehmen Eltek Network Solutions Group, das die Rotoren in zwei Testgebieten in Nigeria einsetzen wird. Zum Jahresende beginnen dann auch in den USA Versuche zur Stromversorgung von Handy-Sendetürmen mittels der spiraligen Savonius-Anlagen.

Bluenergy Rotor

Bluenergy Rotor

Die 2002 gegründete Bluenergy Solarwind Inc. beschäftigt sich neben der Entwicklung effektiver Solarmodule auch mit einem verdrillten Savonius-Rotor. 2006 soll der Vertrieb der Solarwind Turbine in den USA beginnen.

Im Gegensatz zu den vielen ähnlichen Systemen zeichnet sich die Entwicklung des Erfinders und Unternehmensgründers Bernd Melchior dadurch aus, daß die Rotorflächen gleichzeitig mit einer Schicht Solarzellen bestückt sind, die mit einem transparenten Fluorpolymer-Film laminiert werden, der die Sonnenstrahlen aus unterschiedlichen Winkeln einfängt. Ein ausgesprochen synergistischer Ansatz, dem ich viel Erfolg wünsche!

Die Doppel-Helix von Melchior, auch Inhaber der deutschen Bluenergy AG im Wermelskirchen, soll bei Windgeschwindigkeiten zwischen 6,5 km/h und 145 km/h Strom produzieren können. Das Unternehmen plant den Bau einer Herstellungslinie in Santa Fe, New Mexico, wo ab dem Sommer 2007 drei Modellgrößen produziert werden sollen: 2 kW, 5 kW und 8 kW. Die 5 kW Anlage ist 5,5 m hoch, hat einen Durchmesser von 1,8 m und soll 35.000 $ kosten.

Ende Mai 2006 will das US-Unternehmen TMA (Terra Moya Aqua) aus Cheyenne, Wyoming, den ersten ihrer weiterentwickelten Savonius-Rotoren mit einer Nennleistung von 25 kW in Betrieb nehmen. Die Windkraftwerke haben eine große Ähnlichkeit mit den seit über 2.000 Jahren bekannten persischen Windmühlen, denn bei den TMA-Anlagen befinden sich zwei halbzylindrische Rotorblätter im Inneren, die von drei festen und sternförmig angeordneten Blechen umstellt sind.

Während der Forschungs- und Entwicklungsphase seit 1996 wurden über 300 Versuche in Windkanälen durchgeführt. Für Vor-Ort-Tests sind neun Turbinen gebaut worden, die ein sehr gutes Anlaufverhalten zeigen. Und während die üblichen Senkrechtachser einen Wirkungsgrad von 23 % aufweisen, will TMA diesen Wirkungsgrad mit ihrem verbesserten Design auf 40 % – 45 % steigern.

2007 wird die Versuchsanlage knapp zweieinhalb Monate an das öffentliche Netz angeschlossen. Das TMA-Design ist von 1 kW bis 1 MW skalierbar, doch das Unternehmen beabsichtigt, vorerst keine Anlagen größer als 500 kW zu bauen. Ende 2008 ist man mit der Optimierung der Steuerungssoftware beschäftigt.

RHS System

RHS System

Ganze Savonius-Türme werden erstmals 2006 in Moskau vorgestellt. Der russische WIE-Windrotor des Moskauer Unternehmens Enecsis Wind Energy besteht aus standardisierten Modulen, die in großer Zahl übereinender gestapelt werden können.

Auch das deutsche Unternehmen Energy-Age-Wind arbeitet mit vertikaler Windtechnologie. Ende 2006 soll der Öffentlichkeit ein geräuscharmen Prototyp mit 150 kW präsentiert werden. Die Anlage dieses Unternehmens beinhaltet einen Widerstandsläufer mit enormen Auftrieb. Die  Windbeschleunigung soll das 2,5fache betragen.

Im Oktober 2006 gibt die Hybridyne Power Systems Canada Inc. in Newmarket, Ontario, bekannt, daß man ab sofort Exklusivvermarkter des neuen Produkts von Panasonic sei, dem Kazekamome Remote Hybrid System (RHS), bei dem es sich um eine stand-alone Technologie handelt, bei der ein verdrillter Savonius-Rotor mit einem Solarpaneel verbunden eine ästhetisch ansprechende Kleinstromversorgung bildet. Ein Preis wird nicht bekannt gegeben – bekannt ist nur, daß diese Technologie die jährlichen Stromkosten der Straßenbeleuchtung von derzeit rund 125 $ pro Lichtpunkt einsparen kann.

Die Berliner Designer WINDFORMER suchen nach neuen Wegen, intelligente Technik und zukunftorientiertes Design zusammenzubringen.

Futura Designlampe Grafik

Futura (Grafik)

Man kann nur hoffen, daß diese innovativen Ideen recht bald umgesetzt werden – mit den immensen Einsparungen, die dadurch bei der Straßenbeleuchtung möglich sind!

Unter der Vielzahl überzeugender Vorschläge sei hier die insbesondere für öffentliche Plätze entworfene Wind/Sonnenenergie Leuchte ‚Sol’ vorgestellt, unter deren Leuchtkranz sich ein Savonius-Rotor mit gebogenen Blättern aus transparentem Polycarbonat befindet, der mit einem Generator gekoppelt ist. Auf der Oberseite der Leuchte befindet sich außerdem auch noch ein Solarpanel, das tagsüber zusätzliche elektrische Energie für den Nachtbetrieb erzeugt.

Noch futuristischer wirkt die Leuchte ‚Futura’, die speziell für die Küste entworfen wurde. Durch ihre Form trotzt sie den Naturgewalten und nutzt diese gleichzeitig optimal aus.

Auch hier wird Energie durch einen Savonius-Rotor aus transparentem Polycarbonat sowie mittels einem Solarpaneel erzeugt.

Absolut genial finde ich den Transportbehälter für Reisen und Expeditionen ‚Back-Pack’, der ebenfalls von den Berliner Designern entworfen wurde. Wenn die Expedition über Nacht lagert, muß er nur entleert und aufgestellt werden – alle notwendigen Teile sind innen verstaut – um zum Produzieren von Strom eingesetzt zu werden.

Stangenförmiger Savonius-Rotor

Windspire

Der Umbau der Tonne zu einem Savonius-Rotor erfordert nur wenige Handgriffe – und zum Transport werden alle Teile, neben anderen Ausrüstungsgegenständen, einfach wieder in der Tonne verstaut!

Doch es gibt immer wieder neue Abwandlungen des alten Savonius-Prinzips. Die 2005 in Reno, Nevada, gegründete Firma Mariah Power bezieht sich in ihrer Namensgebung auf den Hit ‚They Wind They Call Mariah’ aus dem Clint Eastwood Film ‚Paint Your Wagon’:

Away out here they got a name
For rain and wind and fire
The rain is Tess, the fire Joe
And they call the wind Mariah

Im September 2006 wird erstmals über die hier entwickelte Windspire-Anlage berichtet, die sich durch einen extrem dünnen und hohen Rotor auszeichnet: Die gut 9 m hohe 2 kW Anlage ist nur 60 cm breit – sie kostet allerdings 4.000 $. Von Windspire gibt es auch (noch dünnere) Darrieus-Rotoren (s.u.). Mitte 2009 kosten die Anlagen zwischen 6.000 $ und 12.000 $.

Eine weitere Variante des Savonis-Rotors stammt von Adam Fuller aus Racine, Wisconsin. Sein patentiertes Demonstrationsmodell hat eine Höhe von 11 m, läuft sehr leise und soll ebenfalls eine hohe Effizienz erreichen. Bislang fehlt dem Modell allerdings ein Generator, mit dem auch Zahlenwerte ermittelt werden können.

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Modellen besitzt die Anlage von Fuller mehrere kleine und flache Schaufeln – weitere Innovationen sind allerdings nicht erkennbar. Fullers Arbeit wird im Laufe des Jahres 2007 über verschiedene Blogs bekannt.

Mitte 2007 stellt das US-Magazin Popular Science die Lenz Turbine vor, ein Selbstbau-Rotor, dessen tragflächenartige Blätter gleichzeitig die Charakteristiken eines Savonius-Rotors aufweisen.

Lenz-Rotor

Lenz-Rotor

Erfinder Ed Lenz aus Michigan testet seinen sehr leise arbeitenden ‚Lenz2’ drei Jahre lang, dann stellt er die Entwicklung auf seiner Seite vor – samt genauen Zeichnungen zum Nachbau eines 120 cm hohen Modells mit 90 cm Durchmesser, das bei 20 km/h Windgeschwindigkeit immerhin gut 50 W leistet. Die Materialkosten dafür betragen rund 300 $, als Herstellungszeit werden drei Tage angegeben.

Im Juni 2007 berichten Blogs über den Erfinder Phi Tran, der eine Turbine entwickelt hat, die sowohl in der Luft als auch im Wasser eingesetzt werden kann. Die patentierte Neo-Aerodynamic Turbine ist ein Senkrechtachser mit vier segmentierten Klappflügeln, die ein aerodynamisches Profil aufweisen. Ein Rotor mit ausreichend Leistung für den Verbrauch einer Kalifornischen Familie soll zwischen 20.000 $ und 15.000 $ kosten. Über konkrete Umsetzungen, außer als Versuchsanlagen, konnte ich bislang nichts finden, die Seite der Neo-Aerodynamic Ltd. Co. wurde nach 2007 auch nicht mehr aktualisiert.

Ein weiterer verkapselter Savonius wird im Oktober 2007 von der Firma energy-age wind Ltd. & Co. KG aus Münster vorgestellt. Das Unternehmen bietet seinen strömungsoptimierten ,Eightwind’ Vertikalrotor mit aerodynamischer Hülle in drei Baugrößen an: 100 W, 1 kW und 5 kW. Die Präsentation auf der Firmen-Webpage ist sehr ausführlich und gut bebildert.

Die Anlagen basieren auf einem 1999 von Gunter Krauß aus Steinberg patentierten Prinzip und sind mit drei Rotorblättern ausgestattet. Der niedrige Wirkungsgrad frei laufender Vertikalrotoren wird durch die aerodynamisch, nach dem Prinzip einer Venturiturbine ausgebildeten Hüllflächen um ein mehrfaches erhöht. Außerdem ist die geradlinige Trichterwandung als Tragflächenprofil ausgebildet, wodurch eine Weiterentwicklung der Mantelturbine entsteht.

Ende 2009 bietet das Unternehmen die folgende Produktpalette an: EW 80 / 1 kW für 9.950 €, EW 100 / 2,5 kW für 11.350 € und EW 160 / 5 kW für 25.000 € (reine Anlagenkosten).

Ebenfalls 2007 erscheinen erstmals Aufnahmen eines weiteren teilabgedeckten Savonius, dessen fischförmige Außenhülle gleichzeitig die Windfahne unterstützt, die den Rotor optimal ausrichtet. Im Innern des bislang nur als Design präsentierten Modells sind übereinander versetzt zwei Lagen mit jeweils zwei Savonius-Schaufeln angebracht, und aufgrund der windabwärts gelegenen Austrittsöffnung sieht das Design wie eine Trillerpfeife von Colani aus. Von wem der Entwurf wirklich stammt, konnte ich bislang allerdings noch nicht herausfinden.

Eightwind-Rotor

Eightwind-Rotor

Im September 2008 wird in Adorf, Sachsen, zur Leistungsvermessung und zu Testzwecken ein Vorserienmodell auf einen 10 m Mast installiert, und eine erste eightwind-WEA vom Modell ,EW 100/2,5’ aus der Serienproduktion wird in Heek, im Münsterland, aufgestellt. Schon einen Monat später folgt die erste 2,5 kW Serienanlage, die in Dänemark installiert wird. Weitere Anlagen gleicher Baugröße folgen bei Halle, in Gadebusch und in Bayern, z.T. auch als Dachinstallationen.

Bereits Anfang 2008 werden in der Umgebung des Panasonic Center in Tokio neue Straßenlampen der Firma Hyperexperience aufgestellt. Die ‚Seagulls’ (= Möven) sind energetisch vollständig autonom, da sie ihren nächtlichen Energiebedarf zu 100 % durch Solar- und Windenergie decken. Es handelt sich um das gleiche Modell von Panasonic, das bereits seit Oktober 2006 in Kanada vermarktet wird (s.o.).

Das Unternehmen vermarktet auch eine modifizierte Sonderversion, die mit einer Sicherheitskamera ausgestattet ist, die Schulkinder auf dem Weg nach Hause beobachten soll. Unter dem Namen ,Neighborhood Security Sensor Network System’ verfolgen die Kameras jene Schulkinder, die mit RFID-Chips ausgestattet sind, und fotografieren sie, während sie unter den mit Kameras ausgerüsteten Lampen vorbeigehen. Eltern können die Fotos online von Zuhause aus abrufen… also der Überwachungshorror pur.

EWB Einfachrotor

EWB Einfachrotor

Wesentlich sinnvoller ist da schon die Initiative, die im Mai 2008 von den Engineers Without Borders (EWB) in Guatemala gestartet wird, um den dortigen Verbrauch des gefährlichen Kerosins für Beleuchtungszwecke zu reduzieren.

Der Savonius-Rotor ist rund 90 cm hoch, hat einen Durchmesser von 60 cm und produziert zwischen 10 W und 15 W – was völlig ausreicht um kleinere Verbraucher wie auch eine LED-Raumbeleuchtung zu versorgen. Das verantwortliche Appropriate Technology Design Team der EWB konzentriert sich auf anwenderorientierte und leicht nachbaubare Technologien. Man hofft, den Gestehungspreis pro Rotor auf unter 100 $ senken zu können. Die ersten Modelle sollen bereits im Sommer in abgelegenen Dörfern zum Einsatz kommen, hergestellt werden sie von der Firma XelaTeco in Quetzaltenango, Guatemala.

Im Juni 2008 gibt das erst zwei Jahre zuvor gegründete israelische Unternehmen Leviathan Energy aus Beit Shemesh bekannt, daß man den „weltweit effizientesten“ Windrotor entwickelt habe, wie die Ergebnisse des im Rotem Industrial Park in der Negev-Wüste errichteten Versuchsmodells zeigen. Der ,Wind Lotus’ startet bereits bei der geringen Windgeschwindigkeit von 2 m/s, soll vor einer Vermarktung in wenigen Monaten aber trotzdem noch weiter optimiert werden (s.u. Israel).

Die US-Firma Wind Energy Corporation aus Elizabethtown, Kentucky, installiert im Oktober 2008 den ersten Prototypen ihres neuen Savonius-Rotors für die texanische Großhandelkette H-E-B auf einem 30 m hohen Mast in Weslaco. Der aus Kohlenfaser-Materialien hergestellte Rotor leistet je nach Windgeschwindigkeit zwischen 20 kW und 50 kW. Im Laufe des Jahres 2009 sollen insgesamt 150 weitere Rotoren installiert werden.

Lamour Design Grafik

Lamour Design (Grafik)

Ebenfalls im Oktober 2008 beteiligt sich der französische Design-Student Guilhem Lamour aus Plaisir mit einer sehr innovativen Savonius-Umsetzung an dem Future Design Contest. Sein Wettbewerbsbeitrag ,ECO Street lights’ beinhaltet energetisch eine autonome Straßenlampe, bei der mehrere kleine Rotoren in dem Lampenmast selbst eingelassen sind.

Windation Energy Systems, die in Menlo Park, Kalifornien, ansässige Firma des Persisch-stämmigen Mark Sheikhrezai, bietet Ende 2008 einen kleinen Senkrechtachser an, dessen Technologie an die Bautechniken früher Jahrtausende im Orient anknüpft. Damals kühlte man Wohnräume, indem der Wind dazu genutzt wurde aus belüfteten Brunnenschächten kühle und feuchte Luft empor zu saugen (Stichwort: ‚Wind-Catcher’). Beim ,Windation’-Rotor selbst scheint es sich um einer vielblätterigen Savonius zu handeln.

Das Unternehmen bietet die Klein-WEA’s mit Leistungen von 2 kW und 5 kW an. Die Maße des größeren Modells betragen rund 2,5 m x 2,5 m bei einer Höhe von 3 m, wobei sich das System auf jedem Flachdach einfach aufstellen läßt. Alle beweglichen Teile sind geschützt, auch für Vögel besteht keinerlei Gefahr. Die 5 kW Version soll zwischen 45.000 $ und 50.000 $ kosten.

Stoffsegel-Savonius in Kroatien

Stoffsegel-Savonius

Nicht bekannt ist mir die Zeit, in der ein mit Stoffsegeln bestückter Senkrechtachser in Osijek, Kroatien, gebaut wurde. Die drei Savonius-ähnlichen Segelflächen der 12 m hohen Anlage klappen während der Drehung automatisch immer wieder in den Wind, insofern besitzt das System eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Hammurabi-Rotor (s.u.).

Eine sehr einfache Bauweise präsentiert im November 2008 das DIY-Portal istructables.com: Gerade mal 200 $ kostet ein Savonius-Rotor aus halbierten PVC-Abwasserrohren und ein paar Fahrradteilen, der bei einer Windgeschwindigkeit von 35 km/h immerhin 100 W produziert. Als sehr effektiv hat sich dabei das Erweitern des Gesamtdurchmessers in der Mitte des Rotors erwiesen, wodurch das Ganze eine bauchige Form bekommt, die den Wind besser nutzt als das reine Vertikalmodell (ganz rechts). Wie man auf dem Foto sieht, experimentiert der Erfinder Faroun dabei mit unterschiedlichen Beugungen.

Segel-Savonius von Dicke

Segel-Savonius von Dicke

Ebenso einfach scheint die Konstruktion einer Windkraftanlage von Curtis Dicke, deren ‚Blätter’ aus Stoffsäcken hergestellt sind, die in angeströmtem (oder aufgeblasenem) Zustand die Form von Savonius-Schaufeln annehmen.

Der Clip mit den Aufnahmen dieses Rotors wird im Dezember 2008 veröffentlicht, leider ohne jegliche Informationen zu Lokalität oder Leistung. Laut Dicke sieht das System allerdings besser aus, als es seine Effizienz ist.

Bereits im April 2008 stellen die Entwickler des Airmax24 Vertikalrotors ihren ersten Prototypen vor, von dem sie Produkte in zwei Ausführungen anbieten wollen: den Airmax 100 mit 500 W, sowie den Airmax 200 mit 5 kW Leistung.

Die für Hausdächer konzipierten Windkraftanlagen, die sich auch horizontal betreiben lassen, sollen völlig geräuschlos laufen. Das Unternehmen ist allerdings schon kurze Zeit darauf insolvent und meldet Konkurs an – während gleichartige Rotoren derweil weltweit von den unterschiedlichsten Anbietern hergestellt werden.

Die im Mai 2005 gegründete Tesnic Inc. in Laval, Quebec, stellt nach Simulationen und Windkanaltests im Laufe der Jahre 2007 und 2008 einen modifizierten Senkrechtachser vor, bei dem es sich um eine Umsetzung der Tesla-Turbine handeln soll – obwohl ich in der abgebildeten Form eher einen stark verwundenen Savonius-Rotor erkenne, der von einer Anström-Vorrichtung umgeben ist.

Tesnic Windrotor Grafik

Tesnic (Grafik)

Allerdings ist innere Form des Rotors, der aus mehr als 200 Scheiben mit 2 mm Spalten dazwischen besteht, tatsächlich so gestaltet, daß möglicherweise die Adhäsionswirkung der durchströmenden Luft zum tragen kommt, was auch die Ähnlichkeit mit einer Tesla-Turbine erklärt. Die Modellpalette soll WEAs von 750 W, 2 kW, 3,6 kW und 10 kW umfassen. Ein 3,6 kW Modell für den Dachaufbau soll 150 kg wiegen. Mehr über dieses System findet sich unter Kanada in der Länderübersicht.

Anfang 2009 wird der erste Savonius-Rotor der israelischen Firma Leviathan Energy vorgestellt (siehe unter Israel in der Länderübersicht).

Sehr interessant klingt das 2009 für Frankreich vorgeschlagene Konzept von Nicola Delon, Julien Choppin und Raphael Menard, bestehende Hochspannungsmasten mit innen montierten Savonius-Rotoren nachzurüsten. Im Mai wird die ,Wind-it’ betitelte Idee mit dem 2009 Next Generation prize! des Metropolis Magazine geehrt.

Die Innovatoren, zwei Architekten und ein Ingenieur, haben ausgerechnet, da die Bestückung eines Drittels alles Hochspannungsmasten in Frankreich mit ihrem System ausreichend Strom produzieren würde um zwei Atomkraftwerke abschalten zu können, d.h. rund 5 % des landesweiten Strombedarfs.

Während kleine Rotoren an einfachen Masten 1 – 10 kW leisten, sollen die L-Modelle in die schon existierenden mittleren bis großen Masten integriert werden. Die XL-Modelle in Form neuer Masten sollen von Anfang an rund konzipiert werden, was ihre effektive Nutzung auch mit ästhetischen Aspekten verbinden würde. Hier produziert jeder Mast 1 MW Strom und verfügt noch dazu über eine ‚automatische’ Netzanbindung – eine sinnvolle und nachhaltige Idee, die ihren Preis wahrlich verdient hat.

Insgesamt kann man Anfang 2009 feststellen, daß die erfolgreichsten Adaptionen und Optimerungen des Savonius-Rotors inzwischen alle eine verdrillte, spiralförmige Struktur aufweisen – wie sie uns genauso auch bei den nun folgenden Darrieus-Rotoren begegnen wird. Für mich ist dieser Sachverhalt besonders interessant, da ich der Spirale bzw. dem Wirbel einen besonders hohen Stellenwert in meiner Analyse zubillige (s. Wirbelströmung in Teil D).

Vom April 2009 datiert die Aufnahme eines Savonius-Rotors von Arturo Moises aus Santiago auf der der Dominikanischen Republik. Die sehr leise und leicht anlaufende Anlage besteht aus Fiberglas und einem Stahlrahmen, ist 1,8 m hoch und hat einen Durchmesser von 3,3 m.

Savonius-Rotoren von Moises

Savonius-Rotoren von Moises

Die spiralige Verwindung, die uns schon mehrfach begegnet ist, reduziert sich bei diesen gedrungenen Systemen auf einen relativ schmalen Ausschnitt, wobei der Erfinder mehrere Rotoren direkt auf dem Dachfirst installiert. Nähere technische Details sind mir nicht bekannt.

Im Februar 2010 präsentiert Imran Lobania von der Dundee University in Schottland einen kleinen Savonius mit drei schräg abgeschnittenen Blättern, der transportabel ist. Die ,Rose Wind Turbine’ soll sehr leise sein und ist aus Aluminium und Fiberglas hergestellt. Technische Daten gibt es bislang nicht, ob es zu einer kommerziellen Umsetzung kommt wird sich zeigen.

Nach umfangreichen Entwicklungs- und Testarbeiten errichtet 2009 das auf British Virgin Islands registrierte Unternehmen Windworks Engineering Inc. mit Büros in Genf und Düsseldorf den ersten 5 kW Prototyp seiner ,WW5000 Silent Turbine’ in Perth, Australien.

Der auf 25 Jahre Lebensdauer angelegte Savonius-Rotor mit Permanent Magnet Generator ist leicht verdrillt und sollte den ersten Designs zufolge aus ebenen, geknickten Flächen bestehen. Bei dem 600 kg schweren Prototyp mit 5,5 m Höhe und 2,6 m Durchmesser kann man gut sehen, wie daraus eine segmentierte Strukturierung aus Fiberglaselementen geworden ist, die zusammengesetzt gewölbte Flächen bilden.

Die kommerzielle Produktion soll im 4. Quartal 2010 starten, und der Verkaufspreis der Turbine soll ca. 20.000 € betragen (zzgl. MWSt. und Montage).

Windworks Prototyp

Windworks Prototyp

Der Auftritt des Aktien-Unternehmens wirkt allerdings etwas seltsam und überaus stark börsen- bzw. finanzinteressiert. Betont wird z.B. daß das Windworks Tochterunternehmen Windworks Engineering Ltd. die von dem Erfinder Joseph Bertony und den von ihm kontrollierten Unternehmen beantragten Patente erworben habe (kann man denn noch nicht erteilte Patente überhaupt verkaufen?!). Es ist auch fraglich, ob das neue VAWT-Design „die Windturbinenindustrie revolutionieren“ wird – wie man selbstsicher tönt.

Die im September 2009 erstmals vorgestellte australische Anlage im Norosten von Perth leistet sogar 7 kW und soll genutzt werden, um den optimalen Permanentmagnet-Generator für den Senkrechtachser herauszufinden. Anfang 2010 erhält das Unternehmen seine ersten zwei Aufträge. Außerdem werden Absichtserklärungen über zehn 5 kW Turbinen mit einem Unternehmen aus North Carolina, USA, sowie über 30 Stück mit einem Betreiber von Altenheimen im Südosten Englands unterzeichnet.

Schon wesentlich revolutionärer ist ein Senkrechtachser des britischen Erfinders Rupert Sweet-Escott, dessen Secret Energy Turbine (SET) einem normalen (britischen!) Schornstein nachempfunden und aufgrund ihrer Magnetlagerung vollständig lautlos sein soll. Bis 145 km/h Windgeschwindigkeit habe der Senkrechtachser auch schon schadlos überstanden. Im Inneren der Hülle bewegen sich vier schmale Savonius-Blätter.

Energieturm von Re-Gen-Energy

Energieturm
von Re-Gen-Energy

Im Mai 2009 gründet Sweet-Escott das Unternehmen Smart Power products Ltd., das seine Windkraftanlagen vertreiben soll, und Anfang 2010 werden bereits drei verschiedene Modellgrößen angeboten: eine 50 W Turbine mit 30 cm Durchmesser (742 £), eine 120 W Anlage mit 40 cm Durchmesser (938 £), sowie eine 250 W Anlage mit 50 cm Durchmesser (1.112 £). Im Preis sind jeweils der Generator und eine ‚Umhüllung nach Wahl’ mit einbegriffen.

Auch die Firma Re-Gen-Energy GmbH & Co. KG aus Haiger kommt 2009 mit einem Senkrechtachser auf den Markt. Ihr Energieturm ist eine weitere Adaption des spiralig verwundenen Savonius, wie er inzwischen von Dutzenden Firmen weltweit hergestellt und angeboten wird – allerdings um Solarpaneele ergänzt und als Werbeträger konzipiert.

Ein Energieturm vom Type ,DE 1-3,5G-5W’ hat eine Konstruktionshöhe bis zu 25 m, wobei der ca. 2,0 m durchmessende Rotor mit seiner Gesamtfläche von rund 11,2 m2 etwa 10 m hoch ist und 3,5 kW leisten soll. Sein Gewicht ohne Mast beträgt 920 Kg.

Äußerst clever und auch ästhetisch ansprechend empfinde ich das Konzept der neu gegründeten australischen Designfirma Embossed Pty. Ltd. aus Sydney, das erstmals im März 2010 in den Blogs vorgestellt wird.

Zephyr Vertical Wind Turbine

Zephyr Vertical
Wind Turbine

Der ,Zephyr’ Windgenerator besteht aus dreiblättrigen, spiralig verdrillten Segmenten, die nach Wunsch kombiniert werden können, während die Endstücke in der Form von Rohrkrümmern eine leichte Montage an Außenwänden ermöglichen.

Um keine Verwirrung zu verursachen: Auch die bereits 2002 gegründete kanadische Zephyr Alternative Power Inc. bietet eine ,Zephyr Vertical Wind Turbine’ (ZVWT) an.

Das System, das bis zu einer Leistung von 50 kW weiterentwickelt werden soll, besitzt eine Reihe von Leitblechen, die um den Kern eines konventionellen Savonius-Rotors herum angeordnet sind.

