Sonnenkollektoren auf den Dächern von Wohnhäusern und anderen Gebäuden sind in den USA ein immer häufigerer Anblick. Aber Windräder haben sich dort nie durchgesetzt. Frühere Versuche, die turmhohen Windkraftanlagen so weit zu verkleinern, dass sie auf ein Haus passen könnten, litten dafür unter zu vielen technischen Problemen. Doch jetzt könnte eine neue Konstruktion diese Probleme umgehen, indem sie dasselbe physikalische Prinzip nutzt, das Auftrieb am Flugzeugflügel erzeugt.

Insgesamt haben die Erneuerbaren Energien in den USA in den vergangenen Jahren einen stetig wachsenden Anteil der Elektrizität erzeugt. Die Windkraft hat dabei eine wichtige Rolle gespielt. Sie liefert mehr als 40 Prozent des Ökostroms in den Vereinigten Staaten (was allerdings nur sieben Prozent der gesamten Stromerzeugung entspricht). Während Solarzellen nur tagsüber Energie sammeln, können Windturbinen die ganze Nacht über an jedem Ort mit den richtigen Bedingungen laufen – in Ebenen oder auf sanften Hügeln mit ausreichenden Windgeschwindigkeiten. Allerdings benötigen große Turbinen viel Platz, der in der Nähe von Städten und Ortschaften nicht immer zur Verfügung steht. Die Installation von Windkraftanlagen auf Häusern und Gebäuden in Städten könnte dazu beitragen, mehr von dieser Ressource zu nutzen.

Bei der Windkraft kommt es auf die Größe an. Die Energiemenge, die eine einzelne Turbine erzeugen kann, ist proportional zu der Fläche, die von ihren Blättern überstrichen wird. Geräte, die klein genug sind, um auf ein Dach zu passen, sind also weniger leistungsstark. „Was den Durchbruch dezentraler Windkraftanlagen verhindert hat, ist, dass die meisten Systeme im Grunde miniaturisierte Windturbinen sind“, sagt Brent Houchens, ein Maschinenbauingenieur am Sandia National Laboratories, einer Forschungseinrichtung des US-Energieministeriums. Die kleineren Geräte produzieren nicht genug Energie, um kosteneffizient zu arbeiten. Außerdem erzeugen ihre sich schnell drehenden Flügel laute Vibrationen, und ihre vielen beweglichen Teile sind anfälliger für Verschleiß. Verglichen mit Solarpaneelen auf Dächern sind Windturbinen meist recht wartungsintensiv.

Eine Animation des AeroMINE-Systems:

Vorbild Flugzeug

Houchens und seine Kollegen glauben, eine Lösung gefunden zu haben, die diese Hindernisse überwindet: Indem sie sich ein grundlegendes Prinzip des Fliegens zunutze machen. Die gekrümmte Form eines Flugzeugflügels – genannt Tragfläche – verändert den Luftdruck auf beiden Seiten des Flügels und erzeugt letztlich Auftrieb. Houchens Kollege Carsten Westergaard, Präsident von Westergaard Solutions und Maschinenbauingenieur an der Texas Tech University, sagt, er habe zwei Tragflächen so aneinandergehängt, dass „die Strömung von einer Tragfläche die Wirkung der anderen Tragfläche verstärkt und sie zusammen mehr leisten“. Ausgerichtet wie zwei senkrecht stehende Flugzeugflügel, ist das Tragflächenpaar direkt dem Wind zugewandt. Streicht der Wind an den Tragflächen vorbei, baut sich zwischen ihnen ein Unterdruck auf und lässt Luft durch Schlitze in ihren teilweisen hohlen Körpern nachströmen. Diese Luftbewegung dreht eine kleine Turbine, die in einer Röhre untergebracht ist, und erzeugt Strom.

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Dank dieser Konstruktion kann das Gerät, das die Forscher AeroMINE nennen („MINE“ steht für Motionless, Integrated Extraction, bewegungslose, integrierte Extraktion), Windenergie von einer größeren Fläche nutzen, als es Turbinenblätter allein in einer herkömmlichen Anordnung könnten; diese Fläche entspricht der rechteckigen Öffnung des AeroMINE. Houchens vergleicht die Standardturbinen mit Keksausstechern, die Teigreste hinterlassen. Das neue Gerät nutzt den gesamten verfügbaren Wind, dadurch leistet es mehr.

Die AeroMINEs erzeugen auch nicht die gleichen Vibrationen und Geräusche wie normale Turbinen; sie sind „leiser als ein Ventilator“, sagt Westergaard. Dank der relativ einfachen Konstruktion gibt es weniger bewegliche Teile, bei denen Störungen auftreten können. Die Turbine, die im Gebäude untergebracht ist, wäre im Reparaturfall leichter zugänglich. Durch diese Anordnung können zudem weder Menschen noch Tieren mit den Schaufeln in Kontakt geraten. Das Team hat das System so entworfen, dass es sich zusammen mit Solarpaneelen auf Dächern verwenden und an das bestehende Leitungsnetz anschließen lässt, um die erzeugte Energie zu nutzen.

