Inhalt des Artikels
- Was ist eine vertikale Windkraftanlage?
- Funktionsweise & Aufbau eines vertikalen Windrades
- Technische Daten in der Übersicht
- Vor- & Nachteile der Windkraftanlagen
- Lohnen sich vertikale Windkraftanlagen für private Nutzer:innen?
- Unterschied zu horizontalen Windkraftanlagen
- Hersteller-Übersicht
- Fazit
- Häufig gestellte Fragen
Inhalt
Das Wichtigste in Kürze
- Flexibilität und Platzbedarf: Vertikale Windkraftanlagen nutzen Wind aus allen Richtungen, benötigen weniger Platz und sind ideal für städtische Gebiete oder begrenzte Flächen.
- Leistung und Wirkungsgrad: Mit einem Wirkungsgrad von 20–40% und Leistungen von 500 W bis 50 kW eignen sie sich vor allem für Kleinwindkraftanlagen und dezentrale Energieversorgung.
- Wirtschaftlichkeit: Die Kosten liegen zwischen 2.000 und 10.000 Euro, jedoch ist die Amortisation aufgrund geringerer Wirtschaftlichkeit oft erst langfristig gegeben.
- Anwendung und Vorteile: Sie arbeiten leise, sind einfach zu installieren und eignen sich besonders gut für urbane oder turbulente Windverhältnisse, trotz geringerer Effizienz im Vergleich zu horizontalen Windturbinen.
Was ist eine vertikale Windkraftanlage?
Vertikale Windkraftanlagen sind spezielle Windenergieanlagen, deren Rotationsachse senkrecht zur Erdoberfläche steht. Im Gegensatz zu den bekannteren horizontalen Modellen benötigen sie keine Ausrichtung nach der Windrichtung, da sie Wind aus allen Richtungen aufnehmen können. Diese Eigenschaft macht sie besonders geeignet für urbane Gebiete, Standorte mit unbeständigen Windverhältnissen oder begrenzten Platzverhältnissen. Durch ihre kompakte und oft platzsparende Bauweise bieten sie eine interessante Alternative für die Nutzung von Windenergie in unterschiedlichsten Umgebungen.
Funktionsweise & Aufbau eines vertikalen Windrades
Vertikale Windkraftanlagen nutzen unterschiedliche Designs, die jeweils spezifische Vor- und Nachteile haben. Jedes dieser Designs ist auf eine bestimmte Art der Windnutzung ausgelegt, um maximale Effizienz unter verschiedenen Bedingungen zu gewährleisten.
Savonius-Rotor
Der Savonius-Rotor ist eines der einfachsten Designs einer vertikalen Windkraftanlage. Er besteht aus zwei oder mehr halbkreisförmigen Schalen oder Zylindern, die seitlich versetzt montiert sind und eine S-Form bilden, wenn sie von oben betrachtet werden. Dieser Rotor nutzt die Windkraft vor allem durch den Widerstand, wobei eine Seite des Rotors den Wind einfängt, während die andere Seite aufgrund ihrer Form den Wind weniger blockiert.
Funktionsweise: Der Wind erzeugt durch seinen Druck auf die konkave Seite der Schalen eine Drehbewegung, während die konvexe Seite weniger Widerstand bietet. Dies macht den Savonius-Rotor ideal für niedrige Windgeschwindigkeiten und robuste Anwendungen, wie zum Beispiel in Pumpensystemen oder als Kleinwindkraftanlage. Allerdings ist der Wirkungsgrad begrenzt, da diese Bauweise aerodynamisch weniger effizient ist.
Darrieus-Rotor
Der Darrieus-Rotor hat eine charakteristische geschwungene Form, die wie ein Ei oder eine Parabel aussieht, wenn man ihn von der Seite betrachtet. Diese Bauweise ermöglicht eine aerodynamisch effiziente Nutzung des Windes durch Auftriebskräfte, ähnlich wie bei Flugzeugtragflächen.
Funktionsweise: Der Rotor nutzt die Differenz im Luftdruck, der durch den Wind auf den Rotorblättern entsteht, um eine Drehbewegung zu erzeugen. Dies sorgt für eine hohe Rotationsgeschwindigkeit und eine größere Energieausbeute im Vergleich zu widerstandsorientierten Designs. Allerdings benötigt der Darrieus-Rotor oft einen externen Antrieb oder einen Anstoß, um sich in Bewegung zu setzen, da er bei Stillstand kein ausreichendes Startmoment entwickelt.