Und in Japan gibt es wiederum die Zephyr Corporation, die seit etwa 2007 den leichten Kleinwindrotor ,Zephyr Airdolphin’ anbietet (Standardrotor mit nach unten geneigter Windfahne).

Der Darrieus-Rotor

Dieses System geht auf den französischen Erfinder und Luftfahrtingenieur Georges Jean Marie Darrieus (1888 – 1979) aus Toulon zurück, der sich zu Beginn des letzten Jahrhunderts intensiv damit beschäftigte. Das französische Patent erhielt er 1927, ein US-Amerikanisches im Jahre 1931 [Turbine Having ist Rotating Shaft Transverse to the Flow of the Current, U.S. Patent No. 1.835.018 vom 08.12.1931].

Darrieus-Rotor

Darrieus-Rotor

Darrieus’ erstes Modell von 1929 erzielt 10 kW, hat zwei Flügel und eine Höhe von 20 m. Der Stromgenerator befindet sich am unteren, leicht zugänglichen Ende der Drehachse. Das Konzept gerät danach lange in Vergessenheit, erweist sich aber in den vergangenen Jahren aber zunehmend als entwicklungsträchtiger Typ.

Es gibt bei Darrieus-Rotoren zwar mehr Probleme als bei Horizontalachssystemen zu lösen – besonders bei einer Anlagengröße über 100 kW –, doch erregt dieser Typ andererseits die Gemüter der Umweltschützer weitaus weniger, als dies bei konventionellen Systemen der Fall ist.

Die meist als 2- oder 3-Blatt Anlagen ausgelegten Darrieus-Rotoren sind zwar unabhängig von der Windrichtung, dafür müssen ihre Rotorblätter auch extrem starke Belastungen aufnehmen können. Da diese gleichzeitig die Eigenschaften eines leichten, festen und wetterbeständigen Werkstoffs besitzen müssen, wurden z.B. für die kanadische Anlage Ende der 1970er Jahre (s.u.) 61 cm breite Rotorblätter aus Aluminium-Stragpreßprofilen hergestellt. Vorteilhaft ist, daß die Blätter der Darrieus-Rotoren überall den gleichen Querschnitt aufweisen und daher leicht herstellbar sind. 1997 entwickelt Egon Gelhard aus Zülpich-Dürscheven übrigens ein Computerprogramm, das die Herstellung extrem leichter Darrieus-Flügelprofile aus Aluminium erlaubt, deren Hohlräume mit Schaumstoff ausgeschäumt sind.

Insbesondere in vier Ländern werden Darrieus-Rotoren weiterentwickelt und umgesetzt: in Deutschland, England, Kanada und den USA. Dabei wird versucht, speziell den H-Darrieus-Anlagentyp bis zur kommerziellen Produktreife zu entwickeln. Dieser, auch ,Musgrove-Rotor’ genannte Windrotor wird anfänglich von Prof. Peter Musgrove an der britischen Reading University entwickelt und getestet, er ist in den USA auch unter dem Namen ‚Giromill’ bekannt.

In den Jahren 1984/1985 werden etwa 20 % aller neu gebauten Windturbinen als Darrieus-Anlagen ausgelegt. Es gibt übrigens auch einige Dreieck-Darrieus, also Anlagen mit gradlinigen Flügeln, die oben direkt an der Nabe befestigt, und unten weit ausgestellt sind. Im Folgenden sind die Entwicklungen in einigen ausgewählten Ländern dokumentiert.

In den letzten Jahren werden Darrieus-Rotoren auch zunehmend in Gebäude integriert, ich habe dazu bereits ein entsprechendes Kapitel unter dem Namen Windenergie und Architektur verfaßt (s.d.).

Deutschland

Im Juni 1980 stellt die Firma Dornier auf der deutschen Nordseeinsel Pellworm eine rund 20 m hohe kombinierte Darrieus/Savonius­Anlage auf, die 20 kW Leistung erbringt.

Seit den frühen 1980er und bis Anfang der 1990er Jahre arbeitet auch die Firma Heidelberg-Motoren mit Sitz in Starnberg an Darrieus-Rotoren mit direkt in die Rotorstruktur integrierten getriebelosen Generatoren. Das Unternehmen errichtet auf einem Testfeld am Kaiser-Wilhelm-Koog drei 2 MW Anlagen, die größten in Deutschland. Die Anlagen erzielen zwar eine recht gute Ausbeute, müssen allerdings nachts abgeschaltet werden, weil sie zu laut sind. Anderen Quellen zufolge handelt es sich um vier 1 MW Anlagen.

Ein ähnliches Modell wie auf Pellworm wird von Dornier an der argentinischen Atlantikküste in Comodora Rivadavia, in Süd-Argentinien errichtet. Die Spezifikationen des dortigen Systems lauteten: Durchmesser 12 m, Höhe 17 m, wirksame Rotorfläche 93 m2, 3-flügelig mit NACA-Profil von 320 mm Blattiefe, aus extrudiertem Aluminium, rotierender Turm mit 608 mm Durchmesser, ebenfalls aus Aluminium. Als Anlaufhilfen dienen zwei 3-schaufelige Savonius-Rotoren mit 3,75 m Durchmesser und 1,55 m Höhe.

Heidelberger H-Rotor

Heidelberger H-Rotor

Die Nennleistung bei 10,4 m/s Wind beträgt 20 kW, die Maximalleistung 27 kW, der Anlauf erfolgt bei 4 m/s, die Abschaltung bei 22 m/s Windgeschwindigkeit. Das Überleben der Anlage ist bis 65 m/s Windgeschwindigkeit gesichert. Die Nenndrehzahl beträgt 80 U/min, die Maximaldrehzahl 150 U/min.

Außerdem errichtet Dornier gemeinsam mit der Flender AG im Windpark Heroldstatt eine Anlage mit einen Durchmesser von 15 m, einer Masthöhe von 25 m und einer Leistung von rund 55 kW bei 11,5 m/s Windgeschwindigkeit.

Unter dem Namen ‚Heidelberger H-Rotor’ ist eine Sonderform des H-Darrieus bekannt, die sich durch einen großen Ringgenerator auszeichnet, welcher sich oberhalb der Trägerstruktur befindet und die Form unverwechselbar macht.

Die Entwicklung eines Vertikalachsen-Windkorverters mit geraden Rotorblättern (,Vavian-A’) wird 1979/1980 vom BMFT unterstützt. Das Gerät wird von der Firma ERNO entwickelt, wegen Bonner Sparbeschlüsse dann aber nie gebaut. Firmeneigene Folgeuntersuchungen erbringen später ein verbessertes Grundkonzept (,Vavian-B’). Dabei sind die H-förmigen Rotorblätter an der Spitze eines Turmes angebracht, wo sie bessere Ergebnisse als ‚unten’ erbringen.

Einen schönen, auch 2009 noch laufenden H-Darrieus hat Michael Schelter im Münsterland fotografiert.

1990 wird in Laichingen auf der Schwäbischen Alb eine 28 m hohe 2-blättrige Versuchsanlage der Firma Dornier installiert, die sich allerdings als äußerst problematisch erweist. Abspannseile geraten in Schwingung, für die Ölversorgung müssen neue Zuleitungen installiert werden, und die Bremsen versagen bei kräftigerem Wind. Es folgen ein Generator- und Getriebedefekt, dann versagt auch noch die elektronische Steuerung. Dornier friert daraufhin alle Aktivitäten auf diesem Sektor der Windenergie ein.

1991 wird die deutsche Antarktis-Station ,Georg-von-Neumayer’ (mittlere Windgeschwindigkeit ca. 9 m/s, Weibullparameter A= 9,8 m/s, C= 1,6) mit einem 3-Blatt H-Darrieus Rotor ausgerüstet, der auf Windgeschwindigkeiten bis zu 68 m/s und Außentemperaturen bis minus 55°C ausgelegt ist. Die weiteren Daten lauten: Nennleistung 20 kW, Durchmesser 10 m, Flügellänge 5,6 m, getriebeloser Generator, Jahresertrag rund 35.000 kWh. 

Die herstellende Firma Heidelberg-Motor hat im Rahmen eines Forschungsvorhabens des Bundesministeriums für Forschung und Technologie mit dem Germanischen Lloyd (Dr.-Ing. B. Richter), dem Alfred-Wegener-Institut für Polarforschung (Dr. Saad El Dine El Naggar) und der Hochschule Bremerhaven (Prof. Dr.-Ing. F. Zastrow) die Windkraftanlage entwickelt und praktisch erprobt. Die Anlage lief von 1991 bis 2009 sehr erfolgreich. Das Zertifikat für Antarktistauglichkeit erhielt dieses Modell, nachdem es nach einem halben Jahr in der Antarktis und der Versorgung der Station mit Windstrom keinerlei Schäden davongetragen hatte. Der H-Rotor hat dort, wenn auch in abgebremstem Zustand (Wirbelstrombremse), Stürme mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 220 km/h überstanden!

Zastrow-Rotor

Zastrow-Rotor

Bereits im Februar 2005 wird die Lizenz für das Rotorprofil seitens Prof. Zastrow und der Hochschule Bremerhaven an das ebenfalls in Bremerhaven ansässige Unternehmen bg-engineering Braun & Görke GbR vergeben, wo die Weiterentwicklung des sogenannten ,abgewickelten H-Rotors’ erfolgen soll. Wie man auf dem Bild sieht, sind an dem Prototyp kleine Halbschalen angebracht, die den selbständigen Anlauf des Rotors unterstützen sollen. Die Hochschule selbst forscht zu diesem Zeitpunkt seit über zehn Jahren am H-Rotor.

Kunst am Bau bedeutet 1997 für das neue Technische Rathaus in München einen Betrag von 1,3 Mio. DM, die man für die Idee des New Yorker Künstlers Vito Acconci ausgeben darf. Damit wird auf dem Dach des 60 m hohen Hochhausturms ein Darrieus-Windrotor mit drei senkrechten Blättern installiert, dessen Strom wiederum eine ‚bewegte Landschaft’ antreibt, die im Innenhof auf einer Drehscheibe liegt. Damit soll die erzeugte Energie analog sichtbar gemacht werden. Als im Juli 2000 der Neubau offiziell eingeweiht wird, zeigt sich jedoch, daß die technische Ausführung des Windrades noch Wünsche übrig läßt, denn der Rotor braucht eine Antriebshilfe um überhaupt zu starten.

Der H-Rotor selbst stammt von der Firma Neuhäuser WindTec aus Lünen, die diese Windkraftanlagen in Größen von 1 kW, 5 kW, 10 kW, 20 kW und 40 kW produziert und vertreibt. Die 40 kW Anlage hat einen Rotordurchmesser von 12 m und wird mit zwei oder drei 9 m langen, symmetrischen GFK-Rotorblättern angeboten.

Gebäude-Darrieus von Neuhäuser WindTec

Gebäude-Darrieus von
Neuhäuser WindTec

Außerdem vermarktet das Unternehmen auch eine 5 kW oder 10 kW Hybridcontainer-Windkraftanlage, die als komplette Einheit in einem 20-ft-Container angeliefert wird und ohne Fundamenterstellung auf ebenem Untergrund errichtet werden kann. Neben dem H-Rotor beinhaltet die autarke, mobile Energieversorgung auch Solarzellen sowie ein Dieselaggregat. Eine Jatropha-Container-Lösung mit einer Presse, die aus der Nuß der Jatropha-Pflanze Öl gewinnt, welches dann raffiniert und im Container gespeichert wird, befindet sich 2009 im Prototyp-Stadium.

Unter dem Namen Canstein-Rotor werden in Deutschland von einigen Bastlern interessante Weiterentwicklungen durchgeführt, bei denen die senkrechten Darrieus-Blätter mit kleinen Savonius-Profilen ergänzt werden. Aus den diversen veröffentlichten Baubeschreibungen ist hier der Selbstbau-Rotor von Klaus aus Erkelenz abgebildet, mit 100 cm Höhe und 90 cm Durchmesser.

Twister Prototyp

Twister

An der Hochschule Bremerhaven ist Ende 2006 ein Prototyp eines modifizierten Darrieus-Rotors in der Testphase. Hier hatte man nämlich bemerkt, daß sich das oft als lästig empfundene sirrende Geräusch der herkömmlichen Modelle, das durch kleine Windwirbel an den Flügelspitzen entsteht, relativ leicht vermeiden läßt.

Beim daraufhin entwickelten Modell ,Twister’ sind die Rotorblätter leicht verwunden, wodurch die Wirbel nicht entstehen und auch die unangenehmen Geräusche verschwinden. Dies ist auch einer der Hauptgründe für die zwischenzeitlich erfolgte Verbreitung dieser Verdrillung auch bei anderen Produzenten. Die Stromleistung des Prototyps aus Bremerhaven liegt bei 300 W.

Für dieselbe Struktur hatte übrigens Prof. Alexander Gorlov bereits 1994 ein Patent erhalten – allerdings für den Einsatz unter Wasser, weshalb sein Modell auch unter den Systemen aufgeführt wird, welche die Meeresströmungen zur Energieerzeugung nutzen.

Ein sehr interessantes Semesterprojekt des Fachbereiches Industriedesign an der HKD Halle wird 2007 unter dem Namen ,Windwasserstoff etc.’ bekannt. Grundlage des Projektes ist die Technologie für vertikale Windenergieanlagen der 2005 gegründeten Firma Tassa GmbH in Wolfsburg. Ziel ist die Erweiterung des Spektrums der Anlagen, die Speicherung des gewonnenen Stroms sowie die Akzeptanzförderung der dezentralen Nutzung regenerativer Energien.

Unter den studentischen Konzepten besticht insbesondere die Arbeit von Yunhua Zhao, der einen kompakten, aufklapp- und zusammensteckbaren Rotor entwickelt hat, dem man nur wünschen kann, daß er möglichst schnell in die Produktion geht.

1 kW Darrieus/Savonius-Rotor von Tassa

Tassa-Rotor

Im gepackten, geschlossenen Zustand bildet der H-Darrius ein transportfreundliches, annähernd zylindrisches Paket von 145 cm Länge und einem Durchmesser von 35 cm. Ausgefahren wird er auf eine Höhe von knapp 6,5 m. Weitere technische Details liegen noch nicht vor, Zhao habe aber schon ein Modell im Maßstab 1:7 hergestellt, das seine Praktibilität bewiesen hat.

Als Folge des Semesterprojektes startet die Tassa GmbH im April 2007 gemeinsam mit weiteren Forschungseinrichtungen unter Federführung des Institutes für Psychologie der MLU ein zweijähriges Forschungsprojekt, das durch das Bundesumweltministerium gefördert wird. Das hier abgebildete Modell ist eine 1 kW Darrieus/Savonius-Kombination, wobei letzterer nur dem Selbstanlauf dient.

2009 wird Tassa GründerChampion von Niedersachsen beim KfW-Unternehmerpreis. Das Unternehmen bietet zu diesem Zeitpunkt eine 5 kW Anlage an, ein 25 kW System ist in Planung.

H-Darrieus-Rotoren mit 5 Blättern bietet auch die Firma extech Sondermaschinen und Fahrzeugbau aus Penzing-Ramsach an. Sie sind in Baugrößen von 1 kW (Durchmesser 180 cm, Blattlänge 200 cm, Gewicht ca. 180 kg), 3 kW (Durchmesser 300 cm, Blattlänge 360 cm, Gewicht ca. 500 kg) und 10 kW (Durchmesser 600 cm, Blattlänge 620 cm, Gewicht ca. 1.700 kg). Als Wirkungsgrad werden 35 % angegeben.

England

Die Entwicklung in England habe ich noch nicht ausführlich recherchieren können. Bis dahin beschränke ich mich auf einige Informationsbruchstücke.

Seit Ende 1985 werden im britischen Süd-Wales Darrieus-Rotoren mit jeweils zwei 25 m langen Kunststoffblättern und 180 kW Leistung getestet.

Quiet Revolution Rotor

Quiet Revolution

Robert Webb and Richard Cochrane gründen im Jahr 2000 das britische Unternehmen Quiet Revolution Ltd., in welchem sie eine neue Form von Darrieus-Rotoren mit drei S-förmig geschwungenen Blättern entwickeln. Das Gerät ist 5 m hoch, hat einen Durchmesser von 3 m, und die Blätter bestehen aus Karbonfasern. Eine 6 kW Anlage soll 25.000 £ (Englische Pfund) kosten.

Ende 2007 produziert und installiert Quiet Revolution seine ersten kommerziellen Rotoren des Modells ,qr5’ auf verschiedenen Dächern in England, wie dem der Kings College School in Wimbledon und einer ganzen Reihe von Hochhäusern. Das Unternehmen gewinnt auch prompt mehrere Design- und Technikpreise. Nachdem die Firma die ersten 30 Stück errichtet und die Installation weiterer 45 Stück vorbereitet, beteiligt sich der deutsche Energieriese RWE 2008 mit 11 Mio. $ an dem Unternehmen. Neben dem Preis der Anlage selbst nennt Quiet Revolution noch folgende Kostenfaktoren: Installationskosten 3.000 – 6.000 £, Kontrollsystem 4.600 £, Mast 2.950 bis 5.150 £.

Ab 2009 soll das Modell ,qr12’ mit einer Jahresleistung von 45.000 bis 55.000 kW/h in Produktion gehen, Anfang 2010 gefolgt von dem kleineren, 2,5 m hohen Modell ,qr2.5’ mit einem Output von 3.000 bis 4.500 kW/h. Eine weitere interessante Entwicklung ist die ‚Display’-Version des Modells ,qr5’ – bei dem in den Flügelns LEDs eingelassen sind die während der Rotation den Effekt eines Video-Bildschirms liefern, der hoch oben in der Luft hängt.

2007 präsentiert die britische Firma carbon concepts limited das Konzept eines 2,5 kW Senkrechtachsers, der mit den üblichen Darries-Rotoren nicht mehr viel gemein hat. Dem innerhalb von zwei Jahren entwickelten System soll noch ein kleineres 1,5 kW Modell mit ähnlichen Flügeln folgen, außerdem arbeitet man an einer 5 kW Turbine, deren Generator schon erfolgreich gestestet wurde.

Aerogenerator Grafik

Aerogenerator (Grafik)

Im Rahmen eines Entwicklungsplanes für Las Palmas auf Teneriffa hat das britische Unternehmen Grimshaw Architects gemeinsam mit der Windpower Ltd. in Blyth einen ‚supereffizienten’ und sehr fortschrittlichen Darrieus-Rotor konstruiert, der mit seinen Vorgängern allerdings kaum mehr viel gemeinsam hat. Als Erfinder wird der Luftfahrtingenieur David Sharpe genannt.

Der erstmals Mitte 2005 vorgestellte ‚Aerogenerator’ besitzt ein V-förmiges Profil, auf dessen Schenkeln jeweils mehrere Tragflächen aus festen Strukturen übereinander angebracht sind. Er ähnelt damit ein wenig einer riesenhaften Fernsehantenne. In gleicher Bauhöhe wie das London Eye Riesenrad (135 m) soll die Anlage ab 2011 bei nur drei Umdrehungen in der Minute 9 MW Strom produzieren.

Anfang 2008 werden als Bauhöhe 144 m angegeben, Unternehmen führt am New and Renewable Energy Centre in Blyth Windkanal-Tests an einem 6 kW-Modell durch, und der Termin für eine Umsetzung wird auf frühestens 2013 verschoben.

2007 wird auch das britische Unternehmen VertAx Wind Ltd. gegründet – als Ausgründung des Windparkbetreibers Eurowind Developments Ltd.

VertAx entwickelt in Guildford, Surrey, eine Windturbine speziell für den Offshore-Einsatz, die auf 10 MW kommen soll. Die 110 m langen Rotorblätter haben über ihre gesamte Länge das gleiche Profil und können preisgünstig und einfach in je 12 m langen Einzelteilen gefertigt werden. Den Strom erzeugen zwei getriebelose Generatoren mit je 5 MW oben und unten am Rotor, wodurch dieser doppelt gelagert und der Generator redundant vorhanden ist. Die Generatoren selbst sind keine Spezialanfertigungen für die Windkraft, sondern erprobte Serienteile für Wasserkraftwerke.

2009 hat Vertax erst Mini-Anlagen mit 3 kW installiert, während die 10 MW Anlage bislang nur im Rechner existiert. Die Firma schätzt, daß noch mindestens fünf Jahre vergehen werden, bis der erste Prototyp steht.

Kanada

In Kanada wird dem Darrieus-Rotor besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Der bekannteste Hersteller ist die Firma Dominion Aluminium Fabricating, Ltd. In Missisauga, Ontario.

Kanadischer Darrieus-Rotor

Éole

Die erste Anlage wird bereits 1977/78 auf den Magdalen-Inseln (Iles de la Madelaine) im Sankt-Lorenz-Golf errichtet, sie soll 230 kW Leistung erzielen und kostet 1,5 Mio. kanadische Dollar. Die Höhe beträgt 37 m (mit Unterbau 46 m) bei einem Durchmesser von 24 m, und die Rotorblätter aus Aluminium haben ein Gewicht von 16 Tonnen. Die Anlage funktioniert vom Mai 1977 bis zum Juli 1978, erzielt tatsächlich aber nur 100 kW im Durchschnitt. Außerdem zeigen sich bei Rotationsgeschwindigkeiten über 30 U/m Vibrationsprobleme.

Am 06.07.1978 werden im Zuge von Reparaturarbeiten die Bremsen demontiert, da der Wind von 40 km/h normale Drehzahlen um die 38 U/m ergibt. Nur eine Stunde später hat sich die Drehzahl auf 68 U/m gesteigert, die Bremsen erweisen sich als weiterhin defekt. Die gesamte Anlage reißt sich vom Fundament los, kippt um und wird vollständig zerstört.

1983 beginnt die Benvest Capital im Auftrag der Hydro-Quebec im Windpark Le Nordais bei Cap-Chat in Quebec mit dem Bau eines 4 MW starken und 110 m hohen Nachfolgers – dem bislang weltweit größten Darrieus-Rotor überhaupt. Die von Vickers und CGE hergestellte ,Éole’ geht 1984 in Betrieb und leistet 3,8 MW, was zur Versorgung von rund 800 Einfamilienhäusern ausreicht. Sie kostet 110 Mio. kanadische Dollar. Die Anlage arbeitet bis 1992, dann geht während eines Sturmes durch starke Vibrationen der Achse das Rollager an der Basis kaputt. Heute wird die ,Éole’ als touristische Attraktion genutzt, und Besucher können sogar den Schaft betreten.

USA

In den USA arbeiten seit 1974 und vermutlich als erste die Sandia Laboratories in Albuquerque (New Mexico) an VAWT-Systemen (= Vertical Axis Wind Turbine).

Darrieus-Rotor von Alcoa

Alcoa-Darrieus

Bis 1976 werden verschiedene Modelle mit Durchmessern zwischen 5 und 17 m gebaut. Die zweiblättrigen 5 m Anlagen erreichen bei Windstärken zwischen 40 und 45 km/h rund 3,5 kW Leistung, während die größeren Modelle mit 2 oder 3 Blättern und einer Gesamthöhe von rund 33 m bereits 50 – 60 kW erzielten. 1982 geht man zu 230 kW Anlagen über, 1983 folgt ein 500 kW Modell. Es werden außerdem Planungen für einen riesigen 4 MW Rotor mit einer Höhe von 96 m und einem Durchmesser von 64 m begonnen.

Ende der 1970er Jahre experimentiert auch die US-Firma Alcoa mit einem 3-Blatt Darrieus, der bis Anfang der 1980er an der Küste von Oregon in Betrieb ist. Ein weiterer 10 kW Rotor wird in Somerset County, Pennsylvania, errichtet.

Ein weiteres Unternehmen, DAF-Indal, errichtet um 1979 in Texas verschiedene Darrieus-Rotoren zum Pumpen von Wasser, unter anderem an der USDA experiment station, Bushland und am Alternative Energy Institute in Canyon. In Bushland steht auch ein 42 m hoher und 34 m durchmessender 625 kW Darrieus-Rotor, ein Prototyp aus den Sandia National Labs in Albuquerque, New Mexico. Weitere Untersuchungen an H-Rotoren erfolgen am National Wind Technology Center am NREL.

Ebenfalls 1979 dreht sich an der New Mexico State University in Las Cruces ein experimenteller H-Darrieus unter dem Namen ‚Pinson Cycloturbine’. Außerdem wird in den Tehachapi-Bergen ein Darrieus-Windpark mit Anlagen des Herstellers Flowman installiert, über den ich bislang jedoch noch keine näheren Details herausfinden konnte.

Die Stadt Ellenville im US-Bundesstaat New York bestellt 1984 insgesamt 71 Rotoren mit einer Höhe von 25 m, welche die Fallwinde der nahen Shawangunk-Berge ausnutzen sollen. Die Geräte werden dort bildlich überzeugend ‚Eggbeater’ genannt.

Mitte der 1990er Jahre wird von Adecon ein weiterer Darrieus-Rotor in Pincher Creek, Alberta, errichtet. Der letzte US-Hersteller von Darrieus-Senkrechtachsern geht im Sommer 1997 Bankrott.

Wind Sail Rotor

Wind Sail Rotor

Doch ganz totzukriegen ist auch diese Technologie nicht. Ende der 1990er Jahre beginnt eine Gruppe ehemaliger sowjetischer Waffeningenieure und Wissenschaftler des Makeyev Raketenzentrums im russischen Miass mit der Entwicklung eines Senkrechtachsers. Ihre VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) wird ab 2002 im Rahmen der Proliferation Preventions Initiative (IPP) vom US-Department of Energy gefördert. Ebenfalls mit an Bord sind die Lawrence Berkeley National Laboratories (LBNL).

Der 2005 vorgestellte Prototyp WPU-2500 hat eine Leistung von 1,5 kW, ist 9 m hoch, hat einen Durchmesser von 3 m und besitzt 3,65 m lange Blätter. Anlaufen tut er bei einer Windgeschwindigkeit von 4 m/s.

Bald darauf wird dann in Rohnert Park, Kalifornien, die Firma Wind Sail gegründet, um das entstandene Produkt zu kommerzialisieren, und im April 2006 wird bei der Firma Empire Magnetics ein erster 3 kW Prototyp installiert. Zumindest bei der Betrachtung des Fotos kann man allerdings nicht sagen, daß das Ergebnis berauschend ist – nachdem sich die Wissenschaftler immerhin über 10 Jahre lang damit beschäftigt haben…!

2006 beteiligt sich ein Mark Oberholzer an dem Metropolis Next Generation Design Wettbewerb. Seine Anfang 2007 publizierte Innovation soll den an Autobahnen entstehenden Fahrtwind nutzen, indem eine Vielzahl kleiner, gewundener Darrieus-Rotoren innerhalb der in den USA weit verbreiteten Fahrbahn-Begrenzungen aus Beton installiert werden. Aufgrund von Versuchen findet Oberholzer außerdem heraus, daß übereinander gestapelte Doppel-Turbinen besser dazu in der Lage sind, den Wind aus beiden Richtungen zu nutzen.

Darrieus-Rotor von Windspire

Windspire-Darrieus

Im Februar 2008 wird in US-Blogs eine weitere Variante der Darrieus-Rotoren mit senkrechten Blättern vorgestellt. Hersteller ist die 2005 gegründete Firma Mariah Power aus Reno, Nevada, die auch Savonius-Anlagen anbietet (s.o.). Das für Einzelhaushalte gedachte Modell ‚Windspire’ kann bei einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 18 km/h bereits 1.800 kW/h pro Jahr erwirtschaften. Nachdem der 9 m hohe und 60 cm durchmessende 1,2 kW Windgenerator seine Sicherheitszertifizierung bekommen hat, soll er ab dem Frühjahr auf den Markt kommen – zu einem Preis von 3.995 $. Für die Installation sollen noch mal rund 1.000 $ anfallen.

