Die Nutzung der Windenergie ist eine der wichtigsten Formen der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen. Konventionelle Großwindenergieanlagen (GWEA) können unter geeigneten Bedingungen hohe Wirkungsgrade und Leistungen erreichen. Dabei sind sie auf eine möglichst laminare Anströmung angewiesen. Die Voraussetzung ist insbesondere im urbanen Raum häufig nicht gegeben. Gebäude, Vegetation und andere Hindernisse erzeugen eine große Oberflächenrauhigkeit und erzeugen turbulente Windverhältnisse. Typische Merkmale für turbulente Strömungen sind reduzierte Windgeschwindigkeiten, häufige Richtungswechsel und Strömungsablösungen (1, 2). Hieraus ergeben sich besondere Anforderungen für den Einsatz von Windenergieanlagen (WEA) im urbanen Raum, die für konventionelle GWEA ein zu großes Ertrags- und Investitionsrisiko darstellen.
Vor diesem Hintergrund wird der Einsatz von Kleinwindenergieanlagen (KWEA) untersucht. Als KWEA werden Anlagen mit einer Nennleistung von weniger als 50 kW bezeichnet (3). Die technische Anforderung fasst die Norm IEC 61400-2 zusammen. Sie legt die Anforderungen an KWEA fest und berücksichtigt für deren Anwendungsbereich unter anderem die vom Rotorblatt überstrichene Fläche (4). KWEA werden hauptsächlich in privaten, landwirtschaftlichen, gewerblichen Bereichen sowie als gebäudeintegrierte Lösung eingesetzt (3).
Die im Vergleich zu GWEA geringere Anlagengröße von KWEA verringert den logistischen Aufwand und trägt dadurch zu niedrigeren Baukosten bei. Allerdings stehen KWEA vor der technischen Herausforderung, auch bei geringen Windgeschwindigkeiten und turbulenten Strömungen hohe Energieerträge zu erzielen (Abbildung 1). Eine Untersuchung in vier polnischen Städten zeigte, dass regionale Windzonen aus offenem Gelände nicht zuverlässig auf bebaute Gebiete übertragen werden können (2). Eine mögliche technische Antwort auf diese Herausforderung sind diffusorverstärkte WEA, engl. Diffuser Augmented Wind Turbines (DAWT). Bei DAWT wird der Rotor in eine strömungsführende Struktur integriert. Ziel ist es, die Strömung so zu beeinflussen, dass der Massenstrom gegenüber einer konventionellen KWEA vergleichsweise laminar durch die Rotorebene strömt (5, 6).
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Einflusses urbaner Hindernisse auf WEA unterschiedlicher Nabenhöhen (eigene, qualitative Darstellung nach (1))
Die Grundlage von KWEA
Windleistung und Rotorfläche
Die theoretisch im Wind enthaltene Leistung ergibt sich aus der folgenden Gleichung (7):
Dabei bezeichnet ρ die Luftdichte, A die durchströmte Fläche und v die Windgeschwindigkeit.
Die Windleistung steigt linear mit der durchströmten Fläche und mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Eine geringe Änderung der Windgeschwindigkeit hat deshalb eine große Auswirkung auf die theoretisch verfügbare Leistung (8). Sinkt die Windgeschwindigkeit bei gleicher Rotorfläche und gleicher Luftdichte von 6 m/s auf 4 m/s, stehen theoretisch nur noch rund 30 % der ursprünglichen Windleistung zur Verfügung. Zusätzlich führen Reibungs- und Leitungsverluste zu einer weiteren Reduktion des Ertrags. Daher sind die Prüfung eines geeigneten Standorts sowie der anschließende Betrieb von KWEA mit größeren Herausforderungen verbunden als bei GWEA (3, 8).
