Zur Diskussion: Zwei Drittel mehr Windstrom durch Kombiturbine

Zur Diskussion gestellt: Neue Konzepte zur Erhöhung des Ertrags von WEA (Grafik: Hurnik)
Zur Diskussion gestellt: Neue Konzepte zur Erhöhung des Ertrags von WEA (Grafik: Hurnik)
08.01.2018

Seit Beginn der Stromerzeugung mittels Windenergie werden die Windräder immer größer. Mit ständiger Verschärfung der Genehmigungskriterien wird die Akzeptanz von Windrädern immer kleiner (siehe Abstandsregelung H 10-Limit). Wann die Genehmigbarkeit von Standorten ausgereizt sein wird, ist heute nicht abzusehen, auf jeden Fall ist sie aber endlich.

Zur Verbesserung der Standortausnutzung sollen zwei Ideen zur Diskussion gestellt werden. Die Standortausnutzung ließe sich mit zwei unterschiedlichen Maßnahmen deutlich steigern:

  1. Zusätzliche Karussellturbinen mit dem Mast eines herkömmlichen Windrades als Achse
  2. Koaxiale Anordnung eines zweiten, leeseitigen Propellers

Karussellturbine

Beim Betrachten einer modernen Windenergieanlage muss sich die Frage aufdrängen: „… so ein gigantischer Mast und an seinem oberen Ende dreht sich einsam ein dreiflügeliger Propeller;  - ist der Mast damit voll ausgenutzt?“ Ließen sich an dem riesigen Propellerträger nicht noch zusätzlich andersgeartete „Windmelkmaschinen“ installieren? (siehe auch Vestas-Multirotor-Windturbine)

Bis vor kurzem wurden z.B. auf Autos, Waggons und Schiffen Karussellturbinen verwendet, die vom Fahrtwind angetrieben wurden, zum Antrieb von Lüftern, die den Innenraum kühl halten sollten. Die Funktionsfähigkeit dieses Prinzips ist praxiserprobt. Die Karussellturbine ist von der Funktion her eine Widerstandsturbine. Durch die unterschiedliche Formgebung von Vor- und Rückseite der Schaufeln werden durch die Luftströmung unterschiedlich große Kräfte auf die Schaufeln erzeugt und das Turbinenrad dreht sich in Richtung der größeren Kraftwirkung (Prinzip Anemometer).

Der Wirkungsgrad dieser Art von Turbinen mag weit unter dem einer „Propellerturbine“ liegen, ist aber vor dem Ziel der Erhöhung der Standortausnutzung bei der Windstrom-Erzeugung eher zweitrangig, da das Betriebsmittel Wind kostenlos und quasi unbegrenzt zur Verfügung steht.

Es kann wohl davon ausgegangen werden, dass die Anordnung der Turbinenkränze unterhalb des Propellerkreises, wobei der Mast die Achse darstellt, den Betrieb des Windrades nicht beeinflussen würde. Hinsichtlich ihrer Lagerung und der „Stromernte“ wäre Neuland zu betreten. Aber auch hier wäre moderne, aber bereits erprobte Technik vorhanden. So ließen sich die Turbinenräder auf den am Mast befestigten Trag- und Führungsringen mittels Magnetfeld berührungslos lagern und auch der über Induktion erzeugte Strom mittels Lineargenerator abnehmen. Sowohl die Lagerung auf einem Magnetfeld als auch die Stromerzeugung mittels Lineargenerator sind bei der Magnetschwebebahn verwirklicht und haben sich in jahrelangem Dauerbetrieb bestens bewährt. Die durch die Rotation auf den Mast wirkenden Drehmomente ließen sich durch entgegengesetzte Drehrichtungen der Turbinenräder kompensieren.