Im Oktober 2008 verkündet Mariah Power den Beginn einer Zusammenarbeit mit der Firma MasTech Manufacturing, um in Manistee, Michigan, ab Ende 2009 monatlich 1.000 Windturbinen herzustellen. Nachdem das Unternehmen 50 Stück seiner Rotoren herstellt und an verschiedenen exponierten Plätzen, wie auf der National Mall nahe dem Capitol in Washington, installiert, weisen die Auftragsbücher im November bereits mehr als 4.000 Bestellungen aus.

Im Dezember 2008 wird bekannt, daß Investoren mehrere Millionen Dollar in Mariah Power gesteckt haben, doch einer späteren Meldung auf der Homepage des Unternehmens zufolge verschiebt sich die Markteinführung voraussichtlich bis zum Herbst 2009. Außerdem würde man bereits an einer 3 kW Version des ‚Windspire’ arbeiten.

Für Besitzer des iPhone stellt die Firma im Oktober 2009 eine Applikation zur Verfügung, um ohne zusätzliche Hardware die Windgeschwindigkeit zu messen: Über das Mikrophon des Kleingeräts wird der Schall des rotierenden Senkrechtachsers aufgenommen, worauf ein Algorithmus nach Ausfilterung der Umgebungsgeräusche aus dem Klang die Windgeschwindigkeit berechnet.

Bis zum November sollen schon über 4.000 Bestellungen für den ‚Windspire’ eingegangen sein, und das Unternehmen hofft nun, ab Ende des Jahres mit einer monatlichen Produktionsrate von 1.000 Stück den Vertrieb starten zu können.

Anfang 2009 beteiligt sich der Erfinder Chad Maglaque aus Seattle an dem internationalen Innovationswettbewerb ,Project 10 to the 100th’ von Google. Seine 1 m hohe Dachturbine namens ,Jellyfish’ ist mit einem Windsensor und einem Starter-Motor ausgestattet und soll ohne Stromwandler auskommen.

the grand resource

the grand resource

Das aus einfachen Materialien bestehende und modular – auch im Selbstbau – leicht montierbare System kann direkt an das Hausnetz angeschlossen werden und soll rund 40 kW/h pro Monat liefern. Kommerziell wird das System bislang nicht angeboten, da es sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase bei der Firma Clarian Technologies befindet.

Fast zeitgleich beteiligt sich die Firma Austin + LLC mergold aus Philadelphia an dem architektonischen Wettbewerb des Bronx Museum of the Arts zur Neugestaltung der Grand Concourse im Herzen des New Yorker Bezirks.

Der Beitrag mit dem Namen ,the grand resource’ schlägt eine vernetzte Reihe von Türmen aus offenen Strukturen vor, auf denen mächtige (aber leise) Windenergieanlagen Yorks neuestes Denkmal für saubere Energie bilden. Dies würde auch zu dem Siegel der Stadt passen – auf dem die niederländischen Gründer von Neu-Amsterdam 1625 auch eine Windmühle abgebildet haben.

Als einer der sieben Finalisten wird das Projekt des Unternehmens im November 2009 im Bronx Museum of the Arts ausgestellt.

Blackhawk Prototyp im Bau

Blackhawk Prototyp (im Bau)

Im April 2010 berichtet das Energieportal peswiki.com von einem weiteren Darrieus-Design, das von B. Boatner und seiner Firma The Blackhawk Project LLC in Boise, Idaho, entwickelt wird. Der Tilt Rotor verbindet die geraden Blätter, die ein Tragflächenprofil aufweisen, mit einer beweglichen Halterung in der Blattmitte und einer intelligenten Steuerung. Diese sorgt dafür, daß die Blätter stets so geneigt werden, daß ihr Profil den höchsten Grad an Auftriebsenergie umsetzen kann.

Der erste Blackhawk ,TR-10’ Prototyp mit Permanentmagnet-Generator hat einen Durchmesser von 3 m bei einer Blattlänge von gut 2 m. Er wird im September 2009 am Center For Advanced Energy Studies (CAES) in Idaho Falls installiert, einem Zusammenschluß des Idaho National Laboratory, der Idaho State University und der University of Idaho.

Der 1,5 kW Rotor wird als Batterielader (24 V oder 48 V) eingesetzt. In einer Animation wird auch das Konzept einer zusammenklappbaren, fahrbaren Anlage vorgestellt, was bei dieser Konstruktion tatsächlich besonders einfach zu verwirklichen ist.

Ende 2009 erscheint in den Blog ein äußerst ästhetisches Design, das man auf den ersten Blick kaum als Windkraftanlage erkennt. Die patentierte ,Airate’ stammt aus dem amerikanischen think-tank Joe Doucet & Company in New York und ist besonders den für urbanen Einsatz konzipiert. In den Grafiken werden allerdings auch sehr große Anlagen gezeigt – zumindest im Vergleich zu dem umgebenden Baumbewuchs.

Der Senkrechtachser streckt zwei gebogene und ins sich leicht gewundene Rotorblätter nach oben, die den Wind aus allen Richtungen aufnehmen, und entspricht dadurch meines Erachtens der Darrieus-Technologie.

Andere Länder

Anfang 2010 erscheint in den Fachblogs das Modell eines patentierten 3-Blatt-Darrieus aus Bulgarien, in dessen Inneren sich zusätzlich ein sogenannter ‚Tornado JET Rotor’ befindet.

Über die Technologie dieser spiralförmigen Anordnung werden keine Details mitgeteilt, auf den Grafiken sieht es wie eine Vielzahl schlanker, waagrechter Savonius-Schaufeln aus. Umgeben ist das Ganze von einem strömungslenkenden, pyramidalen Unterbau, der außerdem mit PV-Paneelen belegt ist. Der Rotor von George Tonchev aus Sofia soll besonders leise und Vogel-freundlich sein. In den Animationen auf der Seite des Erfinders sieht man auch die konzipierte Umsetzung des Systems als Stromtankstelle an Autostraßen.

Mini-Darrieus von SAWT

SAWT Mini-Darrieus

Tonchev ist außerdem Urheber eines Schlaufen-Rotors, dem er aufgrund geringerer Energieverluste einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als den von konventionellen Blättern bescheinigt. Der bei den Kleinmodellen eckig ausgeführte Rotor sei auch für den Einsatz in flüssigen Medien gedacht.

Seit 2005 bietet die Shanghai Aeolus Windpower Technology Co. Ltd. (SAWT) Darrieus-Rotoren der H-Modells mit 5 Blättern an.

Die Rotoren aus China besitzen eine pneumatische Geschwindigkeitskontrolle und werden ab Ende 2007 in großen Stückzahlen in der JinShan Industrial Zone gefertigt, in Baugrößen von 200 W, 300 W, 500 W, 1 kW, 3 kW und 10 kW.

Außerdem entwickelt das Unternehmen einen 10 W Mini-Rotor (12 V, 30 cm Durchmesser, Blattlänge 30 cm, Gewicht 2 kg) – ebenso plant man die Herstellung von 50 kW, 500 kW und 1 MW Anlagen.

Damit würde SAWT das weltweit breiteste Angebot an Darrieus-Rotoren besitzen.

Aerospiral Windkraftanlage Grafik

Aerowind-Aerospiral
(Grafik)

Im Januar 2006 gründet sich in Zhuhai, Guangdong, die Firma Aerowind Systems, um insbesondere für die ländlichen Gebiete in China selbst kleine und effektive Windkraftanlagen herzustellen.

Das erste Modell des Unternehmens entspricht noch einem schlichten, geraden Darrieus, wie er bereits seit Jahrzehnten bekannt ist.

Doch schon im April 2007 zeigt die Firma eine technisch sehr viel weiterentwickelte 1,5 kW ,Aerospiral’ Anlage (1,60 m Durchmesser, 3 Blätter à 2 m Länge, Gesamtgewicht 45 kg), die bereits im Mai auf den Markt kommen soll.

Die Systeme starten bereits bei Windgeschwindigkeiten um 2m/s und sollen einen sehr ruhigen Lauf haben.

In Dänemark experimentiert Vestas schon früh mit 2-Blatt Darrieus-Rotoren, die ab 1978 von Leon Bjervig entwickelt und gebaut werden. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß die Blätter jeweils als Doppelflügel gestaltet sind.

Das Foto der Anlage – wie auch einige andere der hier gezeigten Fotos – wurde 1980 von Paul Gipe aufgenommen.

Eine weitere Testanlage mit senkrechten Blättern wird 1980 in Roskilde, auf dem Gelände des Risø National Laboratory, aufgestellt.

Benhaim-Konzept Montage

Benhaim-Konzept
(Montage)

In Frankreich beantragt 2008 Pierre Benhaim ein Patent, bei dem es sich um das bislang größte Konzept zur Umsetzung von Darrieus-Rotoren geht. Diese sollen waagrecht zwischen Hochhäusern sowie den Flanken von Bergtälern installiert werden.

Auch wenn die strukturellen und bautechnischen Anforderungen gewaltig sind, verdient die Idee eine nähere Analyse, da sich an den genannten Installationsorten bekanntlich besonders starke Winde entwickeln. Außer einigen Fotomontagen gibt es m.W. bislang aber keine Tests oder gar Umsetzungen.

Eine näherliegende Umsetzung verfolgt das Pariser Unternehmen Windela SA, das mit einer Savonius/Darrieus-Kombination samt PV-Paneel LED-Straßenlampen autonom mit Strom versorgen will, die auch als Wi-Fi Relais agieren sollen.

Unter dem Namen ,Windela  600’ bzw. ‚Windelux’ wird ein Modell mit 6 Savonius-Halbzylindern und 3 Darrieus-Blättern angeboten (1,2 m Durchmesser, 1,4 m Höhe, Gewicht 40 bzw. 50 kg), das je Windgeschwindigkeit einen 48 V Drehstrom von 100 W bis 700 W abgibt.

Auch die LED-Straßenlampen werden von dem Unternehmen weiterentwickelt, das dabei eine modulare Bauweise verfolgt, die eine leicht anpaßbare Ausleuchtung erlaubt. Sieben ,Windelux’ werden in Bouvron, zwei vor dem l’Oréal-Forschungszentrum in Chevilly Larue und einer in Vitry sur Seine errichtet. Im Januar 2009 werden auch in England zwei Stück installiert, auf dem Parkhaus der Colchester station in Essex.

Das hybride Straßenlicht gewinnt den erstmals verliehenen ,2009 Rethink award’ für junge und innovative Start-Ups der School of Commerce and Management HEC in Partnerschaft mit Les Ateliers de la Terre und USHUAIA TV. Die Produktion soll nun im Industriepark Brive-la-Gaillarde in Malemort, in der Region Corrèze, aufgenommen werden.

Starck Design A

Starck Design A

Viel Presse bekommen die neuen Designs von Philippe Starck, die man auch den Darrieus-Rotoren zuordnen kann. Der französische Designer stellt seine Turbinen nach zweijähriger Entwicklungszeit im Januar 2010 vor, produziert werden sie von der italienischen Firma Pramac in der toskanischen Stadt Siena, einem Hersteller von Stromgeneratoren.

Bei dem einen Modell handelt es sich um eine viereckige ,WT 400 W’ mit einer Höhe von 90 cm, einer Ausgangsleistung von 400 W und einem Preis von rund 2.500 €, während die andere Version als spiralförmige (helicoidal) ,1KW WT’ bezeichnet wird, 145 cm hoch ist, ca. 3.500 € kostet und bei einer Windgeschwindigkeit von 14 m/s 1 kW erzeugen kann. Die Installation kostet weitere 1.000 € – 2.000 €. Beide Rotormodelle werden auf Stangen von 1 m, 3 m oder 6 m Höhe installiert und sind zum Aufstellen im Garten oder auf dem Dach konzipiert.

Den Vertrieb am Juni 2010 soll Windeo übernehmen, ein französischer Spezialist für kleine Windkraftanlagen. Zum Start bietet Windeo für Pilotkunden 100 Windenergieanlagen des 1 kW Modells ‚Pramac by Starck’ samt Installation zu einem Preis von 7.500 € netto an. Der hohe Preis wird durch eine 50 %ige Steuergutschrift abgefangen (bis zu einer Obergrenze von 8.000 € für Alleinstehende und 16.000 € für Paare… aber leider nur in Frankreich!).

Das ursprüngliche Design hatte Starck im Mai 2008 auf der Greenergy Design Exhibition in Mailand gezeigt, damals wurde von der Entwickelung einer günstigen Kleinwindanlage gesprochen, die zu einem Preis von rund 400 € verkauft werden sollte.

Ein weiteres, in meinen Augen noch besser gelungenes Design stammt von Maximilien Petitgenet und Abdennour Rahmani, zwei jungen Ingenieuren der l’Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique. Die ,Nov’éolienne’ ist die erste Entwicklung ihrer Start-Up-Firma Noveol in Futuroscope Chasseneuil. Der Senkrechtachser ist als effiziente, leise und umweltfreundliche Windkraftanlage konzipiert und erhält auf der Energaia in Montpellier im Dezember 2009 auf Anhieb einen Innovationspreis.

Nov’éolienne

Nov’éolienne

Neben der ästhetischen Seite (man kann die Farbe selber wählen) ist die umweltfreundliche Ausführung zu betonen – zum größten Teil besteht die Anlage aus recyclingfähigem Material. Die 2 kW Turbine mit 1,7 m Durchmesser startet selbständig bei einer Windgeschwindigkeit von 3 m/s (ca. 11 km/h), und eine Elektronik paßt die Rotorblätter automatisch dem Windaufkommen an.

Die Anlage für rund 15.000 € soll bis zu 3.500 kWh pro Jahr produzieren, was zwischen 60  % und 80 % des durchschnittlichen Verbrauchs privater Haushalte ohne Heizung abdecken würde. Die Herstellung soll im Laufe des Jahres 2010 starten. Ein größeres Modul mit 6 kW Leistung soll ebenfalls entwickelt werden, das dann für etwa 25.000 € auf den Markt gebracht werden soll.

Eine weitere französische Firme, die einen Senkrechtachser anbietet, ist die Ende 2007 von Alain Burlot gegründete Apple-wind S.A.S., die schon 2008 ihren ersten Prototypen namens ‚AW 12.5’ öffentlich präsentiert. Grundlage dafür sind zwei Patente sowie 6 Jahre Entwicklungsarbeit in Kooperation mit verschiedenen Forschungszentren wie dem ENSM Douai (Laboratory for Industrial Energy Systems), dem Laboratory of Electricity and power electronics der Ecole Centrale de Lille und dem Polytechnikum von Lille.

2009 sollen die mit drei geraden Blättern versehenen Windkraftanlagen, die doppelt so effizient sein sollen wie ‚vergleichbare Rotoren’, bereits in drei verschiedenen Größen angeboten werden – neben der ‚AW 12.5’ werden dies eine ,AW 2.2’ und eine ,AW 128’ (mit Magnetlager) sein. Charakteristisch ist der modulare Aufbau ohne zentralen Mast, der das Zusammenklappen und leichte Transportieren des Rotors erlaubt.

Tatsächlich werden Anfang 2010 auf der Homepage des Unternehmens schon vier Modelle angeboten: Eine Kleinversion ,AW 2.6’, die für die Dachmontage geeignet ist und 1 kW leistet (Blattlänge 1,3 m, Gesamthöhe 1,8 m, Durchmesser 2 m), ein 7 kW Modell ,AW 15’ (Blattlänge 3 m, Gesamthöhe 5 m, Durchmesser 5 m), eine 30 kW Anlage ,AW 54’ (Blattlänge 5,7 m, Gesamthöhe 7,7 m, Durchmesser 9,5 m) sowie ein 100 kW System ,AW 144’ (Blattlänge 9,3 m, Gesamthöhe 11,3 m, Durchmesser 15,5 m). Einen Grund für diese verwirrenden Typenbezeichnungen habe ich nicht herausfinden können.

Im Laufe des Jahres sollen die ersten 300 Stück produziert werden, wobei pro installierten kW mit einem Preis von 2.000 € gerechnet wird. Es soll bereits 150 Vorbestellungen geben.

 

Windwall-Rotor

Windwall-Rotor

Die neue, spiralig gewundene Form bei Darrieus-Rotoren findet mehr und mehr Anhänger, so auch in Holland an der Technischen Universität Delft. Man berechnet dort Windströmungen an Hochhäusern im Computer und stellt fest, daß der Wind durch die Kanten beschleunigt wird – unabhängig von der Höhe eines Hauses. Es zeigt sich, daß der Wind an den Seiten und auf dem Dach deutlich schneller ist als vor dem Haus.

Die Universität entwickelt daraufhin den Prototyp eines Rotors, mit dem das Potential insbesondere hochgeschossiger Gebäude genutzt werden kann.

Je nach Höhe des Hauses könnte ein einziger Rotor von zwei Metern Breite und drei Metern Höhe auf dem Dach den kompletten Energiebedarf einer Familie decken.

Erste derartige Konstruktionen für Dächer sind in Holland bereits im Einsatz. Die Entwickler sind davon überzeugt, daß es gelingt die so genannten Windwälle noch effizienter zu gestalten.

Als weiteres Konzept erscheinen dieser Rotoren auch im Einsatz über Autobahnen – womit quasi der Fahrtwind der Fahrzeuge recycelt wird. Auch ästhetische Gründe sprechen für diesen Einsatz, der gut in einem sowieso schon voll technisierten Umfeld erfolgen könnte.

 

Xeolo 6 kW

Xeolo 6 kW

2008 präsentiert das Unternehmen Dealer Techno s.r.l. aus Civitaecchia, Provinz Rom, Italien, erstmals seinen vierblättrigen Senkrechtachser, der durch acht zusätzliche, kurze Blätter auffällt, die vermutlich das leichtere Anlaufen ermöglichen sollen.

Die Vermarktung der 550 kg schweren ,Xeolo 6 kW’ Anlage mit 2,8 m Durchmesser und 6 m Höhe, deren Hersteller einen Ertrag zwischen 1,2 MWh  und 1,5 MWh pro Jahr versprechen (anderen Quellen zufolge sogar 12 MWh), soll im Januar 2010 beginnen.

 

Ein ambitioniertes Projekt geht das Unternehmen Coriolis Wind Ltd. aus Israel an, das ganze Darrieus-Batterien aufstellen will. Ich habe es bereits in der Länderübersicht erwähnt. Gründer des Unternehmens ist Precede, eine Gruppe von vier Unternehmern, die auch die Solarunternehmen Pythagoras und Solar Power gegründet haben.

Das Unternehmen in Ramat Hasharon entwickelt hierfür paßgenaue und modular aufbaubare 50 kW Darrieus-Rotoren und präsentiert im November 2008 erstmals das Modell einer 1,5 MW ,Coriolis Wind Screen’ Anlage.

2009 geht in dem Dorf Kfar Yarok eine Pilotanlage mit drei Rotoren in den Testbetrieb. Diese sind jeweils 2 m hoch und bestehen aus leichten Kunststoffblättern. Zusammen mit einem der größten (namentlich noch nicht benannten) amerikanischen Energieunternehmen und einer 10 Mio. $ Investition will Coriolis bis 2011 in den USA eine zweite Pilotanlage bauen.

Darrieus-Rotor von VBINE

VBINE-Darrieus (Grafik)

VBINE Energy aus Moosomin in Saskatchewan, Kanada, bietet 2008 einen H-Darrieus mit vier Tragflächen von je 3 m Länge sowie einem Permanentmagnet-Generator an, der auf Schornsteine montiert werden soll, wo er neben dem Wind, der den zylindrischen Schornstein umströmt, auch den Auftrieb der warmen Abluft nutzen kann.

Ein anderes Modell ist – wie abgebildet – speziell für Funknetz-Türme konzipiert. Von einer kommerziellen Umsetzung des Systems ist mir allerdings noch nichts bekannt.

 

Um den Wind zu nutzen, der stets über den Fluß Han weht, entwickelt der Designer Kyung Kuk Kim aus Seoul, Korea, eine filigrane ,Wind Lamp’, die er unter den Brücken des Flußes aufhängen will.

Im Innern dreht sich ein schmaler, dreiblättriger Darrieus-Rotor mit geraden, leicht schräg gestellten Blättern, dessen Stromertrag die LED-Leuchtkörper versorgt. Je nach Windstärke leuchten diese schwächer oder stärker auf. Da es einen Energieüberschuß gibt sollen damit auch die Leuchten über der Brücke versorgt werden.

 

Silent Future Rotor

Silent Future Rotor

Im Juni 2008 wird die Silent Future Tec GmbH in Arbing, Österreich, gegründet, die aus der 2005 gegründeten Firma FD-Composites hervorgeht. Der Aufbau und die Inbetriebnahme des ersten 3-flügligen Prototypenanlage mit 3,5 kW erfolgt im April 2009.

Anfang 2010 stellt das Unternehmen bereits drei Versionen seines Darrieus-Rotors mit leicht gebogenen und abgerundeten Blättern vor: den 390 kg leichten ,SFT-V4.2’ mit 4,2 kW, 4 m Höhe und 4 m Durchmesser, den 600 kg wiegenden ,SFT-V7.5’ mit 7,5 kW, 4,5 m Höhe und 6,5 m Durchmesser, den es ab Ende 2010 geben soll, sowie den 1.070 kg schweren ,SFT-V15’ mit 15 kW, 7,5 m Höhe und 8 m Durchmesser, der ab Anfang 2011 lieferbar sein soll.

Die Leistungen der Anlagen aus GFK, Kohlefasern und Aluminium entsprechen einer Windgeschwindigkeit von 11 m/s – wobei die Rotoren auch Stürme mit bis zu 180 km/h aushalten sollen.

Auch in Schweden bekommen Darrieus-Rotoren Mitte 2008 Aufwind, als das Handy-Unternehmen Ericsson bekannt gibt, seine preisgekrönte Mobilfunk-Basisstation ,Tower Tube cell tower’ in Zukunft mit einem Senkrechtachser aus schwedischer Produktion zu ergänzen.

Vier vertikal am Turm befestigte, 5 m lange Rotorblätter dienen dazu, die im inneren des Turms verbaute Basisstation mit Energie zu versorgen.

Entwickler und Hersteller ist die schwedische Firma Vertical Wind AB in Uppsala, die 2002 von Forschern der Uppsala University, der Energy Potential AB und der Uppsala universitets Utveckling AB gegründet wird und ab April 2008 mit dem operativen Geschäft beginnt.

Fast zeitgleich wird eine Partnerschaft zwischen den schwedischen Firmen Vertical Wind AB, dem Energieversorger Falkenberg Energi und der deutschstämmigen E.ON bekannt, die ab 2009 in Falkenberg ein Pilotprojekt mit vier 200 kW Anlagen starten wird.


Darrieus-Rotor in Martigny

Darrieus-Rotor
in Martigny

1987 wird in der Schweiz, östlich der Stadt Martigny im Kanton Wallis, eine Darrieus-Anlage mit einem Durchmesser von 19 m und einer Höhe von 28 m errichtet, die auf eine Gesamtmasse von 8 t kommt. Der Asynchrongenerator erreicht bei 1.000 U/min eine Leistung von 110 kW, und bei 1.500 U/min sogar 160 kW.

Die Anlage steht auf dem Gelände des Centre de recherche et d’enseignement en energie et techniques municipales und wird dort gemeinsam mit einem Biogasmotor zur Stromversorgung des Zentrums eingesetzt.

Der in der Schweiz lebende polnische Designer Oskar Zieta präsentiert Mitte 2009 auf dem DMY International Design Festival in Berlin seinen ‚Fidu Rotor – Coeus’, den er gemeinsam mit Philipp Dohmen und Studenten der Fakultät für Computer-Aided Architectural Design (CAAD) an der ETH Zürich entwickelt hat.

Der H-Darrieus des Projektes besteht aus aufgeblasenen Blechkörpern (daher Fidu = free inner pressure deformation oder Freie InnenDruck Umformung), die aus der Stanzpresse vorgefertigt und Laser-geschweißt leicht hergestellt, transportiert und montiert werden können. Produziert wird der Rotor bei der Firma Trumpf Maschinen AG in Baar.

Fidu Rotor – Komponenten

Fidu Rotor – Komponenten

Bei dieser Technologie wird die dreidimensionale Form durch den zweidimensionalen Zuschnitt des Blechs gesteuert. Das zugeschnittene und verschweißte Blech kann anschließend ortsunabhängig aufgeblasen werden. Für die Herstellung benötigt man nur die Matrize und einen Schweißroboter.

Im Zuge der Entwicklung werden drei verschiedene Flügeldesigns weiterentwickelt – gebogenen Einkammer- und Dreikammerflügel sowie ein Wellenformflügel. Die Belastbarkeit der Bleche im Verhältnis zum geringen Eigengewicht und Materialverbrauch erweist sich dabei als kostengünstige und nachhaltige Innovation mit hohem Entwicklungspotential. Zwei dieser Rotoren sollen den Bedarf einer 4-Personen-Familie decken können.

Nach einer längeren Entwicklungszeit beginnt in Italien die in Bozen–Bolzano beheimatete Firma Ropatec 1996 mit der Prototypen-Testphase ihres Windrotors unter extremen Bedingungen. 2001 erreicht man die Serienreife.

Das System ist ein Savonius/Darrieus-Hybrid, bei dem versucht wird, die Vorteile beider Systeme in einem einzigen zu vereinen.

Außerdem produziert das Unternehmen verschiedene klassische H-Darrius Anlagen bis 20 kW, wobei die Preise 2007 zwischen 3.700 € für das günstigste 750 W Modell und 15.900 € für eine 6 kW Anlage variieren.

 

Hi Energy Technology Grafik

Hi Energy Technology (Grafik)

Eine interessante Darrieus/Savonius-Kombination bietet ab Mitte 2009 das Unternehmen Hi Energy Technology aus Taiwan an. Die Windkraftanlage soll in den Leistungsstufen 400 W, 1,5 kW und 3 kW auf den Markt kommen und laut dem Hersteller Telemax Technology Corp. portabel sein.

An dieser Stelle darf nicht der Hinweis fehlen, daß eine abgewandelte Form des Darrieus-Rotors – ähnlich wie beim Flettner-Rotor (s.o.) – auch zum Antrieb von Flugzeugen eingesetzt werden sollte.

Unter den Stichworten ‚Egg-Beater Wind Plane’, ‚Cycloidal flying machine’ oder ,Cyclogyro’ findet man leicht weitere Informationen über die Erfindung von Dr. Frederick K. Kirsten, der in den 1930ern in den Lufttechnischen Labors der University of Washington verschiedene Modelle gebaut hat. Die hier abgebildete Version stammt aus dem US-Magazin Modern Mechanix vom Oktober 1934. Das erste Patent für einen cyclogyro soll bereits 1893 einem deutschen Erfinder erteilt worden sein.

Fanwing-Flugzeug Grafik

Fanwing-Flugzeug (Grafik)

Einen neuen Einsatz bei einem 2-Personen Flugzeug wird unter dem Stichwort ,Fanwing’ verfolgt. Bereits 1998 führt Patrick Peebles an der Universität von Rom erste Windkanalversuche an seiner Erfindung durch – und 2005 beginnen Tests an einem Kleinmodell.

