Die Windenergie ist in den USA auf dem Vormarsch; die Kapazität der erneuerbaren Energien hat sich in den letzten neun Jahren mehr als verdreifacht, und Wind- und Solarenergie sind weitgehend dafür verantwortlich. Jetzt wollen Unternehmen noch mehr Windenergie nutzen, und zwar zu einem günstigeren Preis – und eine der besten Möglichkeiten, die Kosten zu senken, ist der Bau größerer Turbinen. Deshalb entwirft ein Bündnis von sechs Institutionen unter der Leitung von Forschern der University of Virginia die größte Windturbine der Welt mit einer Höhe von 500 Metern – fast eine halbe Meile hoch und etwa 57 Meter höher als das Empire State Building.
Turbinen sind bereits deutlich größer als noch vor 15 oder 20 Jahren. Die Größe variiert, aber die typischen Windkrafttürme von heute sind etwa 70 Meter hoch und die Flügel etwa 50 Meter lang. Die Leistung hängt von der Größe und Höhe ab, liegt aber in der Regel zwischen einem und fünf Megawatt – am oberen Ende reicht das aus, um etwa 1.100 Haushalte mit Strom zu versorgen. „Der Grund für den Einsatz größerer Windturbinen ist vor allem wirtschaftlicher Natur“, erklärt John Hall, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University at Buffalo, S.U.N.Y. Ein Grund dafür, dass riesige Turbinen kostengünstiger sind, ist, dass der Wind in größeren Höhen stärker und gleichmäßiger weht. Daher „fängt man mit einer höheren Struktur mehr Energie ein“, sagt Eric Loth, Projektleiter des Massivturbinenprojekts, das von der Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) des US-Energieministeriums finanziert wird.
Ein weiterer Grund, warum Windexperten sagen, dass größer besser ist: Längere Turbinenblätter fangen den Wind auch effizienter ein, und höhere Türme ermöglichen längere Blätter. Die Leistung einer Turbine steht in direktem Zusammenhang mit ihrer „überstrichenen Fläche“, d. h. der kreisförmigen Fläche, die von den rotierenden Flügeln überstrichen wird, erklärt Christopher Niezrecki, Professor für Maschinenbau und Leiter des Zentrums für Windenergie an der University of Massachusetts Lowell. Und diese Beziehung ist nicht linear – wenn sich die Länge der Flügel verdoppelt, kann eine Anlage viermal so viel Energie erzeugen, erklärt Niezrecki. Er weist darauf hin, dass größere Turbinen auch eine niedrigere „Einschaltgeschwindigkeit“ haben, d. h. die Windgeschwindigkeit, bei der sie mit der Energieerzeugung beginnen können.
Loths Team will eine 50-Megawatt-Anlage mit 200 Meter langen Flügeln entwickeln, die viel größer sind als die heutigen Windturbinen. Wenn die Forscher Erfolg haben, wäre die Turbine zehnmal leistungsfähiger als bestehende Anlagen. Die Wissenschaftler wollen aber nicht einfach nur herkömmliche Konstruktionen überdimensionieren, sondern die Struktur der Turbine grundlegend verändern. Die ultragroße Maschine wird zwei statt der üblichen drei Schaufeln haben, was das Gewicht der Struktur verringert und die Kosten senkt. Loth sagt, dass die Verringerung der Anzahl der Schaufeln normalerweise die Effizienz einer Turbine verringern würde, aber sein Team verwendet ein fortschrittliches aerodynamisches Design, das diese Verluste weitgehend ausgleicht.
