Aufbau der Vertikalwindkraftanlage Vertical Sky auf dem Windtestfeld in Grevenbroich bei Düsseldorf.

Aufbau der Vertikalwindkraftanlage Vertical Sky auf dem Windtestfeld in Grevenbroich bei Düsseldorf. (Bild: Balluff)

Auf die Schnelle

Das Wesentliche in 20 Sek.

● Bei der Windenergieanlage drehen sich vertikal ausgerichtete Rotorblätter, wie ein Karussell im Kreis.

● Lösung für die Pitch-Verstellung und Drehzahlmessung gefragt.

● Ein magnetcodiertes Wegmesssystem stellt eine dynamische Verstellung sicher.

● Dabei werden die Rotorblätter nonstop mit bis zu 4.000 Messungen pro Sekunde gepitched.

Man muss tatsächlich zweimal hinschauen, um zu erkennen, dass der auf dem Windtestfeld in Grevenbroich bei Düsseldorf installierte Stahlgitter-Turm kein Funksignalumsetzer, sondern eine Windenergieanlage ist. Jedoch keine gewöhnliche, denn an der Spitze in rund 100 m Höhe drehen sich drei vertikal ausgerichtete Rotorblätter, wie ein Karussell im Kreis. Vertical Sky ist schweizerische Ingenieurskunst pur und steht für eine neue Art der Energieerzeugung aus Wind. Nach zehnjähriger Forschungs- und Entwicklungstätigkeit steht Agile Wind Power mit Sitz in Dübendorf im Kanton Zürich unmittelbar vor der Serienproduktion.

Mit großer Beharrlichkeit und der festen Überzeugung, dass diese Variante der Windverstromung weltweit eine Zukunft haben wird, hat Patrick Richter, Gründer und CEO des StartUps, eine anfangs spleenige Idee mit eidgenössischer Entschlossenheit zur Marktreife geführt. „Vertical Sky verfolgt ein dezentrales Konzept zur sicheren, sauberen und zuverlässigen Energieerzeugung. Unsere Anlagen sind hörbar drei Mal leiser als konventionelle Windkraftanlagen und stellen nach Aussage von Ornithologen keine Gefahr für Vögel und Fledermäuse dar“, betont Patrick Richter.

Prüfstand des Pitchsystems: Die aktive und kontinuierliche Blattverstellung ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad bei tiefen Drehzahlen des Rotors.
Prüfstand des Pitchsystems: Die aktive und kontinuierliche Blattverstellung ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad bei tiefen Drehzahlen des Rotors. (Bild: Balluff)

Ablehnung nahm zu

Der Anteil erneuerbarer Energien im Jahr 2020 an der gesamten Brutto-Stromerzeugung (564 Mrd. kWh) betrug mit 252 Mrd. kWh knapp 45 Prozent. Davon stammen rund 42 Prozent (105 Mrd. kWh) aus Onshore-Windenergieanlagen. Doch aktuell stockt der Ausbau: neue Windpark-Standorte sind rar, geforderte Mindestabstände zur Bebauung häufig nicht umsetzbar, die Ablehnung in der Bevölkerung nimmt zu. Klassische Windkraftanlagen wurden in der Vergangenheit immer größer, Turmhöhen von nahezu 200 m und Rotordurchmesser von 150 m sind keine Ausnahmen. Bei konventionellen Windkraftanlagen treibt ein dreiblättriger Rotor über eine waagrechte Achse den Generator in der Turmgondel an. Bei Vertical Sky ist der Stromerzeuger und dessen Antriebsachse senkrecht am Turmkopf installiert. Am Ende eines dreiarmigen Drehkranzes mit über 30 m Durchmesser sind, vertikal ausgerichtet und mittig frei drehbar, drei Rotorblätter mit einer Länge von jeweils 54 m montiert. Frühere Varianten vertikaler Windturbinen schieden aus, weil die Fliehkräfte und der Materialverschleiß zu hoch und der Wirkungsgrad zu gering waren. Um den Wind effizient für die Energiegewinnung zu nutzen, muss das Rotorblatt, ähnlich wie das Segel eines Bootes, stets optimal im Wind stehen. Wären die Blätter festmontiert, würde sich der Kranz bei höheren Windgeschwindigkeiten zwar drehen, von einer optimalen Energieausbeute wäre die Anlage jedoch weit entfernt.