Im Juni 2008 wird das Video des Fluges eines elektrisch betriebenen, 6 kg schweren unbemannten Kleinflugzeuges mit einer Spannweite von 1,6 m veröffentlicht, der während des ParcAberporth Unmanned Systems 2008 events erfolgt und die gute Manövrierbarkeit sowie stabile Fluglage des ‚Fanwing’ belegt. Peebles arbeitet außerdem an einer vertikal startenden und landenden Version seines Flugzeugs. Auf der Seite des FanWing company ist die Entwicklung seit 1998 sehr gut dokumentiert.

2007 wird die Technik auch beim Bau eines kleinen Elektroflugzeugs umgesetzt, aus dem sich später semi-autonome und leicht manövrierbare Robot-Flieger entwickeln sollen.

Hu Yu und Lim Kah Bin vom Department of Mechanical Engineering der National University of Singapore stellen im Februar 2007 ein funktionierendes Modell vor, das 358 g wiegt und zwei bürstenlose Elektromotoren hat, die von einer 12 V / 720 mAh Li-Po-Batterie versorgt werden.

Voit Schneider Propeller

Voit Schneider Propeller

Andere Forschungsgruppen, die sich 2008 mit der Weiterentwicklung dieser Rotoren beschäftigen, gibt es an der Seoul National University in Süd-Korea, an der University of Electro-Communications in Tokio und am Technion Israel Institute of Technology (TIIT) in Haifa.

Ein weiterer Hinweis betrifft den Voith-Schneider-Propeller, der es z.B. Schleppern ermöglicht sehr flexibel und präzise zu manövrieren und sogar am Ort zu wenden. Der Propeller, der auch unter dem Namen ,Voith Water Tractor’ vermarktet wird, sieht ebenfalls ein wenig wie ein H-Darrieus aus, dessen Einzelblätter sich zentral um 360° drehen lassen.

Erfunden wurde der Voith-Schneider-Antrieb von Ernst Schneider. Entwickelt und produziert wird er seit 1926 von der Firma Voith in Heidenheim bzw. St. Pölten.

Zu den negativen Aspekten des Darrieus-Rotors gehören seine Bodenständigkeit, da keine großen Höhen erreichbar sind, das träge Startverhalten, die problematische Sturmsicherung und die starken Vibrationen, die im Betrieb oftmals festgestellt worden sind. Das größte Problem sind jedoch die extremen Lastwechsel, denen die Flügeln standhalten müssen.

Wie schon beim Savonius-Rotor erwähnt, ist Anfang 2009 festzustellen, daß die erfolgreichsten Adaptionen und Optimerungen (auch) des Darrieus-Rotors inzwischen alle eine verdrillte, spiralförmige Struktur aufweisen. Über die besondere Relevanz der Spirale und der Wirbelbewegungen berichte ich ausführlich in den Kapiteln zur Wirbelströmung in Teil D.

Der Hammurabi-Rotor

Über diesen Rotor findet sich nichts in der Literatur, er ist mir auch nur durch die persönliche Bekanntschaft mit seinem Erfinder, dem Iraker Tahsin Al-Majed, bekannt geworden. Dieser wird uns später noch als Entwickler des geschlitzen Rotorblatts begegnen.

Rotor von 1719

Rotor von 1719 (Grafik)

Im Grunde handelt es sich um die  Weiterentwicklung eines erstmals (?) 1719 in Frankreich entwickelten Systems mit waagrecht umklappenden Flügeln an Querachsen, die in mehreren, versetzt übereinander angeordneten Lagen durch eine senkrechte Rotationsnabe geführt werden. Außer in kleinen Funktionsmodellen wurde eine praktische Umsetzung m.W. bislang noch nicht erprobt.

Interessant ist, daß es ein sehr ähnliches deutsches Patent von Herrn Josef Wisniewski aus Celle gibt, das fast zeitgleich 1978 mit der Erfindung von Al-Majed eingereicht wurde.

Doch damit nicht genug!

So bekommen z.B. bei dem europäischen Wissenschafts-Wettbewerb ‚Jugend forscht’ im Jahr 1995 zwei ungarische Schüler einen Preis für das im Grunde exakt gleiche System zugesprochen.

Es scheint also, als ob diese Idee unbedingt umgesetzt werden ‚will’ – selbst wenn dieser Vertikal-Rotor (nur) ein Widerstands- und Langsamläufer ist, dessen Attribute auf einen geringen Leistungsbeiwert hinweisen, wie verschiedene Aerodynamiker meinen.

Bei unseren eigenen Experimenten kamen wir jedoch zu einem sehr interessanten Ergebnis:

Abbildung aus dem Klapprotor-Patent

Manelidis-Patent

Ein kleines Modell des Rotors wurde auf einem dreirädrigen Wagen installiert, der als Getriebe einen umgewidmeten Handbohrer besaß.

Richtete man nun einen Zimmerventilator auf das Gerät, so fing dieses überraschenderweise an, mit schnell zunehmender Geschwindigkeit auf die Windquelle zuzufahren.

Und je stärker der Wind blies, desto schneller fuhr im das Wägelchen entgegen! Über einen erstmals 2008 veranstalteten Wettbewerb mit genau solchen Wagen berichte ich ausführlich im Kapitel über windbetriebene Fahrzeuge.

Die Technolgie der Klappflügel ist also nicht nur schon früh erfunden worden, sondern sie ist auch äußerst hartnäckig. Da sie bislang noch immer nicht im praktischen Einsatz ist, taucht sie einfach immer wieder von neuem auf – so z.B. auch in dem am 25.07.2002 beantragten und am 20.02.2003 erteilten Internationalen Patent WO 03/014564 des griechischen Erfinders Vladimiros Manelidis.

Anhand der Grafik erkennt man schnell, daß sich der Erfinder auf die essentielle Technik der um 90° versetzten Klappflügel konzentriert hat.

Grafik der Energie-Barke

Energie-Barke (Grafik)

2004 kommt die Erfindung von Robert D. Hunt in die Presse, der ebenfalls einen Senkrechtachser mit Klappflügeln vorstellt, der einen Wirkungsgrad von 44 % besitzen soll.

Während die Modelle der Hunt Aviation Corp. in Pass Christian, Mississippi, noch abgerundete Klappen haben (,Disc-Rotor’), sehen die zukünftigen Konzepte ebenfalls eckige Flächen vor – wobei das System als schwimmende Barke sowohl die Wind- als auch die Strömungsenergie nutzen soll, natürlich mit jeweils angepaßten Systemen aufgrund der unterschiedlichen Dichte von Luft und Wasser.

Mitte 2005 berichten einige Blogs in den USA ein weiteres Mal über die wiederum gleiche Erfindung – diesmal hat sie John M. Thalmann aus Crown Point, Indiana, gemacht, der auf seinem Dach ein Modell mit einem Durchmesser von immerhin 365 cm vorführt.

Modell des Barco WM Rotor

Barco WM Rotor

Inzwischen bin ich mir ziemlich sicher, daß eine gezielte internationale Recherche noch diverse andere Parallelerfindungen des Klappflügel-Rotors zum Vorschein bringen würde…

Ein weiteres System, das ich hier einordnen möchte, ist der patentierte Rotor des spanischen Entwicklungsunternehmen Barco WM, bei dem die Einzelblätter allerdings senkrecht angeordnet sind.

2002 erhält diese Erfindung die Silbermedaille der Erfindermesse Gálactica, danach hört man jedoch nichts mehr darüber.

Außer dem hier abgebildeten Modell scheinen auch keine weiteren Rotoren gebaut worden zu sein.

Bereits 1994 läßt sich der Erfinder Vladimir Markovic aus dem slowenischen Ljubljana eine Laufwasser-Pumpe für Flüsse patentieren, deren Klappflügel ebenfalls nach dem hier beschriebenen System funktionieren. Es dauert allerdings bis 2008, als Markovics Firma Izumi die Produktreife der Anlage bekanntgibt.

Gilmour-Konzept (Grafik)

Der vorgestellte Prototyp besitzt drei Blattpaare, hat einen Durchmesser von 2,4 m und soll in der Lage sein, bis zu 300 m3 Wasser pro Tag zu pumpen (allerdings wird nicht angegeben, bei welchem Höhenunterschied). Der erwartete Preis variiert zwischen 3.500 $ für die Einzelpumpe und 11.000 $ für ein System mit angeschlossenem Generator.

Der Erfinder Tom J. Gilmour aus Toronto stellt im April 2007 ein weiteres System vor, das dem von Barco WM ähnelt.

Gilmour nennt seine patentierte Windenergieanlage, die mit 8 tragflächenartigen Flügeln bestückt ist, die von einer etwas kompliziert erscheinenden exzentrischen Mechanik gesteuert werden, ,Tom’s Whirligig’. Bislang scheint es von dem System aber nur einige Grafiken zu geben.

Pierre Dieudonné läßt sich 2007 einen Senkrechtachser patentieren, der ebenfalls mit einer Blattverstellung ausgestattet ist, die dem hier vorgestellten Prinzip entspricht. Der Erfinder vergleicht sein System mit einem Segelboot, das im Kreis herumfährt. Obwohl die Erfindung auf verschiedenen Messen und Ausstellungen mehrere 2. und 3. Preise gewinnt, scheint sie bislang noch nicht umgesetzt worden zu sein.

Im April 2008 veröffentlicht Dieudonné allerdings einen Clip, auf dem ein Prototyp namens ‚Carma’ zu sehen ist, der das Prinzip seiner automatischen Blattnachstellung demonstrieren soll.

Das Modell wiegt 217 kg, hat einen Durchmesser von knapp 2 m und eine Höhe von 1 m, während die fünf klappbaren Einzelblätter eine Höhe von 0,84 m haben.

Carma

Carma

Ebenfalls ab 2007 publiziert der polnische Erfinder Maciej Żurek sein Modell eines Senkrechtachsers mit zwei senkrecht gelagerten Klappflügeln, das im Vergleich zu der Vielzahl anderer Systeme jedoch relativ beschränkt wirkt. Aufgrund seiner Konstruktionsmerkmale gehört es jedoch mit in diese Auflistung. Von einer Umsetzung ist bislang nichts bekannt.

Diverse Systeme erscheinen ab 2007 auch in Form kurzer YouTube-Clips – zumeist leider ohne Angaben zum Entwickler, von technischen Details ganz zu schweigen.

Aus der Vielzahl entsprechender Rotordesigns, die häufig auch nur als grafische Umsetzungen vorgestellt werden, habe ich einige ausgewählt, die mir besonders erwähnenswert erscheinen. Die ,Butler Windmill’ von G. L. Gore beispielsweise besteht aus mehreren, sich automatisch anstellenden Blättern, die auf einer Fahrradfelge montiert sind. Bislang scheint es bei dem kleinen Demonstrationsmodell geblieben zu sein.

Wing Tree-Konzept Grafik

Wing Tree-Konzept (Grafik)

Fast genau wie der Hammurabi-Rotor ist ein ,Wing Tree’ oder ,Clap Trap’-Rotor aufgebaut, der Mitte 2008 in einem Clip präsentiert wird. Er hat allerdings nur zwei waagrechte Achsen, an deren Seiten jeweils zwei nach oben und unten aus- bzw. einklappbare Blatthälften angebracht sind. Über Herkunft des Konzepts gibt es keine Angaben.

Verschiedene Klappflügel werden auch in einigen Clips im September 2008 vorgestellt, wobei der Erfinder zumindest umfassende Kenntnisse bei der grafischen Darstellung beweist. Die aufklappbaren Segel sind mal senkrecht, mal waagrecht angeordnet, rotieren allerdings stets um ihre senkrechte Achse. Leider gibt es auch hier keinerlei Hinweise auf die Urheberschaft.

Unbekannter Klapprotor B

Unbekannter Klapprotor B

Sehr aktiv ist Marc Olive aus Spanien, der sich u.a. riesige Türme mit vertikal rotierenden Blättern vorstellt, die Leitern ähnlich sehen und mit Reihen von Einzelklappen versehen sind.

Neben unzähligen Designs, wie z.B. dreiarmigen Klappen-Rotoren mit gebogenen Flügeln, sowie Umsetzungsvorschlägen, wie Anwendungen auf Schiffen und Gebäuden, stellt er 2008 auch einen Prototypen vor, der groß genug ist um begehbar zu sein.

Unter dem Namen ‚Molino Inteligente’ erlaubt das Modell, sich den Mechanismus der automatisch auf- und zuklappenden Blattsegmente aus den Nähe anzuschauen. Die geschätzte Leistung eines derart dimensionierten Segments mit drei Flügeln und insgesamt 21 Klappen soll 180 kW betragen. Die Flügel sind 3 m hoch.

Molino Inteligente Prototyp 2

Molino Inteligente Prototyp 2

Um einen Eindruck von der Vielfalt des innovativen Oeuvres mit mehr als 20 Mühlenmodellen zu erhalten, empfiehlt sich ein Besuch auf der Homepage des Erfinders und Designers, auf der es neben einigen Clips (© Jorge Gayarre Villoria) streckenweise auch Texte in Englisch und Deutsch gibt (die anscheinend automatisch übersetz sind…). Das Ganze firmiert unter dem Namen Oliran Magevais s.l. in Barcelona.

Seit 2009 verfolgt Olive auch die Idee großer, zylindrischer Windkraftanlagen, bei denen auf Schienen laufenden Rotationssysteme, die mit vielen außen umlaufenden Klapp-Schaufeln versehen sind, etagenweise übereinander gestapelt sind. Zur Energiespeicherung schlägt er Wasserstoff vor.

Vom Mai 2009 datiert die Animation eines weiteren senkrecht rotierenden Mehrblattrotors mit vielen einzelnen Klappblättern, die lamellenartig dem Prinzip des Hammurabi-Rotors folgen. Das System hat große Ähnlichkeit mit den Modellen von Olive. Leider ließ sich dazu nur eruieren, daß der Designer in den USA tätig ist, technische Details gibt es vermutlich keine.

Unbekannter Senkrechtachser Grafik

Unbekannter
Senkrechtachser (Grafik)

Die ,Pivoted Panel Wind Turbine’ erscheint im April 2009 als Clip im Netz. Von ihrem Erfinder ist nur bekannt, daß er in einer Waldregion in Norden des US-Bundesstaates Minnesota wohnt.

Auch dieses Konzept entspricht dem Hammurabi-Rotor, wobei die Blätter diesmal wieder senkrecht stehen und damit dem Modell von Olive ähneln. Bislang gibt es nur das abgebildete Kleinmodell.

Zumindest grafisch überzeugt ein weiterer Senkrechtachser mit vielen klappbaren, waagrechten Tragflächen, dessen Design ebenfalls als ‚open source’ betrachtet werden soll. Der Entwickler Bill Jenkins aus den USA hofft, daß Ingenieure seine Konstruktion nun durchrechnen und umsetzen.

Bei dem im April 2009 ebenfalls als YouTube-Clip veröffentlichten und ,Wind Gin’ genannten System sind die viereckigen Klappen an senkrechten Einzelachsen befestigt (‚J 3’). In einem weiteren Entwurf wird aber auch eine waagrechte Bauweise vorgeschlagen, bei der die Klappen als Tragflächen konzipiert sind, die von Minimotoren gesteuert werden (‚J 2’) – was die Technik sehr verkompliziert.

Wind Gin Grafik

Wind Gin (Grafik)

Eher dem weiter oben präsentierten ,Disc-Rotor’ gleicht ein vermutlich aus Italien stammendes Design, das unter dem Namen ,Gyromag’ (aus: Gyroscopic und Magnus, ein anderer Name ist ,mb3k’ bzw. ,Mirabolatore 3000’) vorgestellt wird. In dem Clip sieht man ein Modell mit zwei Sätzen aus jeweils vier Scheiben, wobei sich der obere Satz in gegenläufiger Richtung zum unteren dreht. Die Einzelklappen befinden sich auf den Scheiben selbst.

Die mittige Lagerung der Rotorenachse erlaubt dem Ganzen aufgrund des Magnuseffekts auch um diese Achse zu rotieren – wobei allerdings nicht klar ist, was der Nutzen dieser Anordnung sein soll. Der Erfinder scheint auch schon ein kleines Funktionsmodell gebaut zu haben, von dem in dem Clip allerdings nur unbefriedigende Ausschnitte gezeigt werden.

Im August 2009 wird ein YouTube-Clip veröffentlicht, auf dem ein fast schon exakter Nachbau des Hammurabi-Rotors zu sehen ist. An den vier waagrechten Achsen, die um 90° hin- und herklappen können, sind rechteckige Blätter angebracht.

Der nicht genannte Erfinder aus Italien erwähnt nur, daß er diesen Prototyp „nach einer Reihe von Studien über die Aerodynamik“ im März 2005 gebaut habe, und daß dieser sehr rund läuft.

Italienischer Rotor

Italienischer Rotor

Unter dem Namen ,Silent Wind Turbine’ wird auf der Chicago Wind Conference 2009 ein Senkrechtachser mit geraden Blattflächen und variablen Anstellwinkeln vorgestellt, der das Resultat einer 15-jähriger Forschungsarbeit ist.

Das herstellende Unternehmen JL CarbonFree Energy Co. Ltd. aus Changchun/Jilin in China, das neben Standard-Kleinwindanlagen und Solarkollektoren auch verschiedene Darrieus-Modelle anbietet, macht durch die veränderbaren Blattwinkel den Schritt zur Hammurabi-Technologie.

Die Firma bietet die neue Turbine in drei verschiedenen Größen an (3 kW, 5 kW und 10 kW).

Sam Weiss Konzept Grafik

Sam Weiss Konzept (Grafik)

Im März 2010 zeigt Sam Weiss ein Video seiner Abschlußarbeit am MIT. Sein Senkrechtachser besitzt Blätter mit Tragflächenprofil und sich automatisch nachstellenden Winkeln, um stets die maximale Auftriebsenergie abfangen zu können – bzw. auf der gegenüberliegenden Seite den höchsten Grad an Widerstand.

Ich selbst habe Ende 2009 damit begonnen, ein etwas größeres Modell des originalen Hammurabi-Rotors zu bauen, der einen dreirädrigen ‚Windwagen’ bewegen soll. Sobald das Modell fertig ist und sich bewiesen hat, werde ich hier ein paar Fotos veröffentlichen…

Der MagLev-Rotor

Das chinesische Konzept eines riesigen Senkrechtachsers mit 1 GW Leistung, der in der Lage sein soll, alleine bis zu 750.000 Haushalte mit Strom zu versorgen, wird im Juni 2006 auf der Wind Power Asia Exhibition in Peking vorgestellt. Über 50 Länder zeigen Interesse an dieser Entwicklung. Es handelt sich um die gigantischste Vision im Windenergiebereich, von der ich bislang gehört habe. Andererseits haben bislang aber auch noch über 70 Millionen Haushalte in China keinen Stromanschluß…

Eine Besonderheit der MagLev Windturbine sind magnetische und daher so gut wie vollständig reibungsfreie Lager – was ein schnellen Anlaufen und die Nutzung von Windgeschwindigkeiten bereits ab 1,5 m/s erlauben soll. Man rechnet daher mit einem Stromabgabepreis von unter 5 US-Cent pro kWh. Eine 1 GW Anlage soll sich dadurch bereits innerhalb nur eines einzigen Jahres amortisieren.

Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen magnetischer Lagerungen werden hier keine elektrischen Spulen eingesetzt sondern Permanentmagnete, was die Betriebskosten signifikant senkt. Für die Herstellung dieser Magnete werden große Mengen an Neodym benötigt, das zu den seltenen Erden gehört – allerdings beherrscht China schon heute 90 % des Weltmarktes für Magnete aus seltenen Erden.

Magnetlager mt Elektrospulen

Magnetlager

Auch die Umsetzung des Konzepts erfolgt schnell – jedoch (noch) in wesentlich kleinerem Maßstab. Im November 2007 beginnen in Zentralchina die Bauarbeiten an einer Fabrik zur Herstellung von Maglev-Windturbinen in einem Leistungsbereich zwischen 300 W und 20 kW. In den Bau der Fabrik investiert die Zhongke Hengyuan Energy Science & Technology Co. Ltd. aus Guangzhou 400 Millionen Yuan (= ca. 37,5 Mio. €). Die ersten Produkte sollen bereits Mitte 2008 ausgeliefert werden, anschließend soll mit dem Bau von Anlagen im Leistungsbereich von 400 kW bis 5 MW begonnen werden.

Die Technik selbst wurde von der Firma in Zusammenarbeit mit dem Energy Research Institute der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Guangzhou entwickelt, geleitet wird das Projekt vom Firmenchef Guokun Li.

In den USA soll die in Sierra Vista, Arizona, beheimatete Firma MagLev Wind Turbine Technologies Inc. unter der Leitung des Energieforschers Ed Mazur die neuen Turbinen herstellen. Dieser geht davon aus, daß mit der neuen Technologie ein kWh-Preis unterhalb von 1 US-Cent erreichbar wird. Die Baukosten für eine 1 GW-Anlage veranschlagt er auf nur 53 Mio. US-$, was wesentlich günstiger wäre als konventionelle Windparks gleicher Leistung.

Im Februar 2009 gibt es auf der Homepage des Unternehmens einen animierten 4-Minuten Clip, der die Großversion („…leistet so viel wie 500 Standard-Windrotoren!“) unter dem Namen ‚Regenedyne’ vermarkten soll. Diese gewaltige Anlage, die stark an das obige chinesische Konzept erinnert, soll 2 GW leisten. Neben den zentralen Rotor, der aus riesigen Halbschalen besteht und auf einem magnetischen Feld gelagert ist, gibt es drei große, segelähnliche Leitflächen, die auf Kreisschienen laufen und den Wind auf die Schaufeln lenken sollen. Der Flächenbedarf einer derartigen Anlage wird auf 40 ha beziffert.

Im Januar 2010 soll das inzwischen als Regenedyne firmierende Unternehmen ein Joint-Venture mit der Gazoo Energy Group Inc. aus Irvine, Kalifornien, eingegangen sein, um die Finanzierung einer ersten Anlage zu ermöglichen.

Grafik einer kleinen Maglev Windturbine

MagWind MW1100

Ein ähnliches, aber wesentlich kleineres System für Hausdächer, wurde bereits vor einigen Jahren von Thomas Priest-Brown und Jim Rowan in Kanada erfunden. Ihre ebenfalls magnetische gelagerte ‚MagWind VAWT’ Windturbine ist um 2006 von der Mag-Wind Company LLC in Texas zur Produktreife weiterentwickelt worden und soll von der ebenfalls texanischen Firma Vector Systems Inc. in Richardson produziert werden. Dieser Senkrechtachser läuft in den USA unter dem Namen ‚Magnetically-Levitated Axial Flux Alternator with Programmable Variable Coil Resistance’.

Als erstes will man das Modell ,MagWind MW1100’ auf den Markt bringen, das etwa 1,2 m hoch ist und einen größten Durchmesser von ebenfalls 1,2 m besitzt. Bei einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 21 km/h soll es 1.100 kW/h im Monat produzieren. Der Preis scheint allerdings über 10.000 $ zu liegen.

Anfang 2007 teilt das Unternehmen mit, daß der Rotor 1,8 hoch wird – doch danach gibt es lange keine neuen Informationen mehr über das Projekt. Erst 2009 erscheint Rowan mit einem stark abgewandelten Design, bei dem sich nur noch drei, dafür aber wesentlich größere Flügel drehen. Das System ähnelt damit wieder stärker seinem Ahnen, dem Savonius-Rotor.

Das neu gegründete Unternehmen Enviro Energies Holdings Inc. in Delaware übernimmt die Lizenz und will die MagWind Rotoren für den Dachaufbau nun unter dem Namen Enviro Energies Turbine in Baugrößen von 2,5 kW, 5 kW und 10 kW auf den Markt bringen, zu Basispreisen von 10.000 $, 21.000 $ und 40.000 $ (zuzüglich Inverter usw.).

Den Verlautbarungen während der Produktpräsentation auf der International Builders’ Show in Las Vegas im Januar 2009 ist zu entnehmen, daß die Enviro-Mutterfirma, die Niagara Center Research Corp., im Laufe der vergangenen Dekade rund 4 Mio. $ in die Entwicklung der MagWind-Technologie investiert hätte, der Ende 2007 auch das US-Patent erteilt wurde. Inzwischen drehen sich bereits rund 30 Prototypen in den USA, Kanada und Italien.

Ebenfalls im Januar bekommt der berühmte Talkshow-Moderator Jay Leno eine 1,5 kW Anlage auf sein Garagendach montiert.

Ab 2009 erscheinen zunehmend YouTube-Clips von kleinen, selbstgebauten Maglev-Rotoren, bei denen zumeist Neodym Ringmagnete zum Einsatz kommen. Von der Struktur her sind sich alle ähnlich, im Grunde handelt es sich um Mehrblatt-Savonius-Rotoren, die statt auf Rollen- oder Wälzlager auf einem Magnetfeld schweben. Es ist allerdings fraglich, ob dies bei kleinen Modellen überhaupt einen Sinn macht.

Eine sehr eigene Form von Windkraftwerk, bei der eine magnetisch levitierende Schwungscheibe mit einem Gewicht von 30 t zum Einsatz kommt, habe ich bereits in der Länderübersicht präsentiert (s. Korea).

Es sollte an dieser Stelle auch noch darauf hingewiesen werden, daß die ersten Patente für magnetische Levitation (z.B. durch Linearmotoren angetriebene Züge wie der heutige Transrapid) auf den deutschen Ingenieur Hermann Kemper in den Jahren 1937 bis 1941 zurückgehen.

Nach dieser Übersicht der Vertikalachsen-Anlagen folgen nun weitere Windenergie-Systeme wie Drachen, Luftschiffe, Tornadotürme oder Abwindkraftwerke. Es ist wirklich bemerkenswert, was sich der menschliche Erfindungsgeist im Laufe der Jahrhunderte so alles ausdenkt.

Andere Windenergiesysteme

Enfield-Andreau-Rotor

Dieser Rotor bildet eine interessante Variante im Vergleich zu den konventionellen Systemen und beruht auf einer bis heute einmaligen technischen Konzeption. Das Patent hierfür wird Jean Edouard Andreau im Oktober 1949 erteilt (US-Patent Nr. 2485543).

Statt wie üblicherweise die erzielte Drehenergie des Rotors mechanisch über Generatoren in elektrischen Strom umzuwandeln, wird die Zentrifugalkraft der Rotation pneumatisch übertragen. Dabei wird die Fliehkraft dazu genutzt, die Luft aus den (hohlen) Rotorblättern durch Öffnungen an den Spitzen herauszudrücken bzw. zu -schleudern.

Andreau-Patent

Andreau-Patent

Durch den Unterdruck, der sich dadurch im Innenraum des Rotors aufbaut, wird durch den ebenfalls hohlen Turm Luft von unten angesaugt, wodurch die erzeugte schnelle Strömung eine im Sockel untergebrachte Luftturbine antreibt, die den Strom erzeugt.

Das Verfahren vermeidet zwar die problematische, drehzahlstarre Verbindung vom Rotor zum Generator, kann jedoch mit seinem Wirkungsgrad von ca. 20 % nicht überzeugen.

1955 wird von der Enfield Cable Company eine 100 kW Versuchsanlage mit einem Rotordurchmesser von 24,4 m aufgebaut, die wegen des ungünstigen Standorts in St. Albans, Herfordshire, jedoch wieder demontiert und 1957 noch einmal für kurze Zeit in Grand Vent (Algerien, damals französische Kolonie) durch die Electricité et Gaz d’Algerie aufgestellt wird. 1960 wird die Anlage dann auf der Isle of Man aufgestellt (unbestätigt).

Ein ähnliches Patent erhält übrigens Robert John Perdue im März 1957 unter dem Titel Anemo-electric power plant (US-Patent Nr. 2784556). Beantragen tut er es bereits 1955 – der Zeichnung zufolge scheint es sich um einen Leeläufer zu handeln. Von einer Umsetzung ist mir nichts bekannt.