Giromill
Das Giromill-Design ist eine Variante des Darrieus-Rotors, bei der die Rotorblätter gerade und vertikal montiert sind. Es ähnelt einem H-Rotor, hat jedoch oft zusätzliche Mechanismen, die die Blätter je nach Windrichtung anpassen können.
Funktionsweise: Der Giromill nutzt den Auftrieb, ähnlich wie der Darrieus-Rotor, kann aber durch die geraden Blätter einfacher gebaut werden. Durch die Anpassung der Blätter an die Windverhältnisse kann die Effizienz gesteigert und der Wirkungsgrad verbessert werden. Dieses Design ist besonders in Experimenten und Forschung häufig zu finden.
H-Rotor
Der H-Rotor ist eine weitere Variante des Darrieus-Rotors, bei dem die Rotorblätter gerade sind und durch horizontale Verbindungen an den beiden Enden der vertikalen Achse befestigt werden. Von der Seite sieht er wie ein „H“ aus.
Funktionsweise: Ähnlich wie beim Darrieus-Rotor nutzt der H-Rotor aerodynamische Auftriebskräfte, um sich zu drehen. Er ist einfacher zu konstruieren als der Darrieus-Rotor und kann stabilere Strukturen aufweisen. Allerdings ist der H-Rotor anfällig für Vibrationen, die durch ungleichmäßige Windkräfte entstehen können.
Helical-Rotor
Der Helical-Rotor ist eine Weiterentwicklung des Darrieus-Rotors, bei dem die Rotorblätter in einer spiralförmigen Anordnung montiert sind. Dieses Design sorgt für eine gleichmäßigere Belastung der Rotorblätter.
Funktionsweise: Der spiralförmige Aufbau sorgt dafür, dass der Wind immer mindestens ein Teil des Rotors effizient antreibt, unabhängig von seiner Position. Dies reduziert Vibrationen und sorgt für eine gleichmäßigere Energieumwandlung. Der Helical-Rotor wird häufig für Anwendungen verwendet, bei denen Stabilität und Effizienz gleichermaßen gefragt sind.
Augmented Wind Turbine (AWT)
Die Augmented Wind Turbine kombiniert ein vertikales Rotordesign mit zusätzlichen Leitstrukturen, die den Wind gezielt auf den Rotor lenken und dabei verstärken. Diese Struktur umfasst oft Kanäle oder Schaufeln, die die Windgeschwindigkeit lokal erhöhen.
Funktionsweise: Der Wind wird durch die Leitstrukturen auf die Blätter konzentriert, wodurch mehr Energie aus einer geringeren Windgeschwindigkeit gewonnen werden kann. Dieses Design hat den Vorteil, dass es die Effizienz verbessert und in Gebieten mit niedrigeren Windgeschwindigkeiten leistungsstark bleibt.
Ergänzende Designs
Zusätzlich zu den genannten gibt es experimentelle oder weniger verbreitete Varianten wie den Lenz-Rotor, der ein verbessertes Savonius-Design darstellt, oder den Turby, ein spezieller Helical-Rotor für urbane Gebiete. Einige Designs kombinieren auch Elemente verschiedener Ansätze, um spezifische Anforderungen wie Stabilität, Geräuschminimierung oder Effizienz bei niedrigen Windgeschwindigkeiten zu erfüllen.
Technische Daten in der Übersicht
| Kriterium | Savonius-Rotor | Darrieus-Rotor | H-Rotor | Giromill | Helical-Rotor | Augmented Wind Turbine (AWT) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Wirkungsgrad | 15–25 % | 30–40% | 25–35% | 25–35% | 30–40 % | 40–50 % |
| Startwindgeschwindigkeit | 1,5–2 m/s | 3–4 m/s | 3 m/s | 3 m/s | 2,5–3,5 m/s | 1,5–2,5 m/s |
| Kosten (Kleinwindanlagen) | 2.000–6.000 € | 5.000–10.000 € | 4.000–9.000 € | 6.000–12.000 € | 6.000–12.000 € | 10.000–15.000 € |
| Maximale Leistung | Bis 5 kW | Bis 50 kW | Bis 30 kW | Bis 30 kW | Bis 30 kW | Bis 50 kW |
| Lebensdauer | 20–25 Jahre | 15–20 Jahre | 15–20 Jahre | 15–20 Jahre | 20–25 Jahre | 20–25 Jahre |
| Lärmentwicklung | Sehr niedrig (< 35 dB) | Mittel (35–45 dB) | Mittel (35–45 dB) | Mittel (35–45 dB) | Sehr niedrig (< 35 dB) | Mittel (35–45 dB) |
| Einsatzbereiche | Urban, abgelegene Gebiete | Ländlich, industrielle Anlagen | Hybridlösungen | Experimentelle Anwendungen | Urban, industrielle Anwendungen | Vielfältige Anwendungen |
| Effizienz bei Turbulenzen | Sehr hoch | Niedrig | Mittel | Mittel | Hoch | Sehr hoch |
| Komplexität der Konstruktion | Einfach | Hoch | Mittel | Hoch | Hoch | Sehr hoch |
| Installation | Sehr einfach | Komplex (höhere Masten nötig) | Mittel | Mittel | Mittel | Komplex (zusätzliche Strukturen) |
*Achtung: Die hier abgebildeten Werte basieren auf Recherchen aus unterschiedlichen Quellen. Da der Markt für vertikale Windkraftanlagen noch recht neu ist, können wir nicht für die Korrektheit der dargestellten Daten garantieren. Die Werte geben eine grobe Orientierung für den Vergleich der verschiedenen Designs, sollten aber nicht als Grundlage für datenbasierte Entscheidungen genutzt werden.