Funktionsweise magnetisch kodierter Maßkörper, Sensorkopf und Auswerteelektronik.
Funktionsweise magnetisch kodierter Maßkörper, Sensorkopf und Auswerteelektronik. (Bild: Balluff)

Dynamische Verstellung gewährleisten

Das bringt die Kernanforderung auf den Punkt: „Die anspruchsvolle Aufgabe bestand darin, eine Lösung zu finden, welche die drei Lamellen in jeder Position auf ihrer Reise um die Zentralachse stets optimal in den Wind stellt“, erläutert Patrick Richter. „Bei der umgesetzten zuverlässigen Pitch-Lösung spielen Komponenten von Balluff eine wichtige Rolle.“ Als Sensorik- und Automatisierungsspezialist ist Balluff mit Produkten und Lösungen nicht nur in der klassischen Industrie, sondern seit langem auch in der Kraftwerks- und Windkraftbranche vertreten. Mit globalen Technologieführern der Windkraftbranche konnten in der Vergangenheit bereits Schlüssellösungen für die hydraulische Pitch-Verstellung, Drehzahlmessung und Füllstandkontrolle entwickelt werden.

Grundlage ist das magnetcodierte Wegmesssystem BML, das in Abhängigkeit von der jeweils herrschenden Windrichtung mithilfe leistungsfähiger Sensorik eine dynamische Verstellung der Blätter mittels Stellmotoren in Echtzeit sichergestellt. Dabei werden die Rotorblätter praktisch nonstop mit bis zu 4.000 Messungen pro Sekunde gepitched. Der permanente berührungslose Vergleich der Soll-Ist-Werte erfolgt über ein absolut kodiertes Magnetband, das auf die Drehachse aufgezogen ist. „Die aktive, kontinuierliche Blattverstellung ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad selbst bei tiefen Drehzahlen des Rotors. Der Anstellwinkel zur Windrichtung ist daher jederzeit optimal. Da die Geräuschentwicklung in der fünften Potenz mit der Windgeschwindigkeit einhergeht, führt das im Vergleich zu gewöhnlichen Anlagen zu einer beträchtlichen Reduktion der Schallleistung“, sagt Patrick Richter.

Magnetisch kodierter Maßkörper mit Sensorkopf.
Magnetisch kodierter Maßkörper mit Sensorkopf. (Bild: Balluff)

Lokal mit sauberer Energie versorgt

Die ersten Windturbinen will Patrick Richter spätestens im Jahr 2022 verkaufen, Gespräche mit zahlreichen Interessenten sind im Gange. Vorher muss der Firmenchef jedoch noch einen Rückschlag verdauen: Im Zuge der Inbetriebnahme im November des vergangenen Jahres führte eine starke, turbulente Böe mit plötzlicher Richtungsänderung zum Bruch eines Rotorarms. „Ein derartiges Windereignis kommt in den bisherigen Zertifizierungsnormen nicht vor. Die nachträglich durchgeführten Berechnungen und Simulationen zeigen, dass gleiche und ähnliche Vorkommnisse mittels einfacher Maßnahmen zukünftig verhindert werden können. Diese werden derzeit umgesetzt. Das Wegmesssystem hatte keinen Einfluss auf das Schadensereignis“, stellt Patrick Richter klar. Die umgebungsverträglichen Anlagen mit einer Gesamthöhe von 105 m bieten eine Nennleistung von derzeit 750 kW. Sie zielen auf Märkte und Nutzer weltweit, für die herkömmliche Windkraftanlagen nicht geeignet sind. „Wir denken dabei unter anderem an Betreiber von Kläranlagen, Rechenzentren oder Betriebe mit hohem Strombedarf. Infrage kommen auch Gewerbegebiete oder Siedlungseinheiten, die lokal mit sauberer Energie versorgt werden sollen. Besonders geeignet sind die Windturbinen auch für dezentrale Versorgungskonzepte in Entwicklungsländern“, so Patrick Richter.

Autor

Wolfgang Zosel,

freier Journalist aus Reutlingen

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