Eine neuartige Kleinwindanlage zeigt bemerkenswerte Effizienz selbst bei geringen Windstärken, was vor allem ihrer innovativen Leichtbauweise und speziellen Rotorform zu verdanken ist.
Die grundlegende Herausforderung bei solchen Anlagen besteht darin, dass sie trotz kompakter Rotoren auch bei schwachem Wind zuverlässig Strom erzeugen müssen. Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP beschäftigt sich intensiv mit dieser Problematik. „Unser Ziel ist es, die Kraft des Winds so wirksam wie möglich für die Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen“, erklärt Marcello Ambrosio vom IAP. Bereits vor drei Jahren entwickelte das Team spezielle Rotoren aus Faserverbundstoff.
Die Forschungsarbeit macht kontinuierlich Fortschritte: „Wir haben die aerodynamische Auslegung der Rotorblätter und das Fertigungsverfahren optimiert“, berichtet Ambrosio. Die Rotorblätter bestehen aus zwei Hüllen aus Faserverbundstoff in Leichtbauweise. Im Gegensatz zu gängigen Konstruktionen mit Schaumkern sind die neuen Rotoren innen hohl, wodurch das Gesamtgewicht laut Angaben des Teams um bis zu 35 Prozent reduziert wird.
Zur Kostensenkung haben die Wissenschaftler den Herstellungsprozess weitgehend automatisiert. Sie nutzen einen industriellen 3D-Drucker zur Formgebung der Rotorblätter. Eine automatisierte Anlage kleidet diese Form anschließend mit Faserstreifen aus und tränkt sie mit Harz. Dieses Verfahren garantiert nach Aussage der Forscher eine konstant hohe Qualität, minimiert Überlappungen im Vergleich zur manuellen Fertigung und ermöglicht schlankere Bauteile.
Beeindruckende Leistung
Das Resultat sind leichte Rotoren, die durch ihre besondere Konstruktion selbst geringe Windstärken effizient nutzen. Erste Windkanaltests zeigten, dass der Rotor bereits bei einer Windgeschwindigkeit von 2,7 Metern pro Sekunde – etwa zehn Kilometern pro Stunde – anläuft. Vergleichbare Systeme benötigen laut den Forschern eine Anlaufgeschwindigkeit von vier Metern pro Sekunde.
Bei den Tests erreichte das innovative Windrad bis zu 450 Umdrehungen pro Minute. Mit einer Leistung von 2.500 Watt bei einer Windgeschwindigkeit von zehn Metern pro Sekunde übertrifft es marktübliche Systeme um durchschnittlich 83 Prozent, wie Ambrosio und sein Team betonen. Die Anlage erreicht einen Wirkungsgrad von 53 Prozent. „Physikalisch sind maximal 59 Prozent möglich“, ordnet Ambrosio diese Werte ein.
Trotz ihrer Leichtigkeit sind die Rotoren dank ihres speziellen Schichtaufbaus robust genug für starke Windbelastungen. „Wir haben die einzelnen Schichten des Verbundwerkstoffs so gestaltet, dass sich die Rotorblätter bei Sturm elastisch verbiegen und aus dem Wind drehen“, erläutert Ambrosio. Diese Eigenschaft reduziert automatisch die Rotationsgeschwindigkeit und schützt vor Überlastung. Komplizierte Steuerungsmechanismen und aufwendige Technik werden dadurch überflüssig.
Praktische Anwendung
Die weitgehend automatisierte Produktion könnte zudem kostengünstige Herstellungsverfahren ermöglichen, was die Anlagen besonders für private Haushalte und kleinere Betriebe interessant macht. Aktuell werden erste Prototypen in Brandenburg installiert und getestet.
Neben der Photovoltaik gehört Windkraft zu den erneuerbaren Energien mit dem größten Zukunftspotenzial. Bislang konzentriert sich die Windenergienutzung hauptsächlich auf großformatige Anlagen und Windparks. Kleinere dezentrale Systeme könnten jedoch, ähnlich wie Solaranlagen, von Privatpersonen zur Stromerzeugung und sogar zur Wasserstoffproduktion für Heizzwecke eingesetzt werden.
Kompakte Windräder in entsprechender Bauweise sind allerdings noch selten verfügbar. „Effiziente Kleinwindanlagen leisten einen wichtigen Beitrag für eine unabhängige Energieversorgung“, betont Raúl Comesaña Macias von der BBF Gruppe. Als Projektentwickler und Bauunternehmen beteiligt sich die Gruppe an einem Pilotprojekt, bei dem fünf Prototypen der Kleinwindanlage an verschiedenen Standorten in Brandenburg errichtet werden sollen.
Diese Installation soll Aufschluss darüber geben, wie Standortwahl und Anlagenhöhe die Effizienz beeinflussen. Als nächsten Entwicklungsschritt plant das Forschungsteam weitere Verbesserungen an den Rotoren.
Zusätzlich soll untersucht werden, ob die Leichtbaustrukturen statt aus Verbundstoffen auch aus Monomaterial hergestellt werden können. Solche Komponenten lassen sich einfacher recyceln und verbessern die Umweltbilanz der Leichtbaustrukturen.