Herausforderungen von KWEA
Die kommerziell verfügbaren KWEA weisen eine große Bandbreite bei Leistung und Geometrie auf. Eine umfassende Untersuchung von mehr als 200 KWEA erfasste unter anderem Rotordurchmesser, Turmhöhe, Einschaltgeschwindigkeit, Nennleistung und Blattmaterial (3). Neben Nennleistungen zwischen 1kW (Pico-KWEA) und bis zu 50 kW (Mini-KWEA), liegen die Anlaufgeschwindigkeiten im Bereich zwischen 0,7 und 5,4 m/s und mit variierenden Turmhöhen von 1,4-49 m (3).
Anhand verschiedener Messstandorte in Koszalin, Łódź, Białystok und Gdańsk wurden die lokalen Windbedingungen für KWEA untersucht (2). Im Stadtzentrum von Łódź lag die mittlere jährliche Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe bei etwa 2,1 m/s, während an einem offenen Vergleichsstandort rund 3,2 m/s erreicht wurden. Zudem zeigten die Messungen, dass Windgeschwindigkeiten unter 3 m/s an mehreren Standorten mehr als 75 % des Messzeitraums ausmachten (2). Die Studien unterstreichen die große Herausforderung bezüglich der geeigneten Standortsuche. Die geringen Windgeschwindigkeiten gehen im urbanen Raum zusätzlich mit erhöhten Turbulenzen einher. Vor diesem Hintergrund bietet der Einsatz eines Diffusors (DAWT) die Möglichkeit, die Anströmung des Rotors gezielt zu optimieren, um den Ertrag unter den strömungsmechanisch anspruchsvollen Bedingungen des urbanen Raums zu erhöhen (5).
DAWT: Bauformen und Funktionsprinzipien
Grundidee der DAWT
Eine DAWT besteht grundsätzlich aus einem Rotor und einer zusätzlichen strömungsführenden Struktur. Diese Struktur wird als Diffusor, Shroud, Duct oder Ummantelung bezeichnet (5, 9). Im Unterschied zu einem freistehenden Rotor beeinflusst der Diffusor das Strömungsfeld über den Bereich der Rotorfläche hinaus. Der Diffusor kann dabei eine höhere Leistung ermöglichen, ohne den Rotordurchmesser im gleichen Maß vergrößern zu müssen. Die zusätzliche Struktur verändert jedoch die Druckverteilung, die Strömungsrichtung und den Nachlauf (5, 6). Die theoretisch mögliche Leistungssteigerung hängt unter anderem von der Diffusorlänge, dem Öffnungswinkel, der Einlaufkontur, der Rotorposition, der Flanschhöhe und der Druckrückgewinnung ab (9, 10). Eine ungünstige Geometrie kann Strömungsablösungen und zusätzliche Reibungsverluste verursachen, wodurch ein aerodynamischer Vorteil kleiner ausfällt als in idealisierten Berechnungen (5, 6).
DAWT ohne Flansch
Die klassische DAWT umgibt den Rotor mit einem sich stromabwärts erweiternden Diffusor (Abbildung 2). Der Rotor wird häufig im Bereich des kleinsten Querschnitts angeordnet (5, 9). Die stromabwärtige Aufweitung beeinflusst die Druckverteilung und die Nachlaufströmung. Unter geeigneten Bedingungen kann dadurch der Druck hinter dem Rotor reduziert und der Massenstrom durch die Rotorebene erhöht werden (6, 8). Die Leistungssteigerung einer klassischen DAWT hängt stark davon ab, ob die Strömung an der Innenwand des Diffusors anliegt. Bei zu großen Öffnungswinkeln kann sie sich ablösen, wodurch Druckverluste entstehen (8, 10).
