Das spanische Start-up-Unternehmen Vortex Bladeless hat Turbinen entwickelt, die sich die Wirbelbewegung von Luft oder anderen Flüssigkeiten zunutze machen. Wenn der Wind an einer der zylindrischen Turbinen vorbeiströmt, schert er an der windabgewandten Seite des Zylinders ab und erzeugt einen Wirbel, der sich dreht. Dieser Wirbel übt dann eine Kraft auf den Zylinder aus, die ihn in Schwingungen versetzt. Die kinetische Energie des oszillierenden Zylinders wird durch einen Lineargenerator in Elektrizität umgewandelt, ähnlich denen, die zur Nutzung der Wellenenergie verwendet werden.
David Yáñez, einer der Mitbegründer des Unternehmens, stieß erstmals auf das Konzept, als er als Student den Einsturz der Tacoma Narrows Bridge in Washington studierte. Die Brücke stürzte 1940 aufgrund übermäßiger Vibrationen ein, die durch die Drehbewegung des Windes beim Vorbeiflug an der Brücke verursacht wurden, und ist ein technisches Lehrbuchversagen. Yáñez hat jedoch eine andere Lektion gelernt. „Dies ist ein sehr guter Weg, um Energie von einem Fluid auf eine Struktur zu übertragen“, sagt er.
Die leichte Zylinderkonstruktion von Vortex hat keine Zahnräder oder Lager. Yáñez sagt, dass es Strom für 40 Prozent weniger als die Kosten für Strom aus herkömmlichen Windturbinen erzeugen wird. Das Unternehmen hat bereits 1 Million Dollar an privatem Kapital und staatlichen Mitteln in Spanien erhalten und bemüht sich um weitere 5 Millionen Dollar an Risikokapitalmitteln. Laut Yáñez plant das Unternehmen, 2016 ein Vier-Kilowatt-System und 2018 ein viel größeres Ein-Megawatt-Gerät auf den Markt zu bringen.
Die Vortex-Turbine klingt vielversprechend, aber wie bei jedem radikalen neuen alternativen Energiedesign gibt es auch bei den schaufellosen Turbinen viele Skeptiker.
„Bei einer herkömmlichen Propeller-Windturbine haben wir eine große Fläche, die von den Schaufeln überstrichen wird“, sagt Martin Hansen, ein Windenergiespezialist an der Technischen Universität von Dänemark. „
Die oszillierenden Zylinder fangen nicht nur weniger Energie ein, sondern können auch nicht so viel davon in Strom umwandeln, sagt Hansen. Eine herkömmliche Windturbine wandelt normalerweise 80 bis 90 Prozent der kinetischen Energie des sich drehenden Rotors in Strom um. Yáñez sagt, dass der von seinem Unternehmen speziell angefertigte Lineargenerator einen Umwandlungswirkungsgrad von 70 Prozent haben wird.
Yáñez räumt ein, dass die oszillierende Turbine einen kleineren Bereich überstreicht und einen geringeren Umwandlungswirkungsgrad hat, sagt aber, dass die erheblichen Einsparungen bei den Herstellungs- und Wartungskosten die Verluste aufwiegen werden.
Wenn Vortex größere Geräte baut, die Winde mit höherer Geschwindigkeit in größerer Entfernung vom Boden auffangen, wird es auch auf andere Herausforderungen stoßen, die der Physik der Strömungsmechanik innewohnen. Luft oder andere Flüssigkeiten, die sich mit geringer Geschwindigkeit an Zylindern mit kleinem Durchmesser vorbeibewegen, fließen in einer gleichmäßigen, konstanten Bewegung. Erhöht man jedoch den Durchmesser des Zylinders und die Geschwindigkeit, mit der die Luft durch den Zylinder strömt, wird die Strömung turbulent und es entstehen chaotische Wirbel oder Strudel. Die turbulente Strömung führt dazu, dass die Schwingungsfrequenz des Zylinders variiert, was eine Optimierung der Energieerzeugung erschwert.
„Bei sehr dünnen Zylindern und sehr langsamen Geschwindigkeiten erhält man singende Telefonleitungen, eine absolut reine Frequenz oder einen reinen Ton“, sagt Sheila Widnall, eine Professorin für Luft- und Raumfahrt am MIT. „Aber wenn der Zylinder sehr groß wird und der Wind sehr stark wird, erhält man eine Reihe von Frequenzen. Dann kann man nicht mehr so viel Energie herausholen, wie man möchte, weil die Schwingung grundsätzlich turbulent ist.“
Widnall stellt auch die Behauptung des Unternehmens in Frage, dass seine Turbinen leise sein werden. „Die Schwingungsfrequenzen, die den Zylinder erschüttern, machen Lärm“, sagt sie. „Es wird sich anhören wie ein Güterzug, der durch Ihren Windpark fährt.“
Schwingende Zylinder sind nur eine von mehreren neuen Technologien, die darauf abzielen, mehr Wind für weniger Geld zu ernten. Makani Power entwickelt einen gefesselten „Energiedrachen“ (siehe „Fliegende Windmühlen“). Er fliegt in einem großen Kreis, der der Spitze eines herkömmlichen Turbinenblatts ähnelt, und nutzt die Windenergie über kleinere bordeigene Turbinen. Astro Teller, Leiter von Google X, der halbgeheimen Forschungseinrichtung von Google, die Makani im Jahr 2013 erworben hat, sagte im März, dass das Unternehmen bald mit den Tests eines 600-Kilowatt-Drachens in Originalgröße beginnen werde.
John Dabiri, Professor für Luftfahrt- und Biotechnik am Caltech, testet verschiedene Konfigurationen von Turbinen mit vertikaler Achse, bei denen es sich im Wesentlichen um Windräder handelt, die sich wie ein Karussell drehen und nicht um eine horizontale Achse wie ein Fahrradrad. Normalerweise werden Windturbinen weit voneinander entfernt aufgestellt, um die Energieerzeugung zu optimieren. Dabiri hat herausgefunden, dass Turbinen, die nahe beieinander stehen, mehr Energie erzeugen können als solche, die weit voneinander entfernt sind.
„Man kann den Betrieb mehrerer Windturbinen so koordinieren, dass das Ganze größer ist als die Summe seiner Teile“, sagt er.
Dabiri meint, dass solche Synergieeffekte auch für herkömmliche Windmühlen mit horizontaler Achse oder sogar für oszillierende Turbinen gelten könnten. Letztere stellen eine größere Herausforderung dar, weil die Nachlaufströmung solcher Turbinen sehr chaotisch ist, aber auch einen potenziellen Vorteil, weil die Nachlaufströmung viel Energie birgt, sagt er.
Bei der oszillierenden Turbine von Vortex bleibt noch viel abzuwarten, sagt Dabiri, aber er fügt hinzu, dass er von dem Konzept des Unternehmens begeistert ist. „Wer sagt, dass die dreiflügelige Turbine das Beste ist, was wir machen können, dem fehlt es an Visionen.“
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