Vor- & Nachteile der Windkraftanlagen
Vorteile
- Unabhängigkeit von der Windrichtung: Vertikale Windkraftanlagen müssen nicht ausgerichtet werden und nutzen Wind aus allen Richtungen effizient.
- Platzsparende Bauweise: Aufgrund ihrer kompakten Struktur eignen sie sich besonders gut für urbane oder räumlich begrenzte Standorte.
- Geringe Geräuschentwicklung: Sie arbeiten leiser als horizontale Anlagen und sind daher ideal für den Einsatz in Wohngebieten.
- Betrieb bei niedrigen Windgeschwindigkeiten: Sie können bereits bei geringeren Windstärken Strom erzeugen.
- Weniger anfällig für Turbulenzen: In städtischen oder komplexen Umgebungen mit ungleichmäßigen Windverhältnissen sind sie stabiler und effizienter.
- Einfache Installation und Wartung: Viele Modelle sind bodennah installiert, was die Instandhaltung erleichtert.
Nachteile
- Geringerer Wirkungsgrad: Im Vergleich zu horizontalen Anlagen haben sie oft einen niedrigeren Energieertrag.
- Schwierigkeiten beim Anlauf: Einige Modelle benötigen bei Windstille eine externe Starthilfe, da sie wenig Eigenanlaufmoment besitzen.
- Höhere Kosten pro erzeugter Kilowattstunde: Durch den geringeren Wirkungsgrad sind sie wirtschaftlich oft weniger attraktiv.
- Strukturelle Belastungen: Besonders bei hohen Rotationen können Vibrationen oder mechanische Belastungen die Lebensdauer verkürzen.
- Begrenzte Skalierbarkeit: Vertikale Windkraftanlagen eignen sich besser für kleinere Anwendungen und sind selten für Großanlagen konzipiert.
- Komplexere aerodynamische Herausforderungen: Die Effizienz ist oft von der optimalen Gestaltung der Rotorblätter und des Standorts abhängig.
Lohnen sich vertikale Windkraftanlagen für private Nutzer:innen?
Vertikale Windkraftanlagen sind für private Nutzer:innen eine interessante Option, da sie wenig Platz benötigen, einfach zu installieren sind und auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten arbeiten. Mit einer Leistung von 500 Watt bis 5 Kilowatt können sie einen Teil des Haushaltsstrombedarfs decken und langfristig Stromkosten senken. Sie sind besonders für urbane Gebiete oder kleinere Grundstücke geeignet, da sie leise arbeiten (35–45 dB) und sich harmonisch in die Umgebung einfügen.
Die Anschaffungskosten liegen bei 2.000 bis 10.000 Euro, mit geringen jährlichen Wartungskosten von 100 bis 500 Euro. Die Amortisationszeit beträgt meist 10 bis 20 Jahre, abhängig von Windverhältnissen und Strompreisen. Wirtschaftlich sind sie oft weniger rentabel als Photovoltaik, bieten aber durch ihre Flexibilität und Nachhaltigkeit eine gute Alternative, insbesondere an windreichen Standorten oder bei begrenztem Platz.
Schon gewusst?
Private Haushalte können auch von Investitionen in Windenergie profitieren und einen Beitrag zum Umweltschutz leisten.
