Seit nun über einem Jahrhundert orientiert sich die Konstruktion von Windrädern an der sogenannten Impulstheorie. Diese wissenschaftliche Theorie stammt aus dem späten 19. Jahrhundert und versuchte sich an der Erklärung der Wechselwirkung zwischen Windrad-Rotoren und deren Umgebung. Mit diesen Annahmen als Basis entwickelte etwa der deutsche Physiker Albert Betz 1920 die theoretische Höchstgrenze an Energieausbeute an Wind. Heute ist sie unter dem Namen der Betz-Grenze von 59,3 Prozent bekannt. Wie Forscher des MITs jedoch nun aufdeckten, ist diese Theorie unzureichend – und führt offensichtlich zu fehlerhaften Konstruktionen in unseren heutigen Windrädern.
MIT-Ingenieure stellen neues physikalisches Modell auf, das Windradproblem löst
Den Forschern gelang es inzwischen ein gänzlich neues Modell zu entwickeln, dass die Luftströmung in Windturbinen-Rotoren präzise abbildet. Selbst Aussagen unter extremen Bedingungen sind möglich. Die Betz-Grenze ging bisher davon aus, dass die Windkraft ab einem bestimmten Winkel oder einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit abnimmt. Experimente konnte jedoch abweichende Ergebnisse liefern. Durch die präzisen Aerodynamik-Modelle der MIT-Forscher gelang es ihnen nachzuweisen, dass die bisherige Theorie von einem schnellen Ausgleich des Luftdrucks unter dem Rotor nicht zutrifft. Für Windparks ist das eine überaus erfreuliche Nachricht. Denn es bedeutet, dass die bisherige Betz-Grenze fehlerhaft ist und eine wesentlich höhere maximale Leistung von Windrädern möglich ist.
Effizienz und Sicherheit von Windrädern steigt
Das neue Modell demonstriert zudem genau, wie sich die Turbinenleistung von Windrädern maximieren lässt. Und das selbst dann, wenn die Rotoren tatsächlich unpassend zum Luftstrom ausgerichtet sind. Ein Sonderfall, den das Betz’sche Gesetz gar nicht untersuchen konnte. Wie ein Forscher des MIT-Teams erklärt, bedeutet das neue Modell, dass es erstmals möglich ist, „direkt und ohne empirische Korrekturen“ zu sagen, wie eine Windturbine zu betreiben ist, um ihre Leistung zu maximieren. Ohne Zweifel dürfte dieses neue Modell in der Windkraftbranche einschlagen, wie eine Bombe – bietet es doch die Möglichkeit einer präzisen Optimierung, die bisher nicht ohne aufwendige Messverfahren umsetzbar war. Nicht nur die Ausbeute der Windräder kann so deutlich verbessert werden. Auch die Sicherheit der Turbinen erlebt einen Aufschwung durch die neuen Berechnungen.
Das gesamte mathematische Modell haben die Forscher als Open Source zur Verfügung gestellt. Dadurch können sie direkt von Anbietern in Software übernommen werden, um die Forschung zur Windenergie voranzubringen. Auch für die Planung von zukünftigen Windparks dürften die neuen Berechnungsmodelle dringend nötig sein. Denn insbesondere bei Offshore-Windanlagen, die viele Windräder zur Stromerzeugung in einem Bereich unterbringen möchten, stoßen Unternehmen auf große Schwierigkeiten. Stehen die Windräder zu nah beieinander, können sie sich gegenseitig kannibalisieren und den Wind zur Stromerzeugung „wegnehmen“. Lässt sich mithilfe des Modells ein komplexes System von Windrädern vorab simulieren, kann man ideale Abstände schon von Beginn an in der Planung berücksichtigen.
Windparks und insbesondere bei Offshore-Windanlagen sind Klimakiller.
Energiegesetze hat niemand außer Kraft gesetzt. Wenn man dem Luftstrom die Energie entzieht, dann wird das gesamte Klima zerstört. Die Winde, die normalerweise hunderte Kilometer ins Landesinnere strömen würden, und mit sich die Feuchte bringen, werden direkt an der Küste gekillt.
Wo früher ein Auto ohne Katalysator vernachlässigbare Schaden für unsere Atmosphäre verursacht hat, haben Millionen Abermillionen Autos einen Umweltschaden ausgelöst. Genau das Gleiche passiert jetzt mit Windkraftanlagen. Wo eine Windkraftanlage geringe Schaden hinterlässt, macht industrielle Massenfertigung ein unumkehrbarer Schaden.