Erst wieder 2004 beschäftigt sich eine ungarische Firma mit dieser Technologie. Das Unernehmen setzt sich das Ziel, den Enfield-Andreau Rotor weiter zu optimieren. Leider habe ich bislang keine weiteren Informationen darüber finden können.

Interessanterweise taucht der Enfield-Andreau Rotor in dem 2005 erschienenen und sehr empfehlenswerten Öko-Thriller ‚Die Schmelze’ von Risto Isomäki auf. Um das zunehmende Abschmelzen der Polkappen zu verhindern, werden dort zig-tausende dieser Rotoren errichtet, deren Hohlblätter Meerwasser hinaufsaugen und zerstäuben, um frische und stärker reflektierende Schnee- bzw. Eisschichten zu erzeugen (S. 51, 258 ff.).

Vortec-System

Bei der Vortec Windkraftanlage handelt es sich um eine Idee der Ingenieure der US-Firma Northrop Grumman Corp., denen in den 1970er Jahren bei Windkanalversuchen auffällt, daß die Energieausbeute eines ummantelten Windrotors etwas sechs Mal so hoch ist wie die eines herkömmlichen Windrades.

Vortec-Rotor

Vortec-Rotor

Durch die Ummantelung, auch Diffusor genannt, entsteht hinter dem Windrad ein Unterdruck, der die Geschwindigkeit des Luftstromes über den Rotorblättern verdoppelt, die an der engsten Stelle des Trichters angebracht sind. Um diesen Unterdruck erzeugen zu können, öffnet sich der Trichter nach hinten.

Mindestens fünf, und möglicherweise bis acht Mal soviel Energie wie herkömmliche Windturbinen soll die Umsetzung der 1994 von Robin Johannink gegründeten Firma Vortec Energy Ltd. aus Auckland/Neuseeland produzieren. Die Rotorblätter der ,Vortec Diffuser Augmented Wind Turbine’ (DAWT) bestehen aus drahtverstärkten Eisenzementfasern, die im Biegetest der dreifachen Belastung von Stahl standhalten. Auch der etwa 22 Tonnen schwere Trichter besteht aus hochdehnbarem Stahlfaserzement. Damit die Anlage in den Wind gedreht werden kann ist auf einer Kreisschiene montiert.

Am 13.05.1997 wird in Waikaretu, an der Westküste Neuseelands bei Huntly, etwa 100 km südlich von Auckland, eine 17 m hohe Demonstrationsanlage ,Vortec-7’ in Betrieb genommen, die für eine Spitzenleistung von 1 MW ausgelegt ist. Bei diesem Prototyp hat der Rotor einen Durchmesser von 7,3 m, die Windeintrittsöffnung mißt 8 m und die Austrittsöffnung 12 m. Am 09.06.1997 geht die Anlage ans Netz. Die Anlage ist so ausgeführt, daß sie sogar extrem starkem Wind von bis zu 70 m/s standhält.

Die Entwicklung wird vom Neuseeländischen Wissenschaftsministerium mit einer halben Million NZ-$ unterstützt, die Gesamtkosten betragen 5 Mio. NZ-$. Im Betrieb erweist sich, daß die Ummantelung noch eine weitere positive Wirkung hat: Schon in 300 m Entfernung ist die Anlage nicht mehr zu hören. Durch die starke Verwirbelung des Windes an der Austrittsöffnung des Trichters ist es allerdings nicht möglich, die Anlagen nah beieinander in Windparks aufzustellen.

Die Prosolve Ltd. in Auckland stellt für Vortec Energy außerdem ein 2 kW Modell unter dem Namen ‚DPV3’ her.

Es bestehen Pläne für eine kommerzielle Anlage ,Vortec-20’, deren Trichter etwa 120 t wiegen und die folgende Maße haben soll: Rotordurchmesser 20 m, Eintrittsöffnung 24 m, Austrittsöffnung 36 m. Die Gesamthöhe wird 52 m betragen, die Rotordrehzahl 27 U/min und erwartete Leistung zwischen 3 MW und 3,5 MW. Als Endpreis wird ein Betrag zwischen 2,9 und 3,5 Mio. NZ-$ genannt. Eine 5 MW Offshore-Version soll sogar einen Rotordurchmesser von 66 m haben.

Cita Windturbine

Cita

Nachdem die Vortec Energy im Lauf von 5 Jahren rund 23 Mio. $ investiert hat, wird 2001 die Auflösung des Unternehmens gemeldet, da sich die Technologie als unwirtschaftlich erweist.

An kleinen Modellen arbeiten inzwischen Firmen in Frankreich (Cita-Wind, Modell Caphorn10, 12 kW) und in Deutschland (enflo WindPower GmbH).

Bereits im September 2000 startet das Windturbinen-Projekt ‚enflo’ – und schon 2001 wird die enflo WindPower GmbH gegründet und der erste Prototyp ,enflo 0150/2.5’ präsentiert. 2002 folgt die Gründung der enflo systems ag und die Fertigstellung des ,enflo 0060/0.5’ Prototypen.

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.

Nach der weiteren Optimierung und Durchführung von Tests beginnt 2005 das operative Geschäft – und wird schon 2006 mit der Vergabe des iF gold award für die Windenergieanlage ‚enflo 0060/0.5’ belohnt.

Im August 2006 erfolgt eine Neustrukturierung des ENFLO-Projektes durch die Gründung der WindTec Systems AG im Schweizer Kreuzlingen, die im Juli 2008 ihre ersten drei Turbinen vom optimierten Typ ‚Enflo 0071’ auf dem Voralberg in Betrieb nimmt. Angeboten werden Anlagen mit einer Leistung von 0,5 kW bis 500 kW.

Wind-Damm Grafik

Winddam (Grafik)

Wind-Stauwerk

Laut einer Kurzmeldung der DPA vom 22.11.1978 soll ein ‚Wind-Stauwerk’ entworfen worden sein, das nach einem ähnlichen Prinzip wie dem des Wasserstauwerks funktionieren soll.

Nähere Angaben darüber konnte ich allerdings nicht finden.

Die Idee scheint erst 2007 wieder aktuell zu werden, als die britische Architekturfirma Chetwoods Associates vorschlägt, in einer Schlucht in der Nähe des nordrussischen Ladoga Sees ein 25 m hohes und 75 m breites Spinnaker-Segel aufzuspannen, mit dem der Wind zu einer zentralen Turbine geleitet wird. Das mit 2,5 Mio. £ (~ 5,3 Mio. $) kalkulierte Winddam(m)-Projekt soll bereits 2008 umgesetzt werden.

Jet-Stream und Höhenwinde

Um von der sich ständig verändernden Windstärke unabhängig zu sein, mehren sich die Vorschläge zur Nutzung des Jet-Streams, jenes schmalen Bandes mit außerordentlich hohen Windgeschwindigkeiten in der oberen Troposphäre, in etwa 5 bis 10 km Höhe. Zwar ändert sich die Lage und Intensität des Luftstromes im Jahresablauf, die west-östliche Richtung bleibt aber bestehen. An der amerikanischen Ostküste z.B. werden in dieser Höhe Geschwindigkeiten von mehr als 600 km/h gemessen!

Gleiter, Drachen, Ballone oder Zeppeline, die mit Windturbinen versehen in diesem dauernden ‚Strahlstrom’ schweben sollen, sind bislang noch unerprobte Konzeptvorstellungen. Sie sind an bestimmte Installationen wie auch an besondere geographische Koordinaten gebunden, sie gefährden möglicherweise den Luftverkehr und sind auch nur schwierig zu warten.

Leichter umsetzbar sind die Technologien in niedrigeren Höhen, in denen es trotzdem wesentlich stärkere und auch weniger turbulente Windströmungen als in Bodennähe gibt. Da auch die gesamte Luftfahrt weitgehend auf Drachen zurückgeht, möchte ich zu Beginn kurz deren Entwicklungsgeschichte umreißen.

Für die Gesamtentwicklung förderlich ist eine globale Analyse der Windenergie in größeren Höhen, die im Juni 2009 von Ken Caldeira (Carnegie Institution) und Cristina Archer (California State University) vorgelegt wird. Der Studie zufolge haben die Höhenwinde und der Jetstream genügend Energie, den weltweiten Energiebedarf mehr als 100-fach zu decken!

Drachen

Die erste geschichtliche Erwähnung von Drachen als Flugobjekten stammt aus dem chinesischen Werk ‚Kunst des Krieges’ von Sun Tzu aus dem 5. Jh. v.Chr. Jüngere Funde im indonesischen Raum deuten jedoch darauf hin, daß Flugdrachen noch wesentlich älter sein könnten. Die Drachen bestehen zu Anfang hauptsächlich aus Bambusstäben und teurer Seide. Erst nachdem das Papier entwickelt wird verbreitet sich die Technologie in größerem Umfang.

Die ersten technischen Umsetzungen sind militärisch: In Korea werden mittelalterliche Schlachten mit Signaldrachen koordiniert, un im alten Japan werden Drachen zur psychologischen Kriegführung genutzt, indem Apparaturen zur Geräuscherzeugung daran befestigt und Drachen nachts über den feindlichen Truppen in Position gebracht werden. Diese glaubten daraufhin, sie würden von bösen Geistern attackiert. Es soll auch Aufzeichnungen über riesige Drachen geben, die Bogenschützen tragen konnten.

In Europa lassen die Römer zu Volksfesten oder militärischen Siegen bunt verzierte Windsäcke fliegen. Die ‚echten’ Drachen aus Fernost kommen dann im 16. Jh. mit holländischen, portugiesischen und englischen Kaufleuten nach Europa und sind zu Beginn des 18. Jh. als Kinderspielzeug verbreitet. Bei Belagerungen wird mit Drachen die genaue Entfernung zu den feindlichen Stellungen ausgemessen, indem man den Drachen abstürzen läßt und die Länge der ausgegebenen Schnur mißt.

Sir George Cayleys experimentiert ab 1799 mit einer neuartigen Drachenform, die er als Nebenprodukt seiner intensiven Beschäftigung mit dem Konzept ‚Schwerer-als-Luft-Flug’ entwickelt. 1804 baut er die ersten Modellgleiter und verwendet als Tragflügeleinheit einen englischen Bogenspitzendrachen. 1818 entwirft Cayley einen Modellgleiter, der zwei Drachen verwendet, einen großen für die Tragflügeleinheit und einen kleineren für den Schwanz. 1853 läßt der Erfinder seinen Kutscher mit dem neuen Flieger über ein Tal fliegen, der erste dokumentarisch festgehaltene Gleitflug eines Menschen.

Bild aus dem Patent des Char-volant

Char-volant (Patent)

1826 patentiert der englische Lehrer George Pocock aus Clifton seinen berühmten, von Drachen gezogenen dreirädrigen ‚Char-volant’. Pocock hat ein nachvollziehbares Motiv für seine Entwicklung: Da man keinen Wegezoll für drachenbetriebene Fuhrwerke kennt, spart er sich durch sein auch ‚Flying Car’ genanntes Gefährt die Gebühren.

Pocock beginnt schon 1820 mit Versuchen an bemannten Drachen, und 1825 benützt er ein 9 m großes Fluggerät, um seine Tochter Martha rund 82 m hoch in Luft zu heben. Bald darauf fängt er an sich mit dem Einsatz von Zugdrachen zu beschäftigen.

Der große Wagen, den Pococks schließlich baut, wird von zwei hintereinander angebrachten englischen Bogenspitzdrachen gezogen und kann vier bis fünf Personen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 32 km/h befördern. Für eine gute Lenkbarkeit der rund 450 m hoch fiegenden Drachen sorgen vier Leinen, die sowohl die seitliche Lage wie auch den Längswinkel zur Windrichtung einstellen können und es den Drachen daher gestatteten, „nach der Windrichtung rechts oder links“ zu fliegen.

1827 erscheint in London Pococks Buch unter dem Titel ,The Aeropleustic Art or Navigation in the Air by the use of Kites, or Buoyant Sails’, und 1828 zeigt er seinen Windwagen König George IV. Außerdem nutzt er Drachen um eine Fähre über den Mersey zu betreiben. Pocock baut in den Folgejahre eine Reihe weiterer ,Charvolants’, und eine Gruppe von drei Windwagen machen eine gemeinsame Fahrt über eine Strecke von 182 km. Er rüstet auch eine Segeljacht mit einem riesigen Drachen aus um eine 3-wöchige Kreuzfahrt auf dem Bristol-Kanal zu unternehmen. Über windbetriebene Fahrzeuge mit Rädern berichte ich in einem eigenen Kapitel (s.d.).

Auch die Wissenschaft erkennt langsam, welche technischen Möglichkeiten der Drachen bietet, z.B. bei meteorologischen Untersuchungen wie den Temperaturunterschieden zwischen den einzelnen Höhenlagen. Der britische Meteorologe E. D. Archibald läßt 1833 einen Anemometer (Windmeßgerät) an Drachen aufsteigen und die Windgeschwindigkeit in verschiedenen Höhen messen.

Benjamin Franklin führt 1852 seine berühmten Experimente zur Untersuchung der Wirkung elektrischer Blitze mitttels Drachen durch.

1844 experimentiert ein Dr. Colladon am Genfersee mit doppelschnürigen lenkbaren Drachen, die er in 200 m langen Bogen über den Himmel steuert. Später erfolgt eine Seeüberquerung auf einem vom Drachen gezogenen Brett.

1887 gelingen Archibald die ersten Luftaufnahmen von einem Drachen aus.

David Thayer stellt sich 1890 eine Kombination aus Drachen und Ballons vor, die von einem Floß stabilisiert Passagiere in einer Gondel über das Meer befördern.

William A. Eddy, ein Journalist aus Bayonne in New Jersey, entwickelt 1893 den ‚modernen’ schweiflosen Drachen, der er 1900 patentieren läßt. Unter dem Namen ‚Eddy’s Bogendrachen’ werden diese vom US-Wetteramt als Träger für verschiedene Meßinstrumente verwendet. Ebenfalls 1893 entwickelt in Greenwich Lawrence Hargrave den Kastendrachen (oder Zellendrachen), den er jedoch nicht patentieren läßt – den er ist ein früher Anhänger der open source Bewegung. Mit Hargraves Drachen werden verschiedenste Luftaufnahmen gemacht, so auch vom Brand nach dem Erdbeben in San Francisco im Jahre 1906.

Ein weiterer Pionier der Menschenbeförderungstechniken ist der britische General B.F.S. Baden-Powell, ein bekannter Ballonfachmann und Bruder des Gründers der Pfadfinderbewegung. 1894 gelingt es ihm im englischen Pirbright Camp einen Menschen mit einem einzigen Drachen in die Luft zu heben. Baden-Powell läßt sich die Konstruktion, die er ‚Levitor’ nennt, 1895 patentieren

Am 12. Dezember 1901 unternimmt Guglielmo Marconi seine ersten drahtlosen Übertragungsversuche von Poldhu in Cornwall nach St. John’s in Neufundland. Die Empfangsantenne wird mittels eines Baden-Powell-Levitor-Drachens auf eine Höhe von 122 m gebracht. Die ersten Versuche mißlingen allerdings, weil es zu starken Wind hat und der Drachen zu instabil ist.

Ab 1902 entwickelt in den USA Dr. Alexander Graham Bell einen bemannten Drachen. Sein erster gesteuerter und bemannter Flug findet im Dezember 1907 mit dem ‚Cygnet’ statt, der aus 3.393 Einzelzellen besteht und mit Schwimmern ausgerüstet ist.

Cody's Mankite

Cody’s Mankite

Der Amerikaner Samuel Franklin Cody patentiert 1903 unter dem Namen ‚Cody’s Mankite’ einen Kastendrachen, der genug Auftrieb entwickelt um einen Menschen zu tragen. Nachdem Cody eine Ärmelkanalüberquerung von Dover nach Calais mittels eines von Drachen gezogenen Bootes unternimmt, wird das zuvor ablehnend reagierende britische Militär hellhörig und unterstützt die Entwicklung eines aus einer Reihe von Drachen bestehenden ‚Man Lifting System’. Ab 1904 macht Cody diverse Versuche zu Lande und zu Wasser, bei denen u.a. ein Soldat in eine Höhe von fast 800 m gebracht werden kann. 1906 übernimmt die Armee das Drachensystem zur Kriegsbeobachtung.

1909 wird in Deutschland der Roloplan-Drachen von Richard Steiff bekannt, der zum neuen Kassenschlager für die Spielwarenfabrik wird. Der Erfinder läßt sich von Roloplan-Drachen auf einer eigens konstruierten Haltevorrichtung in die Lüfte tragen, für den Flug kleiner Kinder wird ein Tragekorb konstruiert. Außerdem entwickelt Steiff eine spezielle Kamerahalterung für die Fotografie aus großen Höhen, bei der mittels Seilzug eine Aufnahme nach der anderen geschossen werden kann.

Am Aeronautischen Observatorium in Lindenberg wird am 1. August 1919 der noch heute gültige Höhenweltrekord für Drachen von 9.740 m erreicht, bei dem eine Drachenkette aus acht Schirmdrachen verwendet wurde.

Im Zweiten Weltkrieg kommt als Teil der Seenotrettungsausrüstung für Flugbesatzungen, die notwassern mußten, der Drachen ,Gibson Girl’ zum Einsatz. Der Drachen, der seinen Namen der taillierten Form des dazugehörigen Funkgerätes verdankt, trägt eine dünne Notantenne in den Himmel, die mit einem Funkgerät verbunden war. Dessen handbetriebener Generator erlaubt der Flugbesatzung, SOS zu funken.

Ab 1982 Jahren hält ein von Drachen gezogenes Boot 6 Jahre lang den Geschwindigkeitsrekord über 500 m. Aufgrund der gestaffelt angeordneten Drachen, deren Anzahl je nach Windstärke gesteigert oder vermindert werden kann, nennt der Erbauer Ian Day sein Boot ‚Jacob’s Ladder’. Es erreicht eine Geschwindigkeit von 25 Knoten.

Die Idee, mittels Winddrachen die Jetströmung zu nutzen, wird unter anderen Hermann Oberth zugeschrieben, welcher durch die Ölkrise 1973 dazu inspiriert worden sein soll.

Fliegende Windräder Grafik

Fliegende Windräder (Grafik)

Seit 1979 experimentiert der Australier Bryan Roberts, Professor an der University of Technology im australischen Sydney, mit einer fliegenden Kreuzung aus Helikopter und Drachen. Auf einen Rumpf aus dünnen Metallstäben befinden sich zwei Rotoren und zwei Generatoren. Die schwebenden Windräder sollen in 5 – 10 km Höhe den Jetstream anzapfen. Die Stromkosten wären mit unter zwei Cent pro Kilowattstunde sehr günstig. 2002 gründen Roberts und Dave Shepard die Firma Sky Windpower mit dem Ziel, bis 2010 einen 240 kW Prototypen in der Luft zu haben. In einem Bericht des amerikanischen Energie-Fachmagazins IEEE vom März 2007 werden die Kosten dieser Versuchsanlage auf 5 Mio. $ beziffert.

Die ersten Kitebuggy, also von Drachen gezogene Strandsegler, werden 1990 von Peter Lynn entwickelt. Bald darauf kommt die Idee auf, mit dem Kite und dem Surfboard auf das Wasser zu gehen, und inzwischen finden Wettbewerbe auch schon im Kitelandboarding und Snowkiting statt.

Den aktuellen Geschwindigkeitsweltrekord mit einem Kiteboard hält der Franzose Alexandre Caizergues, der im Oktober 2008 auf einer 501 m langen Rennstrecke vor Luderitz in Namibia mit einem 7 m2 großen Drachen sagenhafte 50,57 Knoten erreicht (~ 93,56 km/h).

In Japan wird das Konzept von Drachen verfolgt, die in Höhen zwischen 4.000 und 6.000 m schweben sollen. Dabei soll die Energiewandlung jedoch nicht mittels oben angebrachten Turbinen erfolgen, sondern durch die starke Rotation der Halteseile, die aufgrund der jetartigen Luftströmung erfolgt.

1992 wird anhand eines kleinen Versuchsdrachen nachgewiesen, daß es möglich ist, den Drachen computergesteuert so auf und ab zu bewegen, daß es zu einer gleichmäßigen Rotation der Seile kommt. Sollen die Drachen zur Stromerzeugung in größerem Maßstab eingesetzt werden, so müßten diese jeweils etwa 4 t wiegen und zur Gewichtsverringerung mit Helium gefüllt werden. Die Entwicklungs- und Erprobungszeit wird mit etwa 10 bis 12 Jahre veranschlagt.

Laddermill-Konzept

Laddermill-Konzept
(Windprofil)

2004 schlägt der ehemalige ESA-Astronaut Wubbo Johannes Ockels an der Technischen Universität Delft, Holland, das Projekt ‚Laddermill’ (Leitermühle) vor, bei dem eine Staffel hintereinander aufgereihter Drachen in den Himmel steigen soll. Ockels, der sich seit 1995 mit dieser Idee beschäftigt, möchte innerhalb von vier Jahren einen Prototyp vorstellen.

Auch der russische Physiker Alexander Podgaets arbeitet 2006 an der TU Delft an der Entwicklung von Energie-Drachen (Power Generating Kites). Die Wissenschaftler stellen eine ganze Reihe von Konzepten vor.

Bei einem dieser Konzepte handelt es sich um Zugdrachen, die an einem umlaufenden Kabel befestigt sind das mehrere Kilometer weit hoch reicht, um die dortigen starken Höhenwinde auszunutzen. Dabei werden die einzelnen Drachen so gesteuert, daß sie auf der einen Seite des Kabels nach oben, und auf der anderen Seite nach unten ziehen. Der entstehende Kabeldurchlauf soll an der Bodenstation zur Stromerzeugung genutzt werden. Da der Wind in den großen Höhen bis zu 20 Mal stärker ist als in Bodennähe, könnte mit diesem System bis zu 100 MW Strom zu einem Preis von 5 Cent/kWh erzeugt werden.

Außer mit Zugdrachen arbeitet Ockels auch mit Tragflächenprofilen, die an dem Zugseil auf und absteigen.

Ein weiteres Konzept betrifft Lenkdrachen, deren Energie durch die Seile auf den am Boden befindlichen Generator übertragen werden, weshalb man das Prinzip auch ,Wind-Jojo’ nennt.

Angetrieben vom kräftigen Höhenwind, steigt der Gleitschirm zunächst hinauf und zieht das Seil nach, an der er hängt. Wenn dieses abgerollt ist, dreht sich die Seilwinde in der anderen Richtung und holt den Drachen wieder herunter. Beim Aufstieg wird die Energie erzeugt, von der beim Abstieg nur ein kleiner Teil wieder verbraucht werde, da der Gleitschirm im zusammengefalteten Zustand eingeholt wird.

Eine weitere angedachte Version ist eine Laddermill aus mehreren Drachen, an denen jeweils zwei kleine Windgeneratoren angebracht sind. Hier wirken die Drachen nur als Träger.

Im Januar 2007 findet in Leuven der ‚First International Workshop on Modelling and Optimization of Power Generating Kites’ statt.

Laddermill mit kleinen Windkraft-Generatoren

Laddermill mit Generatoren

Im August 2007 wird das ,Wind-Jojo’ System erstmals getestet. Mit einem 10 m3 großen computergesteuerten Drachen, dessen Generator-Winde auf einem LKW montiert ist, wird eine Leistung von 10,5 kW erreicht. Der Drachen steigt an einem Seil auf rund 400 m Höhe, und das Ausziehen des Seils liefert Strom wie bei einem Dynamo.

Einen Drachen beispielsweise von 4,5 auf 5 km Höhe aufsteigen zu lassen, dauert etwa 60 Sekunden. Dann wird er innerhalb von 20 Sekunden wieder heruntergeholt, und der Zyklus startet von neuem.

In Delft plant man nun ein 50 kW Prototyp, bei dem durch mehrere versetzt auf- und absteigende Drachen eine konstante Energieabgabe gewährleistet wird – sowie ganze Schwärme von 50 Lenkdrachen, von denen jeder die Spannweite eines Fußballfeldes hat. Die Gleitschirme sollen übereinander schweben, und ihr Haltetau wäre 6,5 km lang und dick wie ein Laternenpfahl. Eine solche Höhen-Windmaschine könnte Leistungen von bis zu 100 MW erwirtschaften. Im Computer wurde sogar schon eine Maschine mit 5 GW Leistung simuliert.

Ein  noch kühneres Konzept verfolgt der Turiner Ingenieur Massimo Ippolito, Forschungsleiter der spanischen Firma Sequoia automation. Nach sechsjähriger Forschungsarbeit präsentiert er 2006 sein ,Kite Wind Generator Project’. Der Vorschlag beinhaltet, Höhendrachen mit den Speichen eines riesigen Rades am Boden zu verbinden und dieses somit anzutreiben. Die rund 1.000 m hoch fliegenden Gleitschirme bekämen programmierte Autopiloten, so daß sie beim Aufstieg Kreise fliegen und das Riesenrad in Rotation versetzen. Diese Bewegungsenergie ließe sich dann in Strom umwandeln. Ein Karussell mit einem Durchmesser von 100 m soll 500 kW erzeugen – mit 300 m schon 18 MW, und mit 1.000 m Durchmesser sogar 500 MW.

Kite Wind Generator Grafik

Kite Wind Generator (Grafik)

2007 gründet Ippolito in Chieri bei Turin die Firma Kite Gen Research (Kitegen), um ein Konzept mit einer Leistung von 1 GW zu verwirklichen, bei dem 12 Linien mit jeweils vier 500 m2 Drachen zu Einsatz kommen sollen. Auf der Homepage des Unternehmens wird auf die Eigenbewegung der Drachen in Form einer liegenden 8 (auch Lemniskate genannt) Bezug genommen, die uns weiter unten bei der SkySail-Technologie noch begegnen wird. Im September 2007 erfolgt auf dem Flughafen von Casale Monferrato ein erster erfolgreicher Test des Prototyp ‚KSU1’, bei dem dieser bis auf eine Höhe von 800 m steigt.

Die WindLift LLC in Durham, North Carolina, wird im April 2006 gegründet. Ziel des Unternehmens es ist, einen preisgünstigen Drachen-Antrieb für Entwicklungsländer zu entwickeln und zu vermarkten, der zur Energieerzeugung, zur Luftdruckerzeugung, zum Aufladen von Batterien und besonders zum Wasserpumpen geeignet ist, immerhin wird rund 7 % des weltweiten Energieverbrauchs für Bewässerungszwecke eingesetzt.

Das von Robert Creighton entwicklete WindLift-System gewinnt im Juni 2007 den zweiten Platz des Businessplan-Wettbewerbs der University of Madison, Wisconsin. Die mechanische Windkraft-Kolbenpumpe sollte nach ihrer Optimierung Anfang 2008 in Indien getestet werden, doch dies scheint nicht erfolgt zu sein. Nun soll ein erster Prototyp im Sommer 2009 in Kitty Hawk, North Carolina, getestet werden, der an zwei 8 kW Generatoren angeschlossen ist. Anschließend sollen im Laufe von 18 – 24 Monaten marktreife Energie-Drachen mit 5 kW, 10 kW und 20 kW entwickelt werden, wozu WindLift, das die liegende 8 ins Firmenlogo integriert hat, aber noch rund 6 Mio. $ benötigt. Das 10 kW System mit einem 90 m hoch fliegenden Drachen soll 5.000 $ kosten, eine kleinere 5 PS Version nur 1.000 $.