Ab Juni Praxistests

„Ich denke, diese Technologie könnte bahnbrechend sein“, sagt Luciano Castillo, ein Maschinenbauingenieur an der Purdue University im US-Bundesstaat Indiana. Er ist nicht am Projekt beteiligt, hat aber in der Vergangenheit mit Westergaard zusammengearbeitet. Aus seiner Sicht macht die einfache Konstruktion der AeroMINE sie zu einer guten Lösung für Entwicklungsländer, da die neuen Geräte keine speziellen Teile oder Werkzeuge benötigen und relativ einfach zu reparieren sind. Castillo und Westergaard sehen beide das Potenzial, das Design unter Wasser zu nutzen, um auch die Energie der Gezeiten nutzbar zu machen.

Der Beitrag erschien zuerst im Guardian. EDISON publiziert ihn im Rahmen der Initiative Covering Climate Now, einem Zusammenschluss von mehr als 400 Zeitungen, Zeitschriften und Newssites weltweit, der die Berichterstattung über Wege aus der Klimakrise fördern will.

Jay Apt, Ko-Direktor des Carnegie Mellon Electricity Industry Center in Pittsburgh, der ebenfalls nicht an dem Projekt beteiligt ist, stimmt zu, dass die Einfachheit des Designs attraktiv ist. Er ist sich aber nicht sicher, ob sich das System skalieren lässt, um Energie effizient und zu ausreichend niedrigen Kosten im praktischen Einsatz zu erzeugen. Houchens sagt, er und seine Kollegen seien der Meinung, dass AeroMINEs bei geeigneten Windverhältnissen wettbewerbsfähig zu den derzeitigen Kosten von Solarstrom vom Dach sei.

Das Team, das Mittel von Sandia und dem US-Energieministerium erhielt, hat zur Optimierung des Entwurfs verkleinerte Modelle in Windkanälen erprobt. Im Juni wollen die Forscher eine vier Meter hohe Version des Geräts auf einem einstöckigen Gebäude in der Scaled Wind Farm Technology (SWiFT)-Anlage testen, die zum National Wind Institute der Texas Tech gehört.

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6 Kommentare

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    Einleuchtend! 🤔

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    „Während Solarzellen nur tagsüber Energie sammeln, können Windturbinen die ganze Nacht über an jedem Ort mit den richtigen Bedingungen laufen – in Ebenen oder auf sanften Hügeln mit ausreichenden Windgeschwindigkeiten.“
    Statt Schönfärberei zu versuchen, ist Sachlickeit und vor allem Klarheit einfacher und hilfreicher:
    Während Solarzellen nur bei ausreichender Sonneneinstrahlung Energie sammeln, sammeln Windturbinen nur bei ausreichendem Wind Energie.

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      Windkanalversuche sind ja wohl schon durchgeführt worden, aber die Entwickler schweigen sich über die Ergebnisse aus. Also abwarten, was die nächste, etwas größere Testanlage an Erkenntnissen bringt.
      Ob da wirklich spezifisch mehr bei rauskommt als bei den doch schon ziemlich ausgereiften konventionellen Windturbinen, ist für mich fraglich, da die Luftströmung, welche die Turbine antreibt, durch ein Kanalsystem geführt wird mit Wandreibung und Umlenkverlusten.
      Ich hoffe es gibt nach der nächsten Versuchsreihe hier eine detailliertere Folgeberichterstattung.
      Skeptisch verbleibend, Gerd Brummel

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    Als Erstes möchte ich hier gerne anmerken, dass wirklich jede moderne Windkraftanlage „dasselbe physikalische Prinzip nutzt, das Auftrieb am Flugzeugflügel erzeugt“. Der Auftrieb wird dabei am Rotorblatt erzeugt und dreht den Rotor.
    Auch den grundsätzlichen Vorteil bei der Nutzung eines rechteckigen Strömungsquerschnitts kann ich nicht erkennen. Das Beispiel mit den runden Keksausstechern ist ja grundsätzlich korrekt. Wenn ich aber eine Windkraftanlage auf meinem Dach installieren wollte, möchte ich bitte nur eine Anlage installieren. Und wenn ich nur einen Keks aussteche, ist der Teigrest bei einem rechteckigen Ausstecher gleich groß wie bei einem runden mit der gleichen Fläche.
    Der einzige Vorteil des AeroMINE Systems ist aus meiner Sicht die versteckte Anordnung der Turbine. Das verringert die Lärmabstrahlung, verhindert das viel gescholtene „Schreddern“ von Vögeln und Fledermäusen und gibt eine gewisse Freiheit für ein gefälligeres Design.
    Was die angeblich kleinere Anzahl beweglicher Teile angeht, möchte ich aber schon wieder Zweifel anmelden. Auch dieses System benötigt eine Turbine. Es muss in den Wind gedreht werden. Und wenn man Wert auf einen hohen Wirkungsgrad legt, muss das Turbinenrad und / oder die Düse (nichts anderes bilden nämlich die beiden „Tragflächen“) verstellbar sein.
    Da kann es schnell passieren, dass das System mehr bewegliche Teile erhält als die gute alte Western Mill. Und ob das AeroMINE System eine höheren Wirkungsgrad als selbige hat, muss sich erst noch herausstellen.

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      Einleuchtend! 🤔

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        Siegfried, es ist aber keine Lampe 🙂 🙂

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