Abbildung 2: Schematische Darstellung einer DAWT ohne Flansch (a) und des Strömungsverhaltens im Diffusor (b) (eigene qualitative Darstellung nach (5, 8))
DAWT mit Flansch und Wind-Lens-Turbine
DAWT können auch mit einem ringförmigen Flansch am Diffusorausgang verbaut werden (Abbildung 3a). Dieser beeinflusst die Nachlaufströmung und kann die Druckabsenkung hinter dem Diffusor verstärken. Eine besondere Ausführung dieser Bauform ist die Wind-Lens-Turbine (WLT) (Abbildung 3c). Die im Nachlauf erzeugten Wirbel senken den statischen Druck hinter dem Diffusor und verstärken dadurch die Ansaugwirkung des Systems (8, 10). Die Druckabsenkung hinter dem Flansch erhöht den Druckunterschied zwischen Vorder- und Rückseite des Rotors. Dadurch kann der Massenstrom durch die Rotorebene im Vergleich zu einem freistehenden Rotor steigen (10). Gegenüber älteren DAWT-Konzepten mit langen Diffusoren zielen WLT-Ausführungen darauf ab, die Diffusorlänge zu reduzieren und dadurch das Gewicht sowie die Lasten zu verringern (8).
Abbildung 3: Schematische Darstellung einer DAWT mit Flansch (a) und des Strömungsverhaltens im Diffusor (b) & einer Wind-Lens-Turbine (WLT) (c) als Sonderform einer DAWT (eigene qualitative Darstellung nach (8, 9, 10))
Für die Leistungsprognose einer klassischen DAWT mit Flansch sind insbesondere der Rückdruckbeiwert des Flansches (c_pb) und der Druckrückgewinnungsbeiwert des Diffusors (c_pd) von Bedeutung (10). Der Rückdruckbeiwert beschreibt den Unterdruck, der durch den Flansch hinter dem Diffusor entsteht. Der Druckrückgewinnungsbeiwert gibt an, wie stark sich der Druck innerhalb des Diffusors wieder erhöht. Die Bedeutung dieser Beiwerte zeigt sich auch in der Leistungssteigerung gegenüber einer herkömmlichen KWEA. Studien berichten für WLT eine Leistungssteigerung um den Faktor zwei bis fünf gegenüber freistehenden Rotoren bei gleichem Rotordurchmesser und gleicher Windgeschwindigkeit (10). Zusätzlich wurde die Strömung hinter dem Rotor, insbesondere die Wirbel an den Blattspitzen, genauer analysiert (11). Diese Untersuchungen verdeutlichen das Zusammenspiel von Rotor und Diffusor sowie die Struktur der Nachlaufströmung. In speziellen Versuchsaufbauten konnte durch eine gezielte Stabilisierung dieser Wirbel (Abbildung 3b) eine weitere, wenn auch geringe, Steigerung der Leistung erreicht werden (12). Solche Leistungssteigerungen einer DAWT gegenüber einer KWEA hängen wesentlich von der strömungsmechanischen Wirkung des Diffusors ab. Eine ausschließlich auf die Rotorfläche bezogene Leistungsbewertung bildet den Beitrag des Gesamtsystems einer DAWT daher nur eingeschränkt ab. Für eine belastbare Einordnung müssen sowohl der Rotor als auch der Diffusor und die daraus resultierende Veränderung des Strömungsfeldes berücksichtigt werden (6, 10).
Stand der Technik und Demonstrationsprojekte
Ein Schwerpunkt der aktuellen Forschung liegt auf der Optimierung der Diffusorgeometrie. Untersucht werden unter anderem die Diffusorlänge, der Öffnungswinkel, die Einlaufkontur, die Rotorposition, die Flanschhöhe, der Halsdurchmesser und die Nachlaufstruktur (9, 10). Die Parameter beeinflussen, ob die Strömung an der Innenwand anliegt oder sich ablöst (8). Sie definieren außerdem, wie stark der Druck im Nachlauf absinkt und wie groß der Massenstrom durch die Rotorebene wird (10). Deshalb ist die experimentelle Validierung numerischer Ergebnisse entscheidend. Feldversuche liefern wichtige Erkenntnisse, da Windkanalbedingungen meist gleichförmiger und kontrollierter sind als reale urbane Strömungen (5).