Im Oktober 2006 investiert Google.org, der philanthropische Arm der kalifornischen Suchmaschinen-Firma im Rahmen des ,Renewable Energy Cheaper than Coal’-Programms 10 Mio. $ in das von Saul Griffith und Don Montague neugegründete US-Unternehmen Makani Power Inc. in Alameda, Kalifornien, das sich ebenfalls mit hochfliegenden Drachen beschäftigt. Makani bedeutet im Hawaiianischen Wind oder Brise. Die Drachen sollen Starkwinde in 5 – 10 km Höhe nutzen und einen Wirkungsgrad von 60 % bis 75 % erreichen. Im August 2008 schießt Google.org weitere 5 Mio. $ dazu – technische Details sind bislang noch nicht bekannt gegeben worden, auf dem einzigen bislang veröffentlichten Foto ist ein Drachensegment zu sehen, daß an einen Fledermausflügel erinnert.

Im Juli 2007 präsentieren am Bremer Institut für Betriebstechnik und angewandte Arbeitswissenschaft (BIBA) an der Universität Bremen 250 Nachwuchsingenieure des Fachbereichs Produktionstechnik ihre Entwicklungen. Die in zehn Gruppen aufgeteilten Studenten stellen eine Vielfalt an Lösungen vor, die der Forderung des Aufgabenpapiers der Lehrveranstaltung Produktionstechnik IV entsprechen: Energiegewinnung durch Flugdrachen.

Die in Milano beheimatete Firma Zanettistudios S.r.l. berät seit 2002 Unternehmen bei der Entwicklung neuer Technologien. Im August 2008 beantragt das Unternehmen ein Patent für seine ‚Twind-Technologie’ – eine neue Variante der Höhenwindnutzung, bei der Drachen mit Fesselballons kombiniert werden.

Das Gesamtsystem besteht aus zwei Paaren von je einem 200 m2 Drachen und einem 12 m durchmessenden Ballon, deren Zugseile miteinander verbunden sind und in der Bodenstation über eine Generatoreinheit geleitet werden. Abwechselnd öffnet einer der Ballone seinen Drachen und läßt sich vom Wind bis auf 800 m Höhe ziehen, während der andere Ballon seinen Drachen zusammenfaltet und vom gemeinsamen Seil heruntergezogen wird, usw.

Twind-System Konzeptgrafik

Twind-System (Konzept)

Im Vergleich mit traditionellen Windkraftanlagen soll das Twind-System eine vierfache Effizienz haben, während die Kosten fünfmal niedriger liegen sollen. Über praktische Versuche und Umsetzungen ist noch nichts bekannt.

Weitere aktuelle Umsetzungen der Drachen-Technologien betreffen in erster Linie die Mobilität, wobei es in vielen Fällen um Wettbewerbe und die Jagd nach Rekorden geht. Sowohl windbetriebene Fahrzuege als auch Boote mit starren Tragflächen habe ich bereits in eigenen Absätzen behandelt (s.o.).

Im Jahr 2000 beginnt Bill Rayner mit der Konstruktion und Patentierung des ,Dingbat 1’,  und Anfang 2003 folgt der ,Dingbat 2’, der 2004 in Botany Bay seine ersten Tests absolviert. Gezogen werden die Boote aus einer Mischung aus Drachen und Segelflugzeug.

Hydrofoil Boot Modell

Hydrofoil Boot (Modell)

2007 wird bei der Dingbat Pty Ltd. im australischen Wahroonga – finanziert von Clif Barker – immer noch optimiert, weiterentwickelt und getestet. Insbesondere das Kontroll- und Steuersystem macht viel Arbeit. Als nächstes sollen in einer neuen Rahmenkonstruktion zwei jeweils 4,6 m2 große Segel aufgespannt werden (Stand: Mitte 2008).

Mitte 2004 stellt der australische Mathematiker und Militärwissenschaftler Stephen Bourn das Konzept eines windbetriebenen Bootes vor, mit dem er einen Geschwindigkeits-Weltrekord aufstellen möchte.

Auch dieses Hydrofoil-Konzept wird von einem Gebilde gezogen, das wie ein Drachen/Segeler-Hybrid aussieht. Aufgrund der ausgefeilten Aerodynamik soll es sich mit mehr als dem Doppelten der vorherrschenden Windgeschwindigkeit vorwärtsbewegen. Die ersten kleinen, ferngelenkten Modelle funktionieren zufriedenstellend.

Bourn arbeitet an dem Design eines Bootes mit einem Drachen/Segel von 8 m Spannweite, das mittels zwei Joysticks gesteuert 30 Knoten schnell werden soll – bei einer Windgeschwindigkeit von 15 Knoten. Außerdem werden zur weiteren Optimierung Computer-Simulationen gefahren; Patente sind ebenfalls schon angemeldet.

Speed Kite Zugdrachen

Speed Kite

2006 wird die Französin Anne Quéméré zur ersten Person, die in nur 55 Tagen den Nordatlantik mit einem Drachen-gezogenen Boot überquert… und dies sogar ganz alleine!

Auch das Unternehmen Kite For Sail LLC in Martinez, Kalifornien, beschäftigt sich mit VLFFS-Lenkdrachen (very large free-flying sails) als Antriebsquelle für kleinere Schiffe, und gewinnt 2006 mit seinem Speed Kite den California Clean Tech Open Wettbewerb.

Der eingesetzte Drachen erreicht eine Zugkraft von 10.000 PS. 2008 bietet das Unternehmen bereits eine ganze Reihe von Modellen zwischen 6 m2 und 10 m2 Fläche an – die zwischen 900 $ und 3.500 $ kosten.

Die Designerin Stefanie Krücke aus Hannover konzipiert 2007 im Rahmen ihrer Diplomarbeit die Winddrachen-Yacht ,Kitano’, ein Luxusboot für bis zu 8 Personen, dem man nur eine schnelle Verwirklichung wünschen kann.

Die Designer Tsun-Ho Wang (von dem auch die Flying Stick Camera stammt, die im Kapitel Neue Designs vorgestellt wird) sowie seine Teamkollegen Min-Gyu Jung und Sung-Je Do stellen im November 2008 den Entwurf eines Leichtbau-Tricycles vor, das neben seiner Technologie auch durch seine futuristische Ästhetik besticht.

Kite Car Grafik

Kite Car (Grafik)

Bei dem Kite Car oder Wind Light Vehicle handelt es sich um ein elektrisch betriebenes 1-Personen-Vehikel mit jeweils einem Motor in jedem der drei Räder.

Die besondere Innovation ist jedoch der transparente Windschutz, der bei genügend Wind ausgefaltet und sowohl als Segel als auch als Drachen genutzt werden kann, um das Gefährt vorwärts zu ziehen.

Ein von einem Lenkdrachen gezogenes Sportboot, mit dem sowohl Wasser- als auch Unterwasser-Spazierfahrten möglich sind, kommt Mitte 2008 in die Blogs.

Das Design stammt von Mathias Köhler aus Braunschweig. Die Steuerung des ‚Nereus’ erfolgt mit Fußpedalen

Eine besondere Rolle spielt das seit 2001 verfolgte Projekt ‚SkySail’, das ich gesondert vorstellen möchte.

SkySail Zugdrachen

Richtig los geht es mit der Zugdrachen-Technologie erst Ende 2001 – und zwar mit der Gründung der Firma SkySails durch den Wirtschaftingenieur Stefan Wrage und den Schiffbauingenieur Thomas Meyer, ein persönlicher, guter Freund (s.u. ‚Solarboote’).

Wrage hatte seiner Idee bereits als 15-Jähriger, als er mit seiner Jolle auf der Alster segelte und mit der Nähmaschine seiner Großmutter Drachen nähte und an der Elbe steigen ließ. Weil die Jolle ihm zu langsam war, benutzte er einen Kitesurf-Drachen, um an Fahrt zu gewinnen – es funktionierte.

SkySails steht zweimal kurz vor dem Konkurs, bis 2003 mit der Oltmann-Gruppe, einem renommierten Schiffsfinanzierer, ein weiterer Gesellschafter einsteigt. Nun kann das Konzept ernsthaft angegangen werden.

Im Februar 2005 testet die SkySails GmbH in der Hamburgischen Schiffbau- Versuchsanstalt erfolgreich ihren bereits zweiten Prototypen. Das ‚SkySail’ ist ein steuerbarer Zugdrachen für Schiffe, der einen minimalen am-Wind-Kurs von 50° erlaubt und erhebliche Mengen an Treibstoff spart.

2006 wird in der Ostsee ein Schiff von der Größe eines Kleinfrachters mit einem riesigen SkySail-Lenkdrachen in Fahrt gebracht. Dieser weltweit erste Test eines windgestützten Antriebssystems für Großschiffe wurde von Experten und Studenten der Seefahrtschule Leer in Niedersachsen vorbereitet. Für den Versuch hat die Gesellschaft für innovative Schiffstechnologie in Leer den ausgemusterten Tonnenleger MS BUK übernommen.

SkySail der MS Beaufort

SkySail der MS Beaufort

Das 1969 in Polen gebaute 53 m lange und mehr als 500 t schwere Spezialschiff, das jahrzehntelang in den ostdeutschen Küstengewässern im Einsatz war, wurde nach Niedersachsen überführt, auf den Namen MS Beaufort getauft und anschließend umgebaut. Von Bord Schiffes steigt nun ein erst 80 m2, später dann 160 m2 großes Drachensegel in 150 bis 300 m Höhe auf. Der mit Druckluft gefüllte Lenkdrachen, der über eine Zugtrosse mit dem Schiff verbunden ist, unterstützt die Fahrt des Frachters mit Hilfe des Windes.

Vom Einsatz der computergesteuerten Großdrachen könnte nach Ansicht der Experten in einigen Jahren auch die Handelsschifffahrt profitieren. Berechnungen zufolge können mit dem parallelen Einsatz des neuen Antriebs bis zu 50 % des Dieselverbrauchs eingespart werden. Demnach würden sich die Investitionen schon in drei bis fünf Jahren amortisieren. Man rechnet damit, dass weltweit etwa 40.000 Schiffe mit dem patentierten Antriebssystem nachgerüstet werden können.

Mitte Dezember 2007 tauft Bundespräsidenten-Gattin Eva Louise Köhler im Hamburger Hafen die MS Beluga SkySails, den ersten Schwergut-Frachter der Welt, der von einem Motor und einem riesigen Gleitschirm angetrieben wird. Nach der Taufe erhält das Schiff in Bremen eine neu entwickelte Lackschicht, rauh wie eine Haifischhaut, anschließend erfolgen einige Probefahrten. Anfang Januar 2008 startet das Schiff zu einer ersten Reise nach Venezuela und in die USA und soll dabei 20 % – 50 % an Kraftstoff sparen. Ist die Fahrt erfolgreich, will der Bremer Reeder Niels Stolberg, Gründer der Reederei Beluga Shipping, zwei weitere Schiffe umrüsten lassen.

Für die 132 m lange MS Beluga SkySails, die er in den Niederlanden bauen ließ, bestellte Stolberg für 400.000 € bereits im Januar 2006 ein 160 m2 großes Segel aus einem neu entwickelten Stoff. Wenn die Technik ausgereift ist, wird der Drachen computergesteuert in 300 – 500 m Höhe fliegen, und zwar Bahnen in Form einer Acht, was die größte Ausbeute an Energie bringt. Und damit die Besatzung den Kite effektiv einsetzt, sollen 20 % der Einsparungen an die Mitarbeiter an Bord fließen.

Drei bis fünf Jahre dauere es, bis sich das System amortisiert hat, oder noch weniger, wenn die Preise für Energie weiter steigen.

Neben vielen anderen Preisen und Auszeichnungen wird SkySails im Juni 2007 auf dem 11. Zukunftskongreß in Kronberg/Ts. auch der Zukunftsaward 2007 als ‚Beste Produkt-Innovation’ verliehen.

Nun will auch eine französische Werft eine Motorjacht mit dem Segel ausstatten. Und die SkySails GmbH & Co. KG hofft 2008 bereits bis zu zehn Schiffe aufrüsten zu können.

Später sollen noch größere Drachensegel erprobt werden. Bis 2013 will das Hamburger Unternehmen mindestens 1,5 Prozent der Welthandelsflotte, sowie etwa 250 Superyachten mit dem Windantrieb ausstatten. Das kleinste SkySails-System mit Steuergondel, Start- und Landungssystem soll dann ab 150.000 € erhältlich sein.

Inzwischen gibt es so interessante Entwicklungen bei SkySails, daß ich die Leser – abseits vom turnusmäßigen update – gerne darüber informieren möchte:

Zum einen ein paar Details zur Technik. Der Drachen wird computergesteuert von einem auf dem Vorschiff installierten 14 m hohen vierkantigen Mast gestartet. Einmal freigegeben plustert sich der Drache durch die anströmende Luft, die über ventilähnliche Öffnungen in seine Kunststoffhülle strömt, zur Tragflächenform auf und steigt an seinem Zugseil, in dessen Inneren ein Kommunikationskabel liegt, auf seine Einsatzhöhe hinauf.

Im Unterschied zum klassischen Segelprinzips, dem ‚Kreuzen’ von Segelschiffen, um dadurch die Position zum Wind jeweils so zu verändern, daß die Segel für optimalen Vortrieb sorgen, behält ein Schiff unter SkySails seinen Kurs bei – denn nur der Drachen kreuzt in den Wind. Dies führt zu einem spektakulären Schauspiel, denn ebenso wie ein Lenkdrachen tanzt der SkySails-Drachen in der Form einer Acht hoch über dem Bug. Dieser ‚Achten-Flug’ – eigentlich eine liegenden Lemniskate, d.h. eine unendlich fortgesetzte doppelseitige Spirale – liegt die eigentliche Kraftquelle des Systems. Wenn die Luft dort oben, etwa bei Windstärke 6, mit rund 40 km/h anströmt, erzeugt der Manöverflug scheinbare Windgeschwindigkeiten von 144 bis zu 180 km/h. Der Drachen bewegt sich daher, als fliege er in einem ununterbrochenen Tornado!

Auch hier beweist sich ein weiteres Mal, daß jene Energien, die sich in Spiralenformen oder -formationen äußern, viel kraftvoller sind, als alle ,linearen’ Kraftäußerungen. Hierzu verweise ich auf die entsprechenden Kapitel im Teil D dieser Arbeit.

Solange nicht tatsächlich orkanartige Stürme oder Gewitterfronten die automatische Rückholung des Drachens in seinen Trägermast erzwingen, wird das Manöver von einem kleinkoffergroßen Autopiloten gesteuert, der unter dem Drachen hängt und diesen dazu veranlaßt, die im Wind anströmende Luft im Sturz- und Steigflug zu schneiden.

Nach ihrer Jungfernfahrt läuft die MS Beluga SkySails am 5. Februar 2008 in den venezolanischen Hafen Gunata ein, wo sie das erste Los Projektladung für eine neu zu bauende Spanplattenfabrik löscht. Während der knapp 8.800 km langen Atlantikpassage ist der Kite fast täglich zwischen drei und vier Stunden ausgefahren worden, um Erfahrungen im Umgang mit der neuen Technik zu sammeln. Anschließend fährt der Frachter weiter in die USA. Die Jungfernreise endet Anfang März in Norwegen.

SkySails-Schiff MS Michael A.

MS Michael A.

Anfangs machen die Start- und Landeprozeduren noch einige Schwierigkeiten, außerdem macht die Dünung einige Probleme, vor allem lange, hohe Wellen. Da das Schiff dabei sehr weit hoch und runter geht, strafft sich das Seil und zieht den Drachen mit sich herunter.

Nach Analyse der bislang erhaltenen Daten meldet das Unternehmen im Juli 2008, daß der Zugdrachenantrieb die Erwartungen weit übertroffen hat. Laut den Messungen an Bord des 90 m langen Mehrzweckfrachters Michael A. entwickelte das 160 m2 SkySail weit mehr als fünf Mal soviel Leistung pro Quadratmeter Segelfläche wie traditionelle Windantriebe. Die erzielte Zugkraft von 8 t entspricht etwa dem Schub eines Airbus A 318 Triebwerks.

Unter guten Windbedingungen ließ sich der Dieselverbrauch dadurch zeitweise um mehr als die Hälfte verringern (!), während die Reisegeschwindigkeit des Schiffes gleichzeitig von 10,0 auf 11,6 Knoten gesteigert wurde. Im Mittel hat der Einsatz des Zugdrachens als Zusatzantrieb gut 15 % Treibstoffkosten erspart, war rund 115.000 € pro Jahr entspricht. Das neue Windantriebssystem soll noch bis Anfang 2009 auf den Schiffen Michael A. und Beluga SkySails getestet werden.

Im August 2008 nimmt die MS Beluga SkySails neue Fracht auf – in drei europäischen Häfen und im Auftrag der US-Army und Air Force. Der Charter nach Amerika erfolgt durch das Military Sealift Command (MSC) der US Navy. Die Entscheidung der Militärs sei allerdings aufgrund des günstigen Angebots gefallen und nicht aus Begeisterung für die neue Technologie.

Im November 2008 wird der SkySails-Geschäftsführer Stephan Wrage vom Wirtschaftsmagazin ‚Capital’ und der Umweltstiftung WWF Deutschland bei der Verleihung ‚Ökomanager des Jahres 2008’ mit einem Sonderpreis ausgezeichnet. Und im Dezember beteiligt sich die Firma Zeppelin Power Systems, ein Tochterunternehmen der Garchinger Zeppelin Gruppe, als strategischer Partner, um die Grundlagen für die Markteinführung zu legen. Ab 2009 bündeln die zwei Hamburger Unternehmen ihre Kompetenzen in der Zeppelin SkySails Service- und Vertriebsgesellschaft mbH & Co. KG.

Mit dem gemeinsamen Vertrieb von Diesel-Wind-Hybridantrieben sollen weltweit neue Maßstäbe gesetzt werden, außerdem können künftig weltweit alle Sky-Sails-Systeme schnell und zuverlässig über das Service- und Vertriebsnetz der Zeppelin Power Systems gewartet werden.

Im Jahr 2009 will SkySails mit der Serienproduktion beginnen – die Produktionskapazitäten sind bereits für ein Jahr im Voraus ausgebucht –, doch Meldungen im Februar zufolge ist der umweltfreundliche Hilfsantrieb noch nicht ganz serienreif. Optimiert wird daraufhin die automatische Steuerung des Segels sowie der bislang starre Start- und Landemast, der nun den Bewegungen des Segels folgt statt dem Schaukeln des Schiffes und so für einen ‚Seegangsausgleich’ sorgt.

Im April 2009 wird die Segelfläche der Beluga Skysails auf 320 m2 verdoppelt.

Als erster norwegischer Schiffseigner bestellt die Rederei Wilson aus Bergen einen 160 m2 SkySail-Antrieb, der auf dem 88 m langen und Feeder-Schiff MS Wilson Grip installiert werden soll.

Flugzeuge und Zeppeline

Neben den oben erwähnten Drachen sind von amerikanischen Forschern auch Segelflugzeuge vorgeschlagen worden, welche periodisch an einem Seil ziehen, wodurch die Energieübertragung auf den Boden erfolgt. Auch andere Vorschläge zur Nutzung des in nur 200 m Höhe fast stetig wehenden Höhenwindes mittels Segelflugzeugen, die mit Windturbinen ausgerüstet sind, wären im Grunde leicht zu realisieren und auch relativ billig. Trotzdem liegen m.W. hierüber bisher noch keine Versuchsergebnisse vor.

Kling-Patent

Kling-Patent

Ein frühes Patent dafür beantragen Peter R. Payne aus Annapolis und Charles Mccutchen aus Bethesda 1975 (US-Patent Nr. 3987987, erteilt 1976).

Bei meinen Recherchen finde ich auch mehrere LTA-Systeme (Ligther Than Air), wie beispielsweise das 1975 angemeldete und 1978 erteilte US-Patent Nr. 4073516 von Alberto Kling aus dem deutschen Percha, der eine Windturbine an ein Luftschiff hängen will um Strom zu erzeugen.

Eine weitere Variante bildet das 1979 erteilte US-Patent Nr. 4166596 von William J. Mouton Jr. aus New Orleans und David F. Thompson aus Chester, bei dem die Windkraft durch einen hoch fliegenden, triebwerksförmigen Ringballon abgezapft werden soll.

Die Erfinder stellen sich Reihen mit zahlreichen fliegenden Kraftwerken vor, deren Energie mechanisch durch Endlos-Zugseile zu den am Boden stationierten Generatoren geleitet wird. Vermutlich ist das System aufgrund der äußerst komplizierten Seilführung nie getestet worden.

Benoit-Patent

Benoit-Patent

Das US-Patent Nr. 4350898 wiederum wird 1980 von William R. Benoit aus Mitchelville, Maryland, beantragt und 1982 erteilt. Hier ist eine Windturbine am Heck eines unbemannten Luftschiffes angebracht. Doch auch diese Erfindung scheint nie umgesetzt worden zu sein.

Auf den deutschen Ingenieur Herbert Beuermann geht der Vorschlag zurück, scheibenförmige Zeppeline in 400 m Höhe zu stationieren, wo ein konstanter Wind mit mindestens 70 km/h bläst. Das sogenannte Schwebekraftwerk wird an vier Seilen verankert und kann bei heftigem Sturm zur Erde gekurbelt werden. Gegenüber den auf dem Boden stationierten Anlagen haben Höhenkraftwerke den Vorteil, daß sie überall betrieben werden können und nicht von der Landschaftsumgebung abhängig sind.

Das Savonius-ähnliche ‚Kraftwerk’ des Trägerzeppelins besteht aus sechs Halbkugeln von jeweils 16 m Durchmesser, die im Luftstrom rotieren und etwa 2 MW Strom erzeugen sollen. Beuermann rechnet damit, daß sein Höhenkraftwerk 24 mal soviel Energie liefern kann wie ein gleichdimensioniertes auf der Erde. 1999 wurden an einem kleinen Modell erste Tests durchgeführt.

Nachdem sich das kanadische Unternehmen Magenn Power aus Kanata, Ontario, lange Jahre mit der Erforschung des Magnus-Effekts beschäftigt hat, der auch bei dem o.g. Flettner-Rotor eine wesentliche Rolle spielt, will es nun mit seinem 2004 patentierten Magenn Power Air Rotor System (MARS) auf den Markt kommen – anfänglich mit einem 4 kW Modell, das etwa 10.000 kanadische $ kosten soll.

Die gasbefüllten Windkraftwerke steigen in Höhen von 200 – 300 m auf. Rippen an der Außenhülle aus einem Kevlar-änlichen Material namens Dacron wirken wie die Wasserschaufeln eines Raddampfers und lassen die Ballone um ihre horizontale Achse rotieren. Dabei sorgt der Magnus-Effekt dafür, daß sie eine stabile Lage halten, exakt zu positionieren sind und zusätzlichen Auftrieb erhalten. Als Trägergas kommt neben Helium auch Wasserstoff, Methan oder Argon infrage.

Magenn Einsatz Grafik

Magenn Einsatz (Grafik)

Der Gründer des Unternehmens, Fred Ferguson, beginnt schon 1978 mit der Entwicklung eines ‚Magnus Luftschiff’ (Magnus Spherical Airship), das er in den 1980ern patentieren läßt. Im Rahmen der kanadischen Militärforschung werden 20 Mio. $ in die Entwicklung investiert und auch ein verkleinerter Prototyp gebaut, der bei einem späteren Unfall jedoch zerstört wird.

Im Januar 2006 übernimmt das in Lenexa, Kansas, ansässige Vertriebsunternehmen Krystal Planet Corp. die weitere Vermarktung der MARS-Windgeneratoren. Man plant, im Süden Ontarios 2007 eine erste Windfarm mit MARS-Kraftwerken aufsteigen zu lassen, die den Windstrom um 50 % günstiger erzeugen sollen als bodenbasierte Systeme.

Magenn Power, inzwischen in Ottawa, läßt den ersten 9 m langen und 3 m durchmessenden Prototyp im April 2008 in North Carolina abheben. Das System erzeugt 2 kW – eine akzeptable Größe für den Einsatz als günstiges, leicht transportables und schnell installierbares Notstromaggregat in Katastrophengebieten. Eine spezielle Kleinversion mit einer Leistung von 1 kW ist für Camper angedacht, die etwa 2.000 US-$ kosten soll.

Modelle mit der Leistung von 10 – 25 kW sollen 2009/2010 auf den Markt kommen, anschließend wird ein 100 kW Modell entwickelt, dessen Preis auf ca. 500.000 $ veranschlagt wird.

Den auf der Homepage veröffentlichten Grafiken zufolge hat das 100 kW Modell ein völlig überarbeitetes Design – es sieht nun eher aus wie ein horizontal schwebender, riesiger Savonius-Rotor.

Amick-Patent Grafik

Amick-Patent (Grafik)

Erwähnenswert ist auch das ,LTA -Tethered Wind Turbine’ (TWT) Konzept von Douglas J. Amick, über den ich schon im Absatz über windbetriebene Fahrzeuge berichtet habe. Der Windturbinen-Ballon von 2006, der bislang nur als Konzept vorliegt, ähnelt dem Mouton-Patent von 1979 (s.o.).

Auch hier handelt es sich um eine aerodynamische, die Windströmung bündelnde und mit Gas befüllte Struktur, für die Amick in seinem Patentantrag eine Vielzahl verschiedener Designs vorlegt. Die hier abgebildete Variante ist eine der eher konventionellen Modelle. Im Idealfall soll der TWT-Ballon aus Kohlenstoff-Nanotube-Material hergestellt werden.

 

Solarbetriebene Luftschiffe behandle ich in einem Unterkapitel der Elektrischen Mobilität (s.d.).

Augmentor-Systeme

Diese Systeme beruhen auf der Erkenntnis, daß die Anströmgeschwindigkeit des Windes durch besondere aerodynamische Konstruktionen erhöht werden kann. Dadurch erhöht sich auch die sonst relativ geringe Energiedichte des Windes, was bisher meist durch eine aufwendige Ummantelung der normalerweise frei laufenden Turbine erreicht wurde. Ein gutes Beispiel hierfür ist das oben bereits beschriebene Vortec-System.

Seit dem 19. Jahrhundert werden die unterschiedlichsten Formen und Umsetzungen vorgeschlagen, von denen ich einige präsentieren werde, die mir im Zuge meiner Patentrecherche begegnet sind.

Zu den Vorläufern der aktuellen technischen Umsetzungen gehören beispielsweise der Wind Wheel von P. A. Ensign aus dem Jahre 1866 (US-Patent Nr. 0058397), ein System unter dem Namen Improvement in Atmospheric Motive-Powers von W. Jones (US-Patent Nr. 0129567 von 1872), die Wind Engine von J. L. Walker, die sich eindeutig auf die Nutzung des Kamineffekts bezieht (US-Patent Nr. 0273920 von 1883), der Electric Generator von E. C. Woodell (US-Patent Nr. 0695524, erteilt 1902), der für Einzelgebäude gedachte Atmospheric power generator von A. J. Fandrey (US-Patent Nr. 1112203 von 1914) oder der  Air motor von Harry Mcgraw (US-Patent Nr. 1464575, erteilt 1923).

Ich bin mir sicher, daß eine erweiterte Recherche in internationalen Patent-Datenbanken eine Vielzahl weiterer Systeme und Erfindungen zutage fördern würde, die es nie zum Stadium der Umsetzung geschafft haben.

Breiter bekannt werden Augmentor-Systeme erst durch die Innovation von J. T. Yen, auf die ich als nächstes zu sprechen komme.