Zweiter, koaxial angeordneter Propeller

Der derzeit erreichte Wirkungsgrad eines herkömmlichen Windrades liegt zwischen 40 % und 45 % (Maximum nach Beetz 59,3 %). Die Differenz zu 100 % resultiert aus Verlusten durch Reibung und Wirbelbildung an den Flügeln, zum größten Teil aber aus der ungenutzten Strömungsenergie des abströmenden Windes. Mit der Installation eines zweiten Propellers auf der Leeseite des Mastes ließen sich 40 % bis 45 % der noch vorhandenen Strömungsenergie der abströmenden Luft „ernten“.

Mit Hilfe dieser Technologie lässt sich auch der erforderliche Rotordurchmesser verringern. Dieser Effekt wäre interessant im Hinblick auf das 10 H-Limit bei Windrädern. Bei der Verwendung des zweiten Propellers beim Kombiwindrad soll ein möglichst großer Teil der noch im abströmenden Wind enthaltenen Strömungsenergie genutzt werden.

Der zweite Propeller erhält, bezogen auf den ersten Propeller, durch entgegengesetzte Anstellwinkel der Rotorblätter und durch spiegelbildliche Ausführung des Querschnittes des Propellerblattes auch eine entgegengesetzte Drehrichtung. Neben strömungstechnischen Vorteilen dieser Gegenläufigkeit ergeben sich auch Vorteile bei der Generierung der elektrischen Energie.

Für die effektive Nutzung der gegenläufigen Drehrichtungen ist ein spezieller Generator erforderlich, bei dem auch die in einem herkömmlichen Generator im Stator angeordneten Spulen rotieren. Die Gegenläufigkeit von Rotor und „Stator“ entspricht einer Verdoppelung der Drehzahl und damit einer Verdoppelung der Induktionswirkung. Ein Getriebe zur Drehzahlerhöhung könnte deshalb entfallen.

Statische Belange

Der zusätzliche Propeller und die Karussellturbine bedeuten eine Erhöhung von Gewichtslast und Windkraft, die bei der Ausführung von Mast und Fundament zu berücksichtigen sind. In Bezug auf die Karussellturbine rücken natürlich auch andere Turmbauten (Fabrikschlote, Kühltürme usw.) in den Fokus der Energiegewinnung.

Abschätzung des Umfanges des Energiebeitrages der Idee “Kombiturbine“

Der Ansatz für die Abschätzung ist der Vergleich mit einer 3-MW-Monoturbine. Bei gleichem Wirkungsgrad generiert der leeseitige Propeller 1,8 MW aus der restlichen Strömungsenergie. Da für die Karussellturbine kein Vergleichsobjekt existiert, kann in dieser Betrachtung nur eine sehr grobe Abschätzung erfolgen. Um zu einem konservativen Ergebnis zu kommen, wird ein Stromzugewinn aus beiden Maßnahmen von insgesamt 2 MW angenommen. Das bedeutet, aus einer 3-MW-Monoturbine ist eine 5-MW-Kombiturbine geworden, was eine Steigerung von Zwei Drittel an Stromausbeute bedeutet.

Apell zur Bewertung der Idee „Kombiturbine“

Diese erste Abschätzung eines zu erwartenden Stromzugewinns sollte eine seriöse Bewertung der Idee „Kombiturbine“ durch die Fachwelt rechtfertigen. Dass es ohne innovative Ideen keine Weiterentwicklung der Technik geben kann, ist eine triviale Feststellung. Aber genauso wichtig wie das Finden neuer Ideen, ist ihre Beförderung auf die Entscheidungsebenen der entsprechenden Institutionen! Möge dieser Aufsatz eine erfolgreiche Wirkung auslösen!

Dieter Hurnik

Der Autor war in der Energiebranche tätig, bezeichnet sich aber mit Blick auf die Windstromerzeugung als Laie. Die Darstellung seiner Idee ist als Denkanstoß für die Entwicklungsabteilungen von Herstellern von Windkraftanlagen gedacht. Hochschulen könnten die Idee aufgreifen und aus ihr Themen für studentische Arbeiten (Bachelor-, Masterarbeiten) formulieren, oder Ideen für Forschungsprojekte gewinnen. Kontakt: Dieter-Hurnik@web.de

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