Yuji Ohya und Takashi Karasudani (8) berichten von sechs installierten WLT mit jeweils einer Nennleistung von 5 kW für eine Bewässerungsanlage in einem Wüstengebiet in Nordwestchina. Dabei wurden die Anlagen zu einem Netzwerk verteilter Energiequellen zusammengeschlossen und mit Batteriespeichern kombiniert, um eine möglichst stabile und netzferne Energieversorgung der Bewässerungsanlage zu ermöglichen. Außerdem wurden drei baugleiche WLT mit einer Nabenhöhe von 15 m und einer Nennleistung von jeweils 5 kW in einem Küstenpark in Fukuoka, Japan, installiert (8). Das Forschungsprojekt diente der Untersuchung der Stromerzeugung im städtischen Küstenraum. Hohe Gebäude an der Küstenlinie verursachten Bereiche mit reduzierten Windgeschwindigkeiten, während eine nahe Flussmündung beschleunigte Strömungsbereiche aufzeigte. Für eine standortbezogene Strömungsanalyse wurde unter anderem eine großräumige Wirbel-Simulation verwendet (8). Für die genannten Feldanwendungen werden jedoch keine langfristigen Betriebsergebnisse oder gesonderten Leistungsvergleiche mit konventionellen KWEA angegeben. Somit bleibt zu beachten, dass sich viele DAWT-Konzepte trotz berichteter Leistungssteigerungen weiterhin im Forschungs-, Demonstrations- oder Prototypenstadium befinden.
Technische und wirtschaftliche Herausforderungen
Neben dem aerodynamischen Potenzial sind bei DAWT vor allem konstruktive, materialbezogene und wirtschaftliche Herausforderungen zu berücksichtigen. Der Diffusor stellt eine zusätzliche Windangriffsfläche dar. Dadurch können höhere Kräfte und Momente auf den Turm, die Lager, die Tragstruktur und das Fundament übertragen werden (8, 10). Dabei sind ein erhöhtes Strukturgewicht und höhere Windlasten als Nachteile der DAWT-Technologie zu betrachten (8). Mit zunehmender Anlagengröße nehmen der Materialbedarf und die aerodynamischen Lasten am Diffusor erheblich zu (5). Dadurch wird die Skalierung auf größere DAWT-Systeme erschwert, weil die Strömungseffekte, die Strukturbelastung, der Materialbedarf und die Kosten nicht proportional mit der Größe der Anlage steigen (6). Die Entwicklung kompakter WLT-Diffusoren soll dieses Problem teilweise entschärfen. Kurze Diffusoren können Gewicht und Windlast reduzieren, erreichen aber nicht zwingend dieselbe aerodynamische Wirkung wie lange Diffusoren (8).
Eng damit verbunden sind die Anforderungen an die eingesetzten Materialien. Für Rotorblätter und Diffusoren werden leichte, steife und ermüdungsbeständige Materialien benötigt. Glasfaserverstärkte Werkstoffe werden unter anderem für Diffusorstrukturen verwendet (9). Auch bei kommerziellen KWEA kommen je nach Bauform Glasfaserverbundwerkstoffe, Aluminium und Kunststoffe zum Einsatz (3). Für spezielle Wind-Lens-Rotoren wurden außerdem kohlenstofffaserverstärkte Rotorblätter mit Schaumkern untersucht. Solche Leichtbaulösungen können die Masse reduzieren, führen aber zu höheren Anforderungen an die Fertigung und die Dauerhaftigkeit im Betrieb (5). Besonders faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind am Ende ihrer Lebensdauer schwieriger zu recyceln als viele metallische Werkstoffe. Für Rotorblätter werden daher verschiedenartige Recyclingverfahren untersucht. Dabei sollen Glas- oder Kohlenstofffasern zurückgewonnen und erneut genutzt werden (13). Bei DAWT betrifft die Recyclingfrage nicht nur die Rotorblätter, sondern auch die zusätzliche Diffusorstruktur. Ob die zusätzliche Materialmenge den ökologischen Nutzen der Mehrerzeugung verringert, sollte jedoch durch eine eigene Lebenszyklusbewertung untersucht werden. Eine belastbare Bewertung müsste deshalb die Herstellung, den Transport, den Betrieb, den Wartungs-bzw. Reparaturaufwand und den Rückbau des gesamten Systems umfassen (9).