Tornadoturm

J. T. Yen entwickelt bei der Grumman Aerospace Corp. in den USA eine neuartige Windkraftanlage, bei der der Wind durch einzelne geöffnete vertikale Schlitze in eine oben und unten offene Turmkonstruktion geleitet wird, um sich dort zu einem Wirbel zu verdichten.

Da die Leistung eines Windrades nicht nur von der kinetischen Energie des Windes, sondern auch von der Druckdifferenz vor und hinter den Flügeln abhängt, wird beim Tornadoturm-Konzept der Unterdruck im Kern des Wirbels gegenüber der von unten zur Turbine hinströmenden Außenluft besonders vorteilhaft ausgenutzt. Ein 60 m hoher Turm von 20 m Durchmesser soll eine Leistung von 1 MW erbringen können. Mit einer 2 m Turbine sollen sich sogar bis zu 2 MW erreichen lassen, was einem konventionellen Rotor von 65 m Durchmesser entspricht (!).

Yen beantragt das Patent 1975, es wird ihm mit unter Nummer US 4070131 im Jahr 1978 erteilt. Wer sich näher mit dieser Technologie beschäftigen möchte sollte sich die Gegenhaltungen dieses Patentes anschauen, die bis in das Jahr 1878 zurückverfolgen lassen.

Im Jahr 1982 wird vom Physikalischen Institut Würzburg eine Untersuchung des Tornadoturms veröffentlicht, die im Tagungsbericht des 4. Internationalen Sonnenforums in Berlin erscheint. Auch die Ergebnisse von Windkanaltests an Modellen mit spiralförmigem Querschnitt, logarithmischer Spirale und variablem Höhen/Durchmesser-Verhältnis werden veröffentlicht.

Tornadoturm-Patent

Tornadoturm-Patent

Prof. Rechenberg von der TU-Berlin (Erfinder des Windkonzentrators, siehe im Absatz Neue Designs) erläutert während eines Vortrags im Jahr 1984, daß die Wirbelbildung im Tornadoturm durch die Innenreibung nicht ausreichend verstärkt werden könne, um die theoretisch 20- bis 30-fache Windgeschwindigkeitsverstärkung zu erreichen.

Ich werde im nachfolgenden Teil D noch einmal auf den Tornadoturm zurückkommen, wenn es um die Energie von Wirbeln geht.

Anscheinend inspiriert diese Erfindung weitere Landsleute von Yen, denn 1983 beantragt Cheng-ting Hsu aus Ames, Iowa, das Patent für eine Tornado type wind turbines (US-Patent Nr. 4452562, erteilt 1984), und 1988 beantragt Dong-an Yeh aus Taipei, Taiwan, das Patent für einen Revolving power tower, das er 1990 auch erhält (US-Patent Nr. 4935639). Beide Bauversionen gleichen weitgehend dem Tornadoturm von Yen.

Wie schon bei vielen anderen Technologien nachgewiesen, hat auch Yen Vorläufer, deren Innovationen unter dem Begriff Luftwirbelkraftwerke bekannt werden.

Das Prinzip dieser Kraftwerke wird vermutlich als erstes von dem französischen Luftfahrtingenieur Edgard Henri Nazare aus Seine beschrieben, der 1964 ein entsprechendes Patent für einen Générateur de cyclones artificiels beantragt, welches er dann 1966 unter der Nr. 983953 erhält. Während seines Aufenthalts im französischen besetzten Algerien hatten ihn die dort in der Wüste häufig beobachteten Luftwirbel auf den Geschmack gebracht.

Wesentliches Element seines tour solaire Kraftwerks in Form einer Venturidüse sind die spiralförmigen Leitapparate am Fuß des Turmes, welche die angesaugte Luft in Drall versetzen und zum Kreiseln bringen sollen. Dadurch wird ein riesiger Wirbel erzeugt, der dem Rüssel eines Tornados ähnlich sieht. Dieser Luftwirbel soll den sehr hohen und daher auch sehr teuren Kamin der üblichen Aufwindkraftwerke ersetzen.

Nazare beantragt 1982 ein weiteres Patent, in dem er die Technologie seines Kraftwerks wesentlich detaillierter beschreibt. Dieses Patent mit der Nr. 8205544 wird ihm 1983 erteilt. In den Folgejahren versucht er die Mittel zu bekommen, um einen Prototyp zu bauen, dessen Basis einen Durchmesser von 300 m haben sollte, bei einer Turmhöhe von ebenfalls 300 m. Die Anlage soll in der Lage sein, aus den um 30°C unterschiedlichen Temperaturen zwischen den hohen und niedrigen Schichten der Atmosphäre eine elektrische Leistung von etwa 200 MW zu erzeugen.

Nach vielversprechenden Testes, die im Jahr 1997 seitens der Société Sumatel aus La Bathie an einem 6 m hohen Modell in Savoyen durchgeführt werden, wird die Entwicklung unterbrochen, da Nazare im September 1998 in Paris stirbt, ohne seine Erfindung verwirklicht zu haben.

Erst 2006 macht Sumatel weiter; das Unternehmen will ein 60 m Modell auf Guadeloupe errichten, an dem weitere Versuche durchgeführt werden sollen. Diesmal soll zusätzlich auch noch Wärme aus Geothermalenergie in das System fließen. Die Firma geht davon aus, daß der Luftwirbel eines 300 m hohen Turmes bei einem Luftschichten-Temperaturunterschied von 30°C bis 50°C zwischen 180 MW und 310 MW erzeugen kann.

Nazare-Sumatel Versuchsaufbau

Nazare-Sumatel
Versuchsaufbau

Von Nazare inspiriert ist auch der Russe George Mamulashvili, der noch zu Zeiten der Sowjetunion zwei Patente für seinen Trailing Solar Chimney erhält (Nr. 13119654 von 1984 und 1526335 von 1988). Die ersten theoretischen Untersuchungen erfolgen 1995, anschließend sollen erste Kleinmodelle gebaut werden.

Auch dieses System beruht auf einer Verwirbelung der Luft, wobei der geplante Prototyp aus einem selbstansaugenden Spiralturm von 333 m Höhe und 30 m Durchmesser bestehen soll, der von einer 600 m durchmessenden und auf etwa 3 m aufgeständerten Kollektorfläche umgeben ist. In dieser Dimension soll Mamulashvilis Anlage 100 MW erzeugen. Die Eintrittsgeschwindigkeit der Luft wird mit 80 km/h angegeben. Die Arbeiten werden allerdings 1997 unterbrochen, weil es nicht gelingt die Wirbelströmung zu stabilisieren.

Unabhängig voneinander greifen Ende der 1990er Jahre der Australier Norman Louat und der kanadische Ölingenieur Louis Marc Michaud aus dem kalifornischen Sarnia die Idee der Luftwirbelkraftwerke wieder auf.

Louat, an der Südostküste Australiens in Batemans Bay, New South Wales, beheimatet, beantragt 1999 ein internationales Patent für seinen Unbounded Vortical Chimney und erhält es unter der Nummer PCT/AU99/00037 im Jahr 2000. Über Versuche oder Umsetzungen ist mir jedoch nichts bekannt.

Das Prinzip von Michauds Anlage wiederum ähnelt zwar einem Aufwindkraftwerk (s.u.), doch wird die warme Luft am Boden eines zylinderförmigen Gebäudes hier zusätzlich verwirbelt – wodurch ein künstlicher Sturm entsteht. Dabei entwickelt sich eine weitaus größere Kraft als beim konventionellen Thermikkraftwerk.

Michaud Versuchsanlag

Michaud Vortex
(Versuchsanlage)

Michaud beantragt sein erstes Patent 2001, es wird ihm 2003 erteilt (US-Patent Nr. 7086823). Es sieht als Hauptanwendung seiner Atmospheric Vortex Engine (AVE) den Einsatz in Kühltürmen konventioneller Kraftwerke vor, wo 20 % der in der Abluft steckenden Energie durch entsprechende Turbinen am Faß des Turmes genutzt werden sollen. Als weitere Wärmequelle wird warmes Ozeanwasser genannt.

Gemeinsam mit Tom Fletcher beginnt Michaud im Juni 2005 im US-Bundesstaat Utah mit Tests an keinen Modellen wie dem 2,4 m hohen ‚square vortex generator’ (TF-1) mit 90 x 90 cm Grundfläche. Der darin erzeugbare Mini-Tornado hat einen Durchmesser von rund 15 cm.

Bereits im August desselben Jahres wird in Fletchers zwischenzeitlich gegründeter Firma Atmospheric Vortex Tower LLC ein wesentlich größerer Prototyp getestet. In dem 10 m durchmessenden und 15 m hohen System gelingt es einen 1 m durchmessenden künstlichen Wirbelsturm zu erzeugen (anderen Quellen zufolge soll dieser Turm 15 x 30 m groß gewesen sein).

Eine weitere, technisch wesentlich aufwendigere Versuchsanlage (LM-6) wird sinnvoller weise aus Plexiglas errichtet, wodurch sich die Wirbelentstehung gut beobachten läßt.

In künftigen Kraftwerken mit 400 m Durchmesser und 100 m Höhe soll ein ebenfalls 100 m durchmessender Tornado entfacht werden, der sich bei einer Windgeschwindigkeit von bis zu 320 km/h in eine Höhe von 1 – 15 km erstrecken soll. Den Preis einer derartigen Anlage kalkuliert der Erfinder auf 60 Mio. $, ihre Leistung würde im Bereich von 100 bis 500 MW liegen. Bisher ist allerdings nicht klar, ob sich der Luftwirbel bei stärkerem überörtlichen Wind aufrecht erhalten läßt.

Michaud Konzept Grafik

Michaud Konzept (Grafik)

Mitte 2007 gründet Michaud eine eigene Firma Namens AVEtec Energy, und beginnt an der University of Western Ontario in Kanada mit Windkanal-Versuchen, es werden verschiedene Computersimulationen gefahren und der Erfinder sucht nach Investoren für sein System.

In Deutschland erhalten die Ingenieure Peter-Michael Rietbrock aus Köln, und Hasan Oezbey vom Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR e.V., im Jahre 2002 den Kölner Innovationspreis für eine Weiterentwicklung des konventionellen Aufwindkraftwerkes, die im Grunde eine Kombination dieser Technologie mit dem Tornadoturm von Yen darstellt.

In ihrem Wirbel-Strömungs-Kraftwerk, von dem ein Prinzipmuster mit einem Durchmesser von 3 m existiert, wird durch Solarenergie und Wärme ein Luftwirbel erzeugt. Auch hier dringt die Sonnenenergie durch die transparente Glas-/Folienkonstruktion und erhitzt eine darunterliegende Absorberfläche. Das Aufsteigen der erwärmten Luft führt in der kaminartigen, hyperbolischen Form der Konstruktion jedoch zu einem tornadoähnlichen Effekt.

Der durch den Luftaufstieg entstehende Unterdruck sorgt an der Basis der Konstruktion für ein Ansaugen von Außenluft, die durch eine Vielzahl von beweglichen, flügelartigen Windleittoren hineinströmt. Diese sorgen vor allem dafür, daß die einströmenden Luftmassen tangential in das Rondell gesaugt werden und schon beim Eintreten in den Trichter die für die Gesamtwirkungsweise der Konstruktion optimale Strömungsrichtung aufweisen. Durch die sich schnell drehenden Luftmassen wird ein Radialrotor angetrieben, der mit dem Generator an der Turmspitze verbunden ist.

Hurricane Tower

Hurricane Tower

Ein weiteres System bildet der 1998 patentierte Hurricane Tower des Marine-Ingenieurs John Pina Craven, dessen erster 10 m hoher Prototyp ab 2005 in seinem Natural Energy Labor auf der Hawaii-Insel Kona steht. Diesmal soll der künstlich erzeugte Miniatur-Wirbelsturm allerdings nicht der Energieerzeugung dienen – sondern Meerwasser entsalzen. Craven, der früher für das streng geheime U-Boot-Projekt Polaris verantwortlich gewesen ist, ist auch maßgeblich am OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) Projekt bei Keahole Point auf Kona beteiligt, das seit 1982 läuft (s.u. Wasserenergie, Thermalgradient).

Im Inneren des Polyethylen-Rohres wird ein Wirbelsturm simuliert: Warmes Brack- oder Salzwasser strömt am Boden hinein, verdunstet und steigt – von einem Propeller beschleunigt – in zunächst kleinen Wirbeln auf, die sich zu einem großen Wirbeln vereinigen. Dieser triff dann oben auf einen Wärmetauscher, durch den 7° bis 8° C kaltes Tiefenwasser zirkuliert, was die mit Wasserdampf gesättigte Luft zum Abregnen bringt. Der entsalzte Niederschlag wird in einer Wanne aufgefangen. Diese Technik soll sehr wirtschaftlich sein – der Erfinder nennt Betriebskosten von nur wenigen Cent pro Kubikmeter Trinkwasser. Für eine größere Anlage auf der Insel Saipan in der Mariannen-Gruppe soll das US-Energieministerium bereits Fördermittel von 1,5 Mio. $ zugesagt haben.

In Frankreich lassen sich Michel Alain Coustou und Paul Alary 2005 einen Luftwirbelgenerator patentieren (Nr. 0408809). Unter dem Namen Tour Aerogeneratrice wird eine Kombination aus Windkraft, Kamineffekt, Treibhauseffekt, Corioliskraft und Venturi-Effekt beschrieben. Auch hier soll die Luft spiralförmig in den Turm geleitet werden, um einen Tornadoeffekt hervorzurufen.

Auf dem Foto sieht man die beiden Erfinder mit einem Tischmodell während eines Vortrags auf der 32. französischen SF-Convention in Tilff, Esneux.

2006 lassen sich Coustou und Alary ihr System unter dem wohlklingenden Namen Air Power Generator Tower auch international patentieren (Nr. 018587).

Im August 2007 melden die Blogs eine weitere Variante unter dem Namen Energy Tower, die diesmal auf Robert J. Rohatensky zurückgeht. Der Erfinder betrachtet sein System als ‚solarbetriebene Wärmepumpe’ (Solar Heat Pump Electrical Generation System, SHPEGS) und möchte es im Rahmen eines open-source Projektes weiterentwickeln.

SHPEGS-Konzept Grafik

SHPEGS-Konzept (Grafik)

Auf seiner gut gefüllten Homepage shpegs.org werden verschiedene Ansätze und technische Modifikationen gezeigt, die den nach Jahreszeit bzw. Örtlichkeit unterschiedlichen Betrieb der Anlage verdeutlichen. Durch Integration eines unterirdischen Wärmespeichers mittels Erdsonden entsteht ein Heißluft-Kreislauf, sobald die Umgebungsluft wärmer als die Bodentemperatur wird – während sich im umgekehrten Fall ein Kaltluft-Kreislauf aufbaut. Auf der Abbildung ist der Winderbetrieb dargestellt.

Ein weiteres Projekt – ebenfalls unter dem Namen Energy Tower – wird Ende 2007 aus Schweden bekannt. Initiator ist Eric Stiig mit seiner Firma Energytower AB in Umeå. Das 2004 beantragte und 2008 erteilte US-Patent Nr. 7364399 trägt den etwas komplizierten Namen Wind power plant of cyclone type and method of obtaining energy from such.

Bei diesem System wird der auftreffende Wind über ein spiralförmiges Leitblech in die Anlage hineingeleitet, wo er sich aufgrund des abnehmenden Innendurchmessers beschleunigt. Im Kern des leicht schrägen Turmes befindet sich eine Senkrechtachser-Windkraftanlage (3-Blatt Darrieus), die sich nun zu drehen beginnt. Die beschleunigte Luft erhöht den Druck und die Temperatur an der Innenwand des Turmes, was einen relativen Druckverlust in der Mitte des Turms erzeugt – das Auge des Tornados. Hierdurch entsteht ein Kamineffekt, der die Rotordrehzahl beschleunigt, während der Unterdruck wiederum neue Luft in den Turm hineinzieht.

Vortex Power Station Grafik

Vortex Power Station
(Grafik)

Nach der Durchführung verschiedener Untersuchungen an einem Modell bis Mitte 2009 und anschließender Tests der Nullserie soll 2010 die Markteinführung starten.

Vom Ansatz des österreichischen Wirbelforschers Viktor Schauberger ausgehend entwickelt Evgeny Sorokodum ab 2000 in Rußland eine ganze Reihe kleindimensionierter Konzepte, die sich ebenfalls den Vortex-Generatoren zuordnen lassen.

Hier abgebildet ist eine pyramidenförmige Struktur, die der Erfinder im Rahmen seiner Moskauer Firma Vortex Oscillation Technology Ltd. umsetzen möchte. Sorokodum arbeitet auch an oszillierenden Wärmepumpen (Vortex-oscillatory heat pumps) und der Kondensation von atmosphärischer Feuchtigkeit zur Wassergewinnung.

Bevor wir nun zu den riesigen Aufwindkraftwerken kommen, möchte ich noch eine Innovation beschreiben, die mehr für einen kleindimensionierten und dezentralen Einsatz gedacht ist – und die unter dem augenzwinkernden Namen ‚Windhamster’ bekannt ist.

Windhamster

Der ‚Windhamster’, eine Entwicklung der beiden Berliner Ingenieure Jürgen und Olaf Schatz, ist ein zylinderförmiges, eineinhalb Meter hohes und einen Meter breites Gerät, dessen Außenwand aus beweglichen Lamellen besteht und eine sehr große Ähnlichkeit mit dem Tornadoturm von Yen aufweist. Auch hier sind die Lamellen so angeordnet, daß der Wind zwar in das Hamster-Innere vordringen, aber nicht wieder hinaus kann. Dort soll er zu rotieren anfangen und sich zu Wirbelfäden aufwinden, die wiederum zu einer ganzen Wirbelspule aufgewickelt werden. So entsteht eine Wirbelströmung wie bei einem Hurrikan, in dessen Zentrum eine speziell konstruierte Turbine mit zugehörigem Generator den ‚Orkan in der Dose’ in elektrische Energie umformt, während die Strömung nach oben abfließt. Da die Winde nicht direkt genutzt werden, sondern erst nach mehrmaliger Verwirbelung, tritt eine Verstetigung der Rotationsgeschwindigkeit ein. Weitere technische Vorteile sind, daß der Windhamster kein Getriebe benötigt und auch die komplizierte Steuerung von Propellerflügeln entfällt.

Die Erfinder erklären: „Die Parallelströmung ‚Wind’ wird in eine stationäre Wirbelströmung umgewandelt. Dieser wird durch eingelagerte Geschwindigkeitskonzentrationen durch Induktion nach dem Biot-Savardschen-Gesetz eine höhere Umfangsgeschwindigkeit verliehen. Damit werden größere Masseströme realisierbar.“ Der entscheidende Fakt dabei ist, daß der Wirbelwind im Zylinder durch das ‚heraus-bremsen’ an der mittigen Turbine nicht verzögert wird, sondern im Gegenteil sogar erkennbar beschleunigt. Man muß in solchen Systeme die Masse nur mittig heraus nehmen – und die äußeren Massen stürzen beschleunigt nach innen, wobei die Molekulargeschwindigkeit als wesentliche Komponente zur Strömung insgesamt beiträgt (die molekulare Bewegung der Luft ist dreifach schneller als die Orkangeschwindigkeit). Die Idee kam den Erfindern übrigens, als sie sich mit der Entwicklung eines neuartigen Filtersystems für Schornsteine befaßten, das mit Luftwirbeln arbeitet. In ihren Darlegungen beziehen sie sich u.a. auch auf die theoretischen Grundlagen des Ersatz-Strömungsfeldes für zyklonische Staubabscheider nach Barth/Muschelknautz.

Im Sommer 1993 gewinnt Jürgen Schatz die Teilnehmer der Beratungskonferenz der Deutschen Stiftung Umwelt für seine Idee. Außerdem erwirkt das Umweltministerium bei der Investitionsbank des Landes Brandenburg ein zinsloses Darlehen, um dem Erfinderteam ein zeitweiliges Arbeitseinkommen zu sichern, die Messeplatzierungen zu finanzieren und die Prüfung des Windhamster vornehmen zu können.

Mit Unterstützung der ‚Fördergesellschaft Erneuerbare Energien’ und einer Yachtwerft, die durch ihre innovative Ausrichtung prädestiniert war und mit großem Engagement bereits vorher tätig geworden war, entsteht ein durchsichtiges Funktionsmodell von ca. 130 cm Höhe und 90 cm Durchmesser, das im  November 1993 an der TU Berlin in den Windkanal gestellt  und gemessen wird.

Im Ergebnispapier heißt es: „Grundsätzlich ähnelt (der Windhamster) historischen Windenergie-Vertikalläufern, und unterliegt damit auch den prinzipiellen Nachteilen von Widerstandsläufern im Vergleich zu Auftriebs-Windenergie-Konvertern. Allerdings wird in dem vorliegenden Konzept eine Energiekonzentration durch gezielte Wirbelbildung innerhalb des Konverters angestrebt, so daß ein höherer Wirkungsgrad von den Konzeptträgern postuliert wird.“

Im Detail: Die Windgeschwindigkeiten der Meßstrecke wurden von 0 auf 14 m/s hochgefahren, an den Generator war ein Potentiometer als Ohmsche Last angeschlossen. Bei 7 m/s lief der Windhamster an, die Rotordrehzahl erhöhte sich annähernd linear bei steigender Windgeschwindigkeit auf maximal U = 187. Die Meßleistung auf diesem Höhepunkt lag bei P = 17,04 W. Bei 14 m/s liegt die theoretische Strahlleistung bei 1000 W, statt der zu erwartenden Leistungsminderung auf 40 % erreichte der Windhamster jedoch nur knapp 2 %! Damit war die prinzipielle Wirkungsweise des Windhamsters nachgewiesen, der Wirkungsgrad jedoch lag jenseits von Gut und Böse. Trotzdem wird der Entwicklung auf der 42. Weltmesse für Erfindung, Forschung und industrielle Innovation (EUREKA) in Brüssel 1993 eine Goldmedaille verliehen.

Im Januar 1994 läuft in der TU Dresden die zweite Versuchsreihe an. Die Yachtwerft hatte das Funktionsmuster aufgerüstet, das Verstärkermodul stand bereit, und auf Wunsch der Erfinder waren noch mehrere Kamine als Aufsätze gefertigt worden. Im Verlaufe von fünf Tagen wurden sämtliche Varianten durchprobiert. Doch die Ergebnisse der Berliner Windkanalversuche bestätigten sich und die Verstärkermodule bewirken keinerlei Leistungssteigerung. Bei einer Anströmgeschwindigkeit von 15,5 m/s wird eine Drehzahl von 250 U/min und eine elektrische Leistung von 18,3 W erreicht. Damit liegt der Wirkungsgrad nur unwesentlich über den Berliner Ergebnissen und schießt eine wirtschaftliche Verwertung endgültig aus.

Im Gutachten heißt es weiter, daß „die Strömungsbeobachtungen mit Paraffinölnebel keine Hinweise auf Strukturen von Wirbelspulen im Rotornachlauf oder auf Effekte der Windenergiekonzentration (erbrachten).“

Haug-Konzept Grafik

Haug-Konzept (Grafik)

Trotzdem wird der Windhamster 1994 auf der Hannovermesse ausgestellt, und nach einer Testanlage mit 0,3 kW in Großopitz bei Tharandt/Sachsen wird am 06.10.1994 das erste ‚funktionsfähige Modell’ auf dem Dach des Technologiezentrums Glaubitz/Sachsen installiert, das 2,5 kW Nennleistung erbringen soll. Man redet davon, daß die Serienproduktion 1996 starten soll.

Ein Grund für den geringen Wirkungsgrad liegt in der größtenteils am Zylinder vorbeiströmenden Luft, denn nur 15 % der auf den Stirnflächenquerschnitt zuströmenden Luft gelangen überhaupt in den Windhamster. Ein weiterer Grund für die Ineffektivität besteht meiner Meinung nach darin, daß sich der Hamster selbst nicht bewegt. Wenn er ebenfalls rotieren würde, dann kämen mehrere andere – und möglicherweise auch additiv wirkende – Effekte zum Tragen. Er würde dann auch schon sehr der Messias-Maschine ähneln, über die ich im Teil D ausführlich berichte.

Nachdem ich über 10 Jahre lang nichts mehr über den Windhamster gehört habe, scheint sich ab 2000 Dr. Matthes Haug mit dem System zu beschäftigen. 2007 gründet er in der Schweiz die Firma Energie System Lösungen (ESL) AG. In seinen Vorträgen beschreibt Haug die Entwicklung des Windhamsters als so gut wie abgeschlossen und geht davon aus, daß die Maschine bereits 2008 Serienreife erlangt und in Massenproduktion gehen kann.

Aufwindkraftwerk

Grafik des Aufwindkaftwerks von Dubos

Dubos-Aufwindkraftwerk

Bereits 1519 zeichnet ein J. Knobloch das Prinzip eines Aufwindkraftwerks. Die Anlage betreibt einen Grill, welcher durch den Rauchabzug angetrieben wird. Die Information darüber stammt von Herrn Leitlein, der sie m.W. im Deutschen Museum in München gefunden hat.

Im August 1903 beschreibt der katalanische Offizier der spanischen Armee Isidoro Cabanyes in dem Magazin ‚La energía eléctrica’ und unter dem Titel ‚Proyecto de Motor Solar’ vermutlich als Erster das Konzept eines modernen Aufwindkraftwerks.

Diese Technologie wird schon im Jahr 1929 von dem Französischen Meteorologen Bernard Dubos erfunden und patentiert, der mit ihrer Hilfe senkrecht aufsteigende, wirbelsturmähnliche Luftströmungen erzeugen will. Etwa sechs Jahre später schlägt Dubos außerdem vor, mit Hilfe riesiger Dampf-Schornsteine Regen zu erzeugen. Die Aufwind-Technologie scheint jedoch nicht realisiert worden zu sein, obwohl es Dubos sogar gelang, die damals als nicht gerade fortschritlich geltende Pariser Akademie dafür zu begeistern.

Dubos legt den Plan vor, an den Steilabstürzen der Atlas-Kette und dem Hoggar-Gebirge in Nordafrika 1.000 – 1.500 m hohe Steigrohre aus 10 m durchmessendem, wärmeisolierenden Leichtbeton zu installieren, durch welche die mittels Glasdächern stark erhitzte Luft nach oben steigt und dabei in ihrem Inneren die Schaufeln von Windturbinen antreibt. Der erzeugte Strom soll die lokale Infrastruktur stärken sowie an das europäische Stromnetz geliefert werden.

In Deutschland wird das Prinzip dieser Aufwindkraftwerke erstmals durch das 1931 erscheinende Büchlein von Hanns Günther In hundert Jahren bekannt. Der Autor berichtet außerdem über eine Entwicklung des Lufttechnischen Instituts in Saint-Tyr, wo man erfolgreich an kleineren Anlagen arbeiten würde, die sich auch für den europäischen Raum eignen.

Grafik von Windtürmen

Windtürme

Dort nutzt man nämich die Erfahrungen, die bei der Entwicklung leistungsfähiger, ausschließlich mit natürlicher Windenergie arbeitender Ventilationssysteme zur Entlüftung von Wohn- und Arbeitsräumen gewonnen wurden.

Die Konstruktion als zylindrischer Schornstein aus Eisenblech kommt dem Jahrzehnte später tatsächlich gebauten Aufwindkraftwerk in Menzares schon recht nahe (s.u.), doch bei dem Windturm ist das obere Ende zusätzlich von einem kurzen Zylinder umringt, der den Luftaustritt und damit auch den Sog erleichtert und verstärkt. Diese Windtürme sollen bei ihrer Erprobung einen Wirkungsgrad von nahezu 100 % erreicht haben.

