Urbane Windkraftanlagen mit performanten Stahlrotorblättern

Auf einen Blick

• Bei der dezentralen Energieerzeugung im urbanen Raum spielt die Windenergie praktisch keine Rolle. Kleine Windenergieanlagen mit Vertikalachsrotoren sind wegen der hohen Herstellungskosten pro erzeugter Kilowattstunde nicht konkurrenzfähig.
• Im Projekt „Urbane Windkraftanlagen mit performanten Stahlrotorblättern“ entwickeln die Forschenden ein aerodynamisch verbessertes Design einer VAWT, das eine kosteneffiziente Herstellung ermöglicht.
• Ziel ist eine Windenergieanlage, die über aerodynamisch optimierte, günstig zu fertigende und recycelbaren Stahlrotorblätter sowie einen hohen elektrischen Wirkungsgrad verfügt und eine lange Betriebsdauer aufweist.
• Das Fraunhofer IWES ist in einem Teilprojekt für die Optimierung der Rotorblattgeometrie zur Effizienzsteigerung verantwortlich und wird diese numerisch und experimentell erarbeiten und validieren.

Herausforderung

Wenn es um die Energiewende in der Stadt geht, spielen Windenergieanlagen bislang keine große Rolle. Die moderne Anlagentechnik konzentriert sich auf horizontale Windenergieanlagen (HAWT) mit großen Rotorblättern, starken Generatoren und hohen Türmen, die im urbanen Raum keinen Platz finden. Kleine vertikale Anlagen (VAWT) hingegen, die sich aufgrund ihrer Größe und ihres Designs besser für die Nutzung im städtischen Raum eignen, sind in der Herstellung pro erzeugter Kilowattstunde deutlich teurer. Ein Grund dafür sind die Rotorblätter, die oft aus faserverstärkten Kunststoffen in Manufakturbetrieben hergestellt werden. Zudem arbeiten die Anlagen häufig in der Stromproduktion wenig effizient.

Lösung

Im Projekt „Urbane Windkraftanlagen mit performanten Stahlrotorblättern“ sollen diese Probleme gelöst werden. Ziel ist, ein eigens entwickeltes aerodynamisch verbessertes Design fertigungstechnisch so zu optimieren, dass eine kosteneffiziente Herstellung von VAWT möglich ist. Hierfür werden insbesondere Technologien betrachtet und entwickelt, die eine regionale Herstellung möglichst unabhängig von langen Lieferketten ermöglichen. Im Fokus steht dabei die gesamte Windenergieanlage, die sich neben aerodynamisch optimierten, günstig zu fertigenden und recycelbaren Stahlrotorblättern durch einen hohen elektrischen Wirkungsgrad und eine lange Betriebsdauer auszeichnet. Neben der technischen Optimierung soll auch die landschaftliche und architektonische Integration der Anlagen in ein urbanes Umfeld erarbeitet werden, um eine hohe Akzeptanz dieser Energiequelle zu ermöglichen. Anhand eines Demonstrators können die Forschenden die optimierte Rotorgeometrie unter realen Bedingungen verifizieren.

Das Fraunhofer IWES wird in einem Teilprojekt die Optimierung der Rotorblattgeometrie inklusive der Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit zur Steigerung der Effizienz numerisch und experimentell erarbeiten und validieren. 

Mehrwert  

Windenergieanlagen bieten in urbanen Räumen mehrere Vorteile: Die Energiebedarfe der Nutzer*innen können lokal und nachhaltig bedient werden. Zudem müssen keine langen Stromleitungen verlegt werden, was die Akzeptanz in der Bevölkerung für den Ausbau erneuerbarer Energien steigert. Die bereits bestehende Netzinfrastruktur kann weitergenutzt oder muss nur lokal begrenzt ausgebaut werden, was die Transformation der städtischen Energieversorgung beschleunigt.

Durch die gesamtheitliche Komponentenbetrachtung der VAWT (Rotorblätter, mechanische Struktur, Elektronik) gelingt eine bedarfsgerechte Systemintegration zur Energiebereitstellung innerhalb bereits vorhandener urbaner Energieinfrastrukturen, insbesondere in Kombination mit Photovoltaik.