Groß, unübersehbar und mächtig laufen die windmühleartigen Turbinen, befestigt an hohen Türmen vieler Windkraftanlagen. Denn wortwörtlich im Aufwind befindet sich die Entwicklung dieser Technik für eine umweltfreundliche Stromerzeugung. Die Zahl der Windparks steigt, besonders an den Küsten. Jedoch birgt die zentrale Installation im Meer auch Probleme hinsichtlich des Anschluss an das Stromnetz und der Verteilung der Energie.

Und außerdem stoßen die riesigen Windkrafttürme nicht bei allen Bürgern auf Wohlwollen, denn sie verändern deutlich das Landschaftsbild. Doch es geht auch kleiner und unauffälliger wie die niederländische Firma Everkinetiq zeigt. Ihre erste Mikro-Windturbine der Serie PIQO hat das Unternehmen in enger Zusammenarbeit mit Pekago, Albis und BASF entwickelt. Die Turbine ist für Industrieanlagen aber auch Hochhäuser, Krankenhäuser oder andere städtische Gebäude ebenso wie für den privaten Bereich gedacht. Sie unterscheidet sich von den bekannten großen Windkrafträdern durch den geringeren Durchmesser und vor allem ein geringeres Gewicht. Sie sind robust, kompakt und geräuscharm.

Kleine Windturbinen trotzen großen Kräften

Trotz der kleineren Dimensionen müssen die Mikro-Windturbinen großen Kräften standhalten und gegen Verwitterung beständig sein. Hierbei spielt die Wahl der eingesetzten Werkstoffe eine große Rolle. Die Ingenieure der PIQO-Windturbinen entschieden sich für den Styrolkunststoff Luran S KR 2858 G3.

Der Hauptunterschied zwischen der Mikro-Windturbine von Everkinetiq und anderen marktgängigen Turbinen ist der Rahmen, der den Rotor umgibt. Dieser Rahmen dient nicht nur der Sicherheit im Betrieb, sondern verleiht dem Rotor eine erhöhte Leistungsfähigkeit, die sonst nur von etwa anderthalb mal so langen Rotorblättern erreicht wird. Darüber hinaus ermöglicht der Rahmen eine höhere Betriebsgeschwindigkeit, ohne dass dabei der Geräuschpegel stärker steigt.

Die zentralen Herausforderungen bei der Entwicklung der Turbinen bestanden darin, den Rahmen so zu konstruieren, dass er resistent genug ist, um mit Windgeschwindigkeiten bis zu 35 m/s fertig zu werden und einen Rotor zu entwickeln, der sich bei hohen (Umdrehungs-)Geschwindigkeiten betreiben lässt, ohne sich zurück zu biegen. Eine weitere Anforderung bestand darin, die Schwingungen abzufangen, die bei wechselnden Windgeschwindigkeiten auftreten.

Die Wahl des richtigen Kunststoffs und die FEM-Analysen
Hauptgrund, einen Kunststoff für die Turbine zu verwenden ist die inhärente Festigkeit des Materials und seine einfache Verarbeitbarkeit. Auch Metall floss in der frühen Entwicklungsphase in die Überlegungen mit ein. Die Metallösung war jedoch zu teuer und die Festigkeit war nicht auf demselben Niveau wie im Fall des dann verwendeten Luran S. Weitere untersuchte Alternativen waren handgefertigte Composit-Varianten, die ebenfalls zu teuer sind und glasfaserverstärktes PVC sowie andere Kunststoffe, die entweder zu viel Gewicht mitbringen oder keine ausreichende UV-Stabilität bieten.

Wie FEM-Analysen zeigen, war der Einsatz des mit 15 Prozent Glasfasern verstärkten ASA notwendig, um die notwendigen Von-Mises-Spannungen und die Deformationsanforderungen unter definiertem Winddruck (Windstärke 12) sowie die Zentrifugalbeschleunigungen (3.000 U/min) über zehn Jahre hinweg bei einer mittleren Temperatur von 23°C zu erfüllen.