Das Team stellt sich diese gigantischen Strukturen auch mindestens 80 Kilometer vor der Küste vor, wo die Winde in der Regel stärker sind und wo Menschen an Land sie weder sehen noch hören können, so Loth. Aber starke Stürme treffen auch solche Orte, zum Beispiel an der Ostküste der USA im Atlantischen Ozean, und so stand das Team von Loth vor dem Dilemma, etwas Massives zu schaffen, das gleichzeitig relativ leicht und dennoch widerstandsfähig gegen Wirbelstürme ist. Um das Problem zu lösen, griffen die Forscher auf eine von der Natur selbst entwickelte Lösung zurück: Palmen. „Palmen sind sehr groß, aber strukturell sehr leicht, und wenn der Wind stark bläst, kann sich der Stamm biegen“, sagt Loth. „Wir versuchen, das gleiche Konzept zu verwenden – unsere Windturbinen so zu konstruieren, dass sie flexibel sind, sich biegen und an die Strömung anpassen können.“
Bei der Konstruktion des Teams befinden sich die beiden Flügel im Windschatten des Turms der Turbine und nicht wie bei herkömmlichen Turbinen im Windschatten. Außerdem ändern die Flügel ihre Form mit der Windrichtung, ähnlich wie eine Palme. „Wenn sich die Flügel in einem windabgewandten Winkel zurückbiegen, muss man sie nicht so schwer und stark bauen und kann daher weniger Material verwenden“, erklärt Loth. Diese Konstruktion verringert auch die Gefahr, dass starke Winde ein sich drehendes Blatt in Richtung des Turms biegen und so die gesamte Struktur zum Einsturz bringen. „Die Blätter passen sich an hohe Geschwindigkeiten an und falten sich ein, so dass weniger dynamische Kräfte auf sie einwirken“, sagt Loth. „Wir möchten, dass unsere Turbinen bei Windgeschwindigkeiten von mehr als 253 Kilometern pro Stunde arbeiten können“. Ab einer Windgeschwindigkeit von 80 bis 95 Stundenkilometern würde sich das System abschalten und die Flügel würden sich vom Wind wegbiegen, so dass sie heftigen Böen standhalten könnten, fügt Loth hinzu.
Die 500-Meter-Turbine steht immer noch vor Herausforderungen – es gibt gute Gründe dafür, dass noch niemand eine Turbine in dieser Größe gebaut hat: „Wie stellt man 200 Meter lange Schaufeln her? Wie setzt man sie zusammen? Wie baut man einen so hohen Turm auf? Kräne reichen nur bis zu einer bestimmten Höhe. Und bei Offshore-Windkraftanlagen gibt es zusätzliche Komplikationen“, sagt Niezrecki. Der Entwurf des Teams sieht ein segmentiertes Blatt vor, das vor Ort zusammengebaut werden könnte, aber Niezrecki stellt fest, dass die Windindustrie noch nicht ganz herausgefunden hat, wie man die Blätter segmentieren kann. „Es gibt noch eine Menge Forschungsfragen zu klären“, sagt er. „Es ist definitiv ein hohes Risiko, aber es gibt auch das Potenzial für hohe Gewinne. Ich glaube nicht, dass diese Probleme unüberwindbar sind“. Hall fragt sich auch, ob eine so große Turbine die optimale Größe ist. „Wir stellen fest, dass größer besser ist. Die Frage ist nur, wie viel größer? Wir müssen den optimalen Punkt finden“, sagt er. „
Loth und sein Team müssen noch einen Prototyp testen; sie entwerfen derzeit die Struktur und das Steuersystem der Turbine und bauen in diesem Sommer ein Modell, das viel kleiner ist als die echte Turbine – etwa zwei Meter im Durchmesser. Im nächsten Sommer soll eine größere Version mit zwei 20 Meter langen Schaufeln gebaut werden, die weniger als ein Megawatt Leistung erzeugen und in Colorado getestet werden soll. Loth selbst ist sich nicht hundertprozentig sicher, dass die Mammutturbine seines Teams Wirklichkeit wird, aber er ist sich sicher, dass es einen Versuch wert ist. „Dies ist ein sehr neues Konzept, daher gibt es keine Garantie, dass es funktionieren wird“, sagt er. „Aber wenn es funktioniert, wird es die Offshore-Windenergie revolutionieren.“