In dem US-Magazin Modern Mechanics und Invention vom Dezember 1930 ist auch eine Art ‚liegendes‘ Aufwindkraftwerk dargestellt, bei dem es sich um eine deutsche Erfindung gehandelt haben soll.

Leider habe ich dazu keine weiteren Informationen finden können – ich glaube jedoch nicht, daß eine derartige Konstruktion einen effektiven Betrieb gerantiert hätte.

Danach scheint es für mehrere Jahrzehnte ruhig geblieben zu sein. Erst 1969 wird Vukasin Van Delic das 1967 beantragte US-Patent Nr. 3436908 für sein Solar air moving system erteilt, das eine sehr große Ähnlichkeit mit dem oben beschriebenen Aufwindkraftwerk von Dubos hat.

Van Delic-Patent

Van Delic-Patent

Mitte der 1970er Jahre kommt es dann insbesondere in den USA zu einem Boom an neuartigen Konzepten, die ich aufgrund ihrer Menge jedoch nicht im Einzelnen betrachten kann.

Die Nennung der Patentnummern erlaubt aber einen direkten Rückgriff auf die Originaldokumente – am besten über das Portal freepatentsonline.com.

Ich habe mich für die Veröffentlichung dieser Auflistung entschieden um zu belegen, daß es sogar in dieser relativ kleinen technologischen Nische eine schier endlose Zahl an Erfindern gibt, deren Kreativität sich (leider) ausschließlich in den Patenten niedergeschlagen hat – ohne jemals das Licht der Öffentlichkeit zu erblicken.

Aus meiner Sicht relevante Entwicklungen im Bereich der Aufwindkraftwerke sind…

– das Kühlturmartige Power system von Steven K. Levine aus New York (US-Patent Nr. 3936652, beantragt 1974, erteilt 1976),

– das Aufwindkraftwerk von Robert E. Lucier aus Ontario, das bereits dieselbe Grundstruktur aufweist wie das später in Menzares umgesetzte System (s.u.). Das erst US-Patent beantragt Lucier 1975 (Nr. 4275309), sein letztes wird ihm 1981 erteilt,

– das relativ einfach strukturierte und auf einem großen, flachen Solarkollektor beruhende Solar energy device von Elwood L. Newland aus Flint, Michigan (US-Patent Nr. 4033126, beantragt 1975, erteilt 1977),

– das Whirlwind power system der beiden Kalifornier Earl L. Carson und Donald W. Carson (US-Patent Nr. 4018543, beantragt 1975, erteilt 1977),

– die sehr aufwendige und mit einem umlaufenden Parabolspiegel ausgestattete Solar power plant von Ernest R. Drucker aus Ottawa (US-Patent Nr. 3979597, beantragt 1975, erteilt 1976),

– das Energy conversion system von Tony W. Butler Jr. aus Houston (US-Patent Nr. 4004427, beantragt 1975, erteilt 1977),

– die in vielen Varianten, darunter auch mit Solarreflektoren konzipierte Wind or water operated power plant von Nathan Cohen aus Great Neck, New York (US-Patent Nr. 4079264, beantragt 1976, erteilt 1978),

– das kuppelförmige Thermal air powered electric generator system von Merlin B. Christian aus Baytown, Texas (US-Patent Nr. 4118636, beantragt 1976, erteilt 1978),

Merlin-Patent

Merlin-Patent

– das Solar energy converting device von Charles S. Martin aus Albemarle, North Carolina (US-Patent Nr. 4096698, beantragt 1977, erteilt 1978),

– das Solar heat supplemented convection air stack with turbine blades von Jack Polyak aus Joliet, Illinois (US-Patent Nr. 4122675, beantragt 1977, erteilt 1978),

– die Solar thermal and wind energy power source von William H. Argo aus Oklahoma City (US-Patent Nr. 4224528, beantragt 1979, erteilt 1980),

– der Amplified wind turbine apparatus
von Leopold A. Hein aus Fayetteville, Tennessee, und William N. Myers aus Huntsville, Alabama (US-Patent Nr. 4309146, beantragt 1980, erteilt 1982),

– das sehr kompliziert wirkende Power generating system von Larry K. Campbell und William D. Farrier aus College Park, Georgia (US-Patent Nr. 4388533, beantragt 1981, erteilt 1983),

– das sowohl aufwärts wie abwärts gerichtete Wirbel nutzende System for the obtaining of energy by fluid flows resembling a natural cyclone or anti-cyclone von Zapata M. Valentin aus Madrid (US-Patent Nr. 4452046, beantragt 1981, erteilt 1984),

– die turmlose Wind and solar powered turbine der Kalifornier Ivan D. Wells, Jin L. Koh und Marvin Holmes (US-Patent Nr. 4433544, beantragt 1982, erteilt 1984),

– das Windmill power system von Edward A. Siegel aus Granby, Connecticut (US-Patent Nr. 4491740, beantragt 1982, erteilt 1985),

Wortham-Patent

Wortham-Patent

– das Hybrid solar-wind energy conversion system von Melvin Wortham aus Chicago (US-Patent Nr. 4779006, beantragt 1987, erteilt 1988), bei dem die Sonnenstrahlen per Reflektoren auf die zentrale Kollektorröhre gerichtet werden um den Kamineffekt in Gang zu bekommen,

– der Wind-driven power generator von Calvin C. Wight aus Lakewood, Ohio (US-Patent Nr. 4963761, beantragt 1989, erteilt 1990),

– die Solar venturi turbine von William R. Baird aus Sturgis, Kentucky (US-Patent Nr. 5381048, beantragt 1994, erteilt 1995),

– die Wind power machine von Ton A. Yea aus Taipei, Taiwan (US-Patent Nr. 5463257, beantragt 1995, erteilt 1995), bei welcher der Turm als sich drehender Vielblatt-Savonius gestaltet ist,

– oder auch der Column airflow power apparatus von Jerry W. Bohn aus Barrington, Illinois (US-Patent Nr. 6626636, beantragt 2001, erteilt 2003)

Zu bedenken gebe ich, daß es sich hierbei ausnahmslos um Patente aus den USA handelt – während gleichzeitig so gut wie sicher ist, daß ähnliche Ideen und Innovationen auch in anderen Ländern verfolgt worden sind.

Im Gegensatz zu vielen anderen Technologien wird diese aber auch umgesetzt. Ein wesentlicher Grund ist wohl, daß beim atmosphärenthermischen Aufwindkraftwerk (das auch ‚Thermikkraftwerk’ oder ‚Sonnenkamin’ genannt und oftmals dem Bereich der Sonnenenergie zugeordnet wird) drei physikalische Prinzipien miteinander kombiniert werden: der Treibhauseffekt, der Kaminzug und der Windantrieb.

Die einfallende Sonnenstrahlung erwärmt die Luft unter einem mit Glas oder Folie gedeckten Kollektordach, das sich kreisförmig um den in der Mitte stehenden Kamin ausbreitet. Die um 10° bis 20°C (andere Quellen sprechen von 15° bis 30°C) zusätzlich erwärmte Luft strömt zum Kamin und steigt in diesem auf. Verantwortlich dafür ist die Temperaturdifferenz zwischen der Außenluft und der aufgeheizten Luft unter dem Dach.

Solche Aufwindkraftwerke benötigen sehr große Flächen. Sie eignen sich deshalb besonders für Wüsten und ähnliches sonnenreiches Ödland. Ihr Wirkungsgrad erhöht sich mit der Höhe des Kamins, und zwar nicht geradlinig, sondern überproportional. Mit der Höhe des Kamins steigt nämlich die Temperatur- und Druckdifferenz zur Treibhausluft am Boden. Daraus resultiert wiederum ein zunehmendes Druckgefälle im Kamin, wodurch die erwärmte Luft angesaugt und in kinetische Energie, den Aufwind verwandelt wird. Windturbinen am unteren Ende des Kamins wandeln diesen Aufwind in elektrische Energie um. Doch trotz der frühen Beschäftung mit dieser Technik sind die theoretischen Grundlagen dafür erst im Jahr 2000 durch T. von Backstrom and A. Cannon erarbeitet und veröffentlicht worden.

Die neueren Forschungen an Aufwindkraftwerken werden in der Bundesrepublik Deutschland von dem Stuttgarter Prof. Jörg Schlaich, Mitglied der Ingenieursgemeinschaft Leonhardt & Andrä und Dozent an der TU Stuttgart, initiiert und vom BMFT unterstützt. Trotzdem hält sich die öffentliche Unterstützung in Grenzen, da es sich im Grunde um eine ‚Low-Tech’-Anlage handelt, die in Ländern der 3. Welt weitgehend mit lokalen Materialien und Arbeitskräften erstellt werden könnte. Ein Großteil der traditionellen Zulieferer von Kraftwerkskomponenten würden dabei leer ausgehen…

Nachdem das BMFT die Vorstudie bereits mit 200.000 DM unterstützt , werden anschließend rund 5 Mio. DM für die erste Pilotanlage bereitgestellt. Bereits 1980 entsteht eine 100 kW Versuchsanlage mit 200 m Höhe, 10 m Durchmesser und einem 45.000 Quadratmeter großen Glasdach (250 m Durchmesser – Höhe 1,85 cm, zur Mitte hin zunehmend) im spanischen Manzanares, etwa 150 km südlich von Madrid, die am 07.06.1982 ihren Betrieb aufnimmt. Der Wirkungsgrad wird mit 1 – 2 % angegeben, die innenliegende vierflügelige Windturbine hat einen Durchmesser von 10 m und der heiße Wind erreicht die Stärke 6 (= 12 m/s).

Aufwindkraftwerk Menzares

Aufwindkraftwerk
Menzares

Die Anlage funktioniert bis 1989 zufriedenstellend und zeigt eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit, obwohl der Wirkungsgrad als ‚lausig’ bezeichnet wird. Doch auch die Vorteile des Systems werden deutlich: Die thermodynamische Trägheit des Aufwindkraftwerks und die Nutzung der Globalstrahlung ermöglichen einen kontinuierlichen Betrieb über den Tag und puffern selbst abrupte Angebotsschwankungen gut ab; auch bei bewölktem Himmel kann die Anlage bei verminderter Leistung durchgehend betrieben werden. Weil der Kollektorboden wie ein natürlicher Energiespeicher arbeitet, liefert das Kraftwerk auch bei Dunkelheit immerhin noch zwischen 5 und 15 % des Stroms. Der Boden wird mit der Zeit jedoch so hell, daß eine Bitumenschicht aufgespritzt werden muß. 1987 wird außerdem mit einer tiefschwarzen Folie experimentiert, die eine Temperaturerhöhung um etwa 7°C erbring, was eine Steigerung der Stromausbeute um rund 30 % bedeutet. Insgesamt erzielt die Anlage eine Durchschnittsleistung von rund 54 kW.

Bei einem Orkan im Februar 1989 stürzt die inzwischen von Rost geschwächte Kaminröhre jedoch um und beendet damit den Versuchsbetrieb. Allerdings war diese Versuchsanlage ursprünglich nur für einen zwei- bis dreijährigen Testbetrieb ausgelegt und hatte somit schon längst ihre Schuldigkeit getan. Das BMFT hatte rund 10 Mio. DM (andere Quellen sprechen von 16 Mio.) in diesen Versuch gesteckt, eine ergänzende Finanzierung, die das Projekt auf halber Streckte rettete, erfolgte durch die spanische ‚Union Electrica’.

Kurze Zeit später meldet Libyen Interesse an einer Zusammenarbeit, wird jedoch von den Bonner Beamten, die eine 50 % betragende Mitfinanzierung versprechen, als ’nicht adäquater Partner‘ abgelehnt (?!). Schlaich präsentiert seinerseits Planungen für ein 200 MW Großkraftwerk, das einen Kollektordurchmesser von 5 km sowie einen Kamin von 1.000 m Höhe und einem Durchmesser von 180 m haben soll. Die Gesamtkosten werden auf 1,34 Milliarden DM geschätzt.

1997 geht die Information durch die Presse, daß dieses 200 MW Kraftwerk in der Wüste des indischen Bundesstaates Rajastan gebaut werden soll, allerdings mit einem 6 – 7 km durchmessenden Dach. Um den Nachtbetrieb zu optimieren, sollen mit Wasserbefüllte Matten oder Schläuche tagsüber die Sonnenenergie speichern und in den Nachtstunden wieder abgeben. Der Auftrag geht an den Unternehmer Daya Senanayake aus Sri Lanka (Ceylinco Group), der bis 1999 mit dem Bau beginnen will. Problematisch gilt allerdings die Beschaffung des notwendigen Kredits von rund 1,3 Milliarden DM.

Auch die EXPO 2000 in Hannover soll ein 5 MW Aufwindkraftwerk der Firma Enercon erhalten, das mit 100 bis 200 m Höhe auch als Wahrzeichen dienen soll – leider fällt dieses Projekt späteren Sparmaßnahmen zum Opfer.

Planungen für Saudi-Arabien scheinen nie über das Stadium unverbindlicher Gespräche hinauszukommen. Dort soll es um 10 MW bis 100 MW Anlagen gehen, mit Abdeckungen von mehreren Quadratkilometern und Turmhöhen von 600 bis 800 m. Die Rotoren würden bei dieser Baugröße Durchmesser bis zu 100 m haben. Verhandlungen mit Ghana und Mexiko scheiterten ebenfalls.

Größere Chancen werden einem Projekt bei Buronga, 23 km nördlich des Städtchens Mildura eingeräumt, in der südwestlichen Ecke des australischen Bundesstaates New South Wales. In Tapio Station, einem früheren Umschlagplatz für Getreide und Rinder, soll das erste kommerzielle Aufwindkraftwerk der Welt Australiens Bilanz in Sachen Klimaschutz aufbessern.

Die Firma EnviroMission Ltd. in Melbourne – Lizenznehmer der Stuttgarter Firma Schlaich Bergermann und Partner – arbeitet seit 2001 an diesem Projekt und will ab 2008 mittels 32 Turbinen mit einer Leistung von insgesamt 200 MW elektrischen Strom produzieren, der die Stromversorgung von 200.000 Haushalten sichern soll.

Aufwindkraftwerk Mildura Grafik

Aufwindkraftwerk Mildura
(Grafik)

Bei der Mildura-Anlage mit Stahlbetonturmröhre und Stahl/Glas-Luftsolarkollektor (alternativ mit Kunststoffeindeckung) wird es sich um den weltweit höchsten Ingenieurbau handeln. Statt einer großen Windturbine im Schacht selbst sollen hier 32 Rotoren mit jeweils 6,25 MW Leistung ringförmig um den Kamin installiert werden. Rund 30 km² Glas oder transparentes Plastik und 400.000 Kubikmeter Beton muß die Firma verbauen, um den 1.000 m hohen und 130 m durchmessenden Schlot (damit wäre dieses gigantische Bauwerk das höchste auf unseres Planeten) sowie die dazugehörige Dachkonstruktion – Durchmesser 6 bis 7 km – zu errichten. Die Anlage wird damit eine Grundfläche von bis zu 38 km² bedecken. Durch Auslegen von geschlossenen Wasserschläuchen unter dem Kollektordach wird ein kontinuierlicher 24-Stunden-Betrieb garantiert. Die Wasserschläuche geben die tagsüber gespeicherte Wärme in der Nacht wieder ab.

Auf bis zu 35°C über Umgebungstemperatur soll die Luft unter dem leicht zur Mitte ansteigenden Treibhausdach von der einstrahlenden Sonne aufgeheizt werden und mit bis zu 55 km/h (= Windstärke 7) im Kamin nach oben jagen. Beim dortigen Lufteintritt wird mit einer Temperatur von 70°C gerechnet. Nach 15 Jahren Amortisations-Laufzeit könnte das auf 80 Betriebsjahre ausgelegte Projekt zur Goldgrube für die Investoren werden. Zusätzlich erhofft sich das Unternehmen Einnahmen aus dem Tourismus und will die äußeren 500 m unter dem Treibhausdach an Gemüsebauern verpachten. EnviroMission schätzt die Kosten für das geplante Kraftwerk auf rund 400 Mio. €.

2004 wird am Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) ein animierter Clip über das Mildura-Projekt hergestellt, den man sich unbedingt einmal anschauen sollte!

Der australische Sydney Morning Herald meldet im Dezember 2005 allerdings, daß die Planungen inzwischen modifiziert wurden und der Turm statt 1.000 m nur noch 400 m hoch werden soll, um die Kosten auf 250 Mio. $ zu senken. Im Oktober 2006 verlautet dann, daß der Baubeginn nun Anfang 2007 in Tapio Station, dem neuen Errichtungsort, stattfinden soll.

Dem aktuellen Stand Anfang 2009 zufolge befindet sich das Mildura-Projekt weiterhin mit seinen ursprünglichen Abmessungen in Planung. Im April 2009 startet EnviroMission die erste Finanzierungsrunde, und ein Monat später wird in Phoenix, Arizona, die US-Tochterfirma EnviroMission (USA) Inc. gegründet, die anschließend unter dem Label SolarMission agiert.

Ich werde die weitere Entwicklung jedenfalls aufmerksam verfolgen und hier protokollieren…

Bereits 2001 wird eine kleinere Variante des Aufwindkraftwerks aus der Schweiz bekannt, das in Städten für eine zusätzliche, energie-autonome Luftzirkulation sorgen soll. Der Solar City Air Filtre (SCAF) könnte auf großen Plätzen oder Straßenrondells errichtet werden. Ein Funktionsmodell wird 2005 an der Technischen Universität von Lausanne vorgestellt, und 2006 wird die SCAF Project Association gegründet um Sponsoren für den Bau eines Prototyps zu suchen.

Tiefe Tagebaugruben wiederum wollen A. Di Bella von der Northeastern University und der Elektroingenieur Jonathan Gwiazda nutzen. Ihr ab 2001 entwickeltes Power Tube Projekt besteht aus der Integration eines Solarkonzentrators mit einem bzw. mehreren Aufwindkraftwerken. Statt jedoch teuren Hochbau zu betreiben, schlagen die Autoren in ihrem 2003 zum Patent angemeldeten Konzept vor, natürliche sowie von Menschen gemachte geologische Gegebenheiten zu nutzen.

Um den Rand der riesigen Gruben sollen Heliostate aufgestellt werden um den Wärmeeintrag zu steigern, durch den in den schräg nach oben gerichteten Röhren starke Aufwärtsströmungen entstehen. Als weitere Wärmequellen werden die Geothermalenergie oder die Abwärme von Müllverbrennungsanlagen aufgezählt. Eine Abbildung des Konzepts befindet sich im Kapitel über Sonnentürme (s.d.).

Eine Variante des solaren Aufwindkraftwerks in Pyramidenform stammt von der 1983 gegründeten MSC Power Corp. Ltd. aus Singapur, die sich seit 1997 auch mit erneuerbarer Energie beschäftigt. Die mit Solarpaneelen verstärkte multifunktionale Anlage soll bis 36 MW Strom erzeugen und gleichzeitig auch noch Wasser entsalzen. Eine 10 MW Pyramidenanlage wäre rund 45 m hoch und hätte eine Grundfläche von 2.500 m2, inklusive der zugeschalteten Entsalzungsanlage.

Die Patentierung wird im April 2004 beantragt und die von privaten Investoren aus dem Nahen Osten und Asien finanzierte MSC plant die Errichtung einer 10 Mio. $ kostenden 5 MW Versuchsanlage in Puna nahe Mumbai, die im Juni 2006  in Betrieb gehen sollte – was sich vermutlich jedoch verzögert hat, da es keinerlei aktuellere Informationen über diese Projekt gibt.

MSC Solar-Pyramide Grafik

MSC Solar-Pyramide (Grafik)

Ende 2005 baut und testet das Ministry of Science and Technology in Botswana zwei Monate lang ein kleines Aufwindkraftwerk-Modell mit einem 22 m hohen Kamin von 2 m Durchmesser und einer Kollektorfläche von 160 m2.

Im Februar 2006 wird ein europäisches 40 MW Projekt unter dem Namen Ciudad Real Torre Solar bekannt. Der 750 m hohe Stahlbeton-Turm nahe dem spanischen Dorf Fresno Fuente auf halbem Wege zwischen Toledo und Ciudad Real soll eine Kollektorfläche von 250 Hektar bekommen und die Stromversorgung von 25.000 Haushalten sichern. Das Projekt wird von dem Ingenieurbüro Camp 3 in Zusammenarbeit mit der Universität von Castilla – La Mancha (UCLM) durchgeführt. Der Baubeginn des 240 Mio. € teuren Aufwindkraftwerks soll im Frühjahr 2007 sein, drei Jahre später könnte es in Betrieb gehen. Ein interessantes Detail am Rande: An der Spitze des Turmes soll ein Aussichtspunkt eingerichtet werden.

Im November 2007 schlägt Dr. Alan Williams unter dem Namen solar nozzle eine strömungstechnische Verbesserung bei Aufwindkraftwerken vor, bei welcher der Neigungswinkel der Kollektorfläche in Richtung auf den zentralen Kamin wesentlich stärker ausgeprägt ist.

Auch an der chinesischen University of Shanghai for Science and Technology beschäftigt man sich mit Aufwindkraftwerken, wie der Veröffentlichung ,Simulation Calculation on Solar Chimney Power Plant System (SCPPS)’ von 2007 zu entnehmen ist.

Im August 2008 wird der Plan bekannt, in Namibia für gut 900 Mio. $ ein 1.500 m hohes und 280 m durchmessendes 400 MW Aufwindkraftwerk zu errichten. Damit könnte der gesamte Elektrizitätsverbrauch der Hauptstadt Windhoek gedeckt werden. Immerhin scheint dort an 300 Tagen im Jahr die Sonne. Der Greentower soll aus Stahlbeton errichtet werden, den eine 37 km2 große landwirtschaftlich genutzte Kollektorfläche umgibt. Der Nachtbetrieb wird durch die tagsüber erfolgende Wärmespeicherung in jenem Wasser gesichert, das nachts zur Bewässerung der Anbaupflanzen eingesetzt wird.

In das Projekt involviert sind der Initiator, der Physiker Wolf-Walter Stinnes aus Pretoria, das pan-afrikanische Patentverwertungsunternehmen Hahn & Hahn aus Hatfield sowie die südafrikanische Stellenbosch University. Stinnes hatte sich bis 2000 bereits mit einer Machbarkeitsstudie für eine ähnliche Anlage in der Kalahari-Wüste beschäftigt. Die Technologie sei damals allerdings noch nicht konkurrenzfähig gewesen.

Über den genauen Standort oder die Terminplanung ist bislang noch nichts Näheres bekannt. Die Namibische Regierung hat alledings zugesagt, die Hälfte der Gesamtkosten für eine aktuelle Machbarkeitsstudie von 780.000 $ zu übernehmen.

Namibia Aufwindkraftwerk (Grafik)

Namibia Aufwindkraftwerk
(Grafik)

Ende 2008 stellt Michael Pesochinsky sein (bislang theoretisches) Konzept Superchimney vor. Ein derartiger Gigant von 5 km Höhe und mit 1 km Durchmesser soll etwa 330 GW (!) Strom erzeugen können – und aufgrund der Kondensation der oben austretenden Warmluft auch noch als Regenmaschine funktionieren.

Eine weitere Variante der Aufwindkraftwerke bildet der meerbasierte ‚MegaPower’-Turm, der von der niederländischen Energie- und Umweltbehörde Novem untersucht wird. Ich stelle ihn ausführlich unter den Meereskraftwerken vor (s.u. Temperaturgradient).

Interessant ist auch der Vorschlag von Christos Papageorgiou, der den Turm nicht aus Metallrohren oder gar Stahlbeton, sondern aus beweglichen ‚Leichter-als-Luft’-Strukturen gestalten möchte – daher der Name ‚Floating Solar Chimney’, der sich später zu ‚Solar Aero-Electric Power Plant’ (SAEPP) wandelt.

Der Kamin ist von heliumbefüllten Ringen umgeben, die ihm den nötigen Auftrieb verschaffen, während eine mit Druckluft gefüllte Trägerstruktur für seine Stabilität sorgt. Am Boden befindet sich eine blasebalgartige, flexible Kupplung, die dem Turm erlaubt, sich dem Wind anzupassen. Eine 100 MW Anlage mit einem beweglichen Kamin von 2 – 3 km Höhe und 50 – 85 m Durchmesser soll nur 35 – 70 Mio. € kosten. Der umgebende Kollektor würde einen Durchmesser von ebenfalls 2 – 3 km haben.

Ein ähnliches Konzept aus Leichtmaterialien stammt von Pierre Benhaiem, der uns schon bei den Darrieus-Rotoren begegnet ist und der sich mit Solarballonen beschäftigt.

Die ganz besonders eigene Beschreibung eines Aufwindkraftwerke findet sich in dem kuriosen Roman von Haruki Murakami ‚Hard-boiled Wonderland und das Ende der Welt’. Dort steigt regelmäßig alle drei Tage ein starker Wind aus den Tiefen der Erde hinauf und treibt dabei den Generator an, der die Stadt mit Strom versorgt…

Abwindkraftwerk

Diese Idee des downdraft energy tower geht ursprünglich auf den amerikanischen Physiker und Lockheed Aircraft Corp.-Mitarbeiter Phillip R. Carlson aus Pasadena im Jahr 1965 zurück, wobei das US-Patent erst 1974 durch das im kalifornischen Burbank ansässige Unternehmen beantragt wird. 1975 wird es unter der Nr. 3894393 und dem Titel Power generation through controlled convection (aeroelectric power generation) erteilt.

Lockheed-Patent

Lockheed-Patent

1993 wird das Konzept von dem israelischen Technion-Ingenieur Dan Zaslavsky aufgegriffen. Im Juni berichtet das Wall Street Journal von einer entsprechenden Anfrage beim israelischen Industrieministerium, das 5 Mio. $ für erste Forschungen zur Verfügung stellen soll. Anschließend soll eine 90 MW Pilotanlage für rund 25 Mio. $ die Modellrechnungen belegen. Diese, inzwischen als Sharav Sluice Energy Tower bezeichnete Anlage würde einem Turm von 1.000 m Höhe und einen Durchmesser von 400 m besitzen.

Das Prinzip ist einfach: Am Kopf des Turmes versprühen Düsen etwa drei Kubikmeter Meerwasser pro Sekunde. Das Wasser verdunstet, wobei die Luft abkühlt und in dem Schacht hinunterströmt. Am Boden sollen der Fallwind eine Geschwindigkeit von bis zu 80 km/h erreichen und Turbinen antreiben.

Eine Anlage der genannten Größe würde 40 bis 80 Milliarden kWh Strom erzeugen. Allerdings geht etwa ein Drittel bis die Hälfte dieser Leistung für den Betrieb der Pumpen verloren, mit denen das zur Verdunstung notwendige Meerwasser in die Höhe gefördert werden muß. Weitere Probleme verursacht das im Wasser gelöste Salz – man rechnet mit rund 300 t Salz pro Stunde, die mit riesigen Förderanlagen weggeschafft werden müßten.

2002 beantragen Zaslavsky und seine Kollegen ein US-Patent, das sie 2003 auch erteilt bekommen (Nr. 6647717). Der komplizierte Name lautet: Renewable resource hydro/aero-power generation plant and method of generating hydro/aero-power. Anschließend werden an der Technischen Universität Haifa in einem fünfstöckigen Gebäude über 100 Versuche an Modellen von bis zu 21 m Höhe und 2 m Durchmessern durchgeführt.

Danach hört man erst Anfang 2008 wieder etwas über das Abwindkraftwerk: In der Presse wird gemeldet, daß ein amerikanischer Konzern das Zaslavsky-Patent, das inzwischen unter dem Namen Sharav-Tower bekannt wird, kaufen will.