Der Kunststoffanbieter Styrolution, ein Joint-Venture von BASF und Ineos, offeriert zusammen mit seinem Vertriebspartner Albis Benelux für den Rotor der Turbine den mit 15 Prozent Glasfasern verstärkten Werkstoff aus der Familie der ASA-Polymere (Acrylester-Styrol-Acrylnitril) an. Er verfügt über eine gute Witterungsbeständigkeit, UV-und Alterungsstabilität sowie Chemikalienresistenz. Für den runden Rahmen mit einem Durchmesser von etwa 1,5 m eignet sich das ungefüllte und damit weniger steife Luran S 797 S. Richard Kleefman, Leiter der Entwicklung von Turbinen bei Everkinetiq erklärt: „Für die kostengünstigen und flexiblen PIQO-Windturbinen ist ein besonders belastbarer Kunststoff nötig. Das Luran S von Styrolution erfüllt die Anforderungen an Witterungsbeständigkeit und Stabilität gegenüber Rotationseffekten voll.“

Neue Technik, die sich rechnen muss

Verglichen mit großen Windturbinen lagen die Aufgaben in der Kombination von geringer Lautstärke, mit niedrigem Gewicht, Haltbarkeit und Preisgestaltung. Das grundsätzliche Problem bei kleinen Turbinen besteht darin, das Preis-Leistungs-Verhältnis auf ein akzeptables Niveau zu bringen, ohne Kompromisse bei der Qualität machen zu müssen. Für den sinnvollen Betrieb ist außerdem wichtig, dass der gewählte Standort der Turbine für die Gewinnung von Windenergie geeignet sein muss. Inmitten einer Stadt, auf Bodenniveau gäbe es zu viele Interferenzen für eine gute Leistungsfähigkeit der Anlage.

Die Anpassung von Miniturbinen an die Gebäudeumgebung ist ein noch relativ junges, sich entwickelndes Arbeitsgebiet. In den Niederlanden wurden zwischen 2002 und 2008 etwa 100 Miniturbinen aufgestellt, um erste Erfahrungen zu sammeln. Die Branche plant dort bis 2012 7.000 und bis 2020 knapp 50.000 solcher Anlagen zu installieren. Dazu sind die bis 2011 in vielen Gemeinden in Pilotprojekten bereits gesammelten Kenntnisse von großer Bedeutung. Um diese Aktivitäten zu begünstigen, subventioniert die niederländische Regierung den Betrieb von Windanlagen.

Everkinetiq ist nun seit gut drei Jahren mit der PIQO Mikro-Windturbine auf dem Markt und hat das Produkt in dieser Zeit kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert. Zurzeit gibt es zwei PIQO Mikro-Windturbinen. Eine Stand-alone-Version mit einer 48 Volt-Batterie und eine netzfähige 230 Volt-Variante. Die maximale Leistung beträgt 3 kW. Das bedeutet, dass die Turbine selbst bei starkem Wind nicht abgestellt werden muss. Der Preis für die beiden Systeme liegt zwischen 6.000 und 7.000 Euro.

 

Experten-Tipp

Der Bundesverband Windenergie bietet auf seiner Website zahlreiches Informationsmaterial zum kostenlosen Download an. Darunter Fakten und Zahlen sowie eine Jahresbilanz „Facts To Go“ 2011. In Deutschland wurden im Jahr 2011 circa 2.000 MW Windleistung installiert, 2010 waren es etwa 1.500 MW, 2009 1.900 MW, 2008 1.600 MW. Die Gesamtleistung der Winkraftanlagen in Deutschland beträgt 2011 derzeit rund 29.000 MW (Quelle: Erhebungen des Deutschen Windenergie-Instituts (DEWI).
Den größter Anteil (59 Prozent) an den neu installierten Windenergieanlagen hat der Hersteller Enercon mit knapp 60 Prozent, gefolgt von Vestas mit 21 Prozent.

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Jeremy Whittaker