Wirtschaftlich ist daher nicht allein die höhere Leistung bei gleichem Rotordurchmesser entscheidend, da sich anlagenbezogene Aufwendungen auf eine vergleichsweise geringen Energieertrag verteilen können. Besonders im urbanen Raum können wechselnde Windrichtungen und Turbulenzen dazu führen, dass die Leistungskurve eines Herstellers den tatsächlichen Jahresertrag nur unzureichend abbildet (2, 3). Eine DAWT kann zwar unter geeigneten Bedingungen aerodynamische Vorteile bieten, ihre Praxistauglichkeit hängt jedoch stark vom Standort, der Kostenstruktur und der Langzeitzuverlässigkeit ab (5, 9). Eine breite kommerzielle Marktdurchdringung wurde demnach bislang nicht erreicht. Die Übertragung von Prototypen auf DAWT mit mehrjährigen Betriebszeiten bleibt also eine zentrale offene Fragestellung.
Fazit
DAWT sind technische Speziallösungen für die Windenergienutzung im urbanen Raum, deren Nutzen nicht allein anhand der Rotorleistung beurteilt werden kann. Besonders Flansch-Diffusoren und WLT zeigen, dass ein Flansch durch Nachlaufwirbel und eine Druckabsenkung den Massenstrom durch den Rotor erhöhen kann. Für bestimmte Prototypen wurden dadurch Leistungssteigerungen um einen Faktor von zwei bis fünf gegenüber freistehenden Rotoren gleicher Größe erreicht (8). Diese Werte hängen jedoch stark von der Diffusorgeometrie, den Betriebsbedingungen und der gewählten Bezugsfläche ab (6, 10).
Für eine Anwendung im urbanen Raum ist deshalb nicht die maximale Leistungssteigerung im Windkanal entscheidend, sondern der tatsächlich erzielbare Jahresenergieertrag. Eine erhöhte Oberflächenrauigkeit durch eine Bebauung hat einen negativen Einfluss auf die mittlere Windgeschwindigkeit und verstärkt gleichzeitig Turbulenzen sowie Richtungswechsel (1, 2). Ein Diffusor kann diese Standortbedingungen positiv beeinflussen und eine laminare Anströmung des Rotors ermöglichen. Dem theoretisch aerodynamischen Vorteil stehen ein zusätzlicher Material- und Fertigungsaufwand, höhere Windlasten, ein zusätzliches Gewicht und offene Fragen zur Skalierbarkeit gegenüber (5, 9). Darüber hinaus sind die Wirtschaftlichkeit und die Langzeitzuverlässigkeit unter realen Betriebsbedingungen bislang nicht in gleichem Maße belegt wie die unter Laborbedingungen nachgewiesenen aerodynamischen Potenziale. (5).
DAWT stellen keinen allgemeinen Ersatz für bestehende KWEA dar und können insbesondere konventionelle GWEA nicht ersetzen. Ihr Potenzial liegt vielmehr in spezifischen Anwendungsfällen, insbesondere dort, wo der Rotordurchmesser begrenzt ist und durch eine gezielte Strömungsführung eine höhere Energiegewinnung erzielt werden kann. Damit können DAWT unter geeigneten Bedingungen eine Option für die Windenergienutzung im urbanen Raum darstellen. Ob dieses Potenzial an einem konkreten Standort tatsächlich genutzt werden kann, hängt jedoch maßgeblich von den lokalen Windbedingungen, der Auslegung des Gesamtsystems sowie dem realistisch erreichbaren Jahresenergieertrag ab. Eine abschließende Bewertung der Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit erfordert daher standortspezifische Messungen und eine ganzheitliche Betrachtung des Systems (2, 3).
Autor: Fabian Blau und André Kobe
QUELLEN
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