Unterschied zu horizontalen Windkraftanlagen
Vertikale Windkraftanlagen sind kompakter, leiser und einfacher zu installieren, eignen sich jedoch eher für kleinere Energiebedarfe. Horizontale Anlagen sind leistungsstärker und effizienter, aber sie benötigen mehr Platz und sind komplexer in der Handhabung. Die Wahl hängt stark vom Standort und der geplanten Nutzung ab.
| Kriterium | Vertikale Windkraftanlagen | Horizontale Windkraftanlagen |
|---|---|---|
| Rotationsachse | Senkrecht zur Erdoberfläche | Parallel zur Erdoberfläche |
| Windrichtung | Unabhängig von der Windrichtung | Müssen aktiv in die Windrichtung ausgerichtet werden |
| Platzbedarf | Gering, auch für urbane Gebiete geeignet | Höher, benötigen freie Flächen |
| Leistung und Wirkungsgrad | Geringer Wirkungsgrad (ca. 20–40%) | Höherer Wirkungsgrad (bis zu 50%) |
| Einsatzbereiche | Ideal für kleinere Anwendungen und urbane Räume | Für große Windparks und hohe Energieerzeugung konzipiert |
| Lautstärke | Leiser (35–45 dB), geeignet für Wohngebiete | Lauter (40–60 dB), oft nur in abgelegenen Gebieten geeignet |
| Komplexität | Einfachere Konstruktion, weniger bewegliche Teile | Komplexere Technik, höherer Wartungsaufwand |
| Startwindgeschwindigkeit | Funktioniert bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten (1,5–3 m/s) | Benötigt stärkeren Wind für den Start (3–5 m/s) |
| Kosten | Günstiger, aber weniger wirtschaftlich bei hoher Leistung | Höhere Anfangskosten, aber langfristig oft rentabler |
Hersteller-Übersicht
| Hersteller | Beschreibung |
|---|---|
| Agile Wind Power AG | Ein Schweizer Unternehmen, das mit der Vertical Sky®-Turbine eine vertikale Windturbine in der Megawatt-Klasse für die lokale, dezentrale Stromerzeugung entwickelt hat. |
| TESUP | Mit Sitz in Deutschland und Präsenz in 34 weiteren Ländern ist TESUP ein führender Hersteller von Haushalts-Windturbinen und Solarmodulen. Sie produzieren über 270 Komponenten, von Generatoren bis zu elektronischen Karten, in ihren europäischen Fabriken. |
| Vertikale Windkraftanlagen Hartmann | Bietet vertikale Kleinwindkraftanlagen von 300 W bis 10 kW sowie horizontale Windkraftanlagen von 10 kW bis 1 MW an. Zusätzlich vertreiben sie hochwertige Photovoltaik-Module und Stromspeicherlösungen. |
| LuvSide GmbH | Ein deutscher Hersteller von Kleinwindkraftanlagen, der Projekte wie die Installation von vier LS Double Helix-Kleinwindkraftturbinen an der V&A Waterfront in Kapstadt realisiert hat, um nachhaltige Energieversorgung zu fördern. |
| EURO-WINDPOWER oHG | Spezialisiert auf die Herstellung und den Vertrieb von vertikalen Kleinwindanlagen, bietet durchsichtige, geräuschlose und modulare Systeme zur ökologischen Energieerzeugung an. |
| Rewindagic | Bietet leistungsstarke vertikale Windkraftanlagen mit Savonius-Rotoren an, die bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten arbeiten und für den privaten Gebrauch geeignet sind. |
| Lightakai | Spezialisiert auf kompakte vertikale Windkraftanlagen mit Magnetschwebeachsen-Technologie, ideal für den Einsatz in privaten Haushalten. |
| Schachner Kleinwindkraft | Mit über 30 Jahren Erfahrung bietet das österreichische Unternehmen maßgeschneiderte Kleinwindkraftlösungen für private Anwender:innen an. |
Fazit
Vertikale Windkraftanlagen bieten eine vielseitige und nachhaltige Lösung zur Stromerzeugung, besonders in urbanen oder räumlich begrenzten Umgebungen. Trotz ihres geringeren Wirkungsgrads und ihrer begrenzten wirtschaftlichen Rentabilität im Vergleich zu horizontalen Modellen überzeugen sie durch ihre einfache Installation, geringe Lärmentwicklung und Flexibilität. Für private Nutzer:innen und kleinere Anwendungen können sie eine attraktive Ergänzung zu erneuerbaren Energietechnologien sein, sofern die Standortbedingungen stimmen.
Häufig gestellte Fragen
Wie hoch ist der Wirkungsgrad vertikaler Windkraftanlagen?
Der Wirkungsgrad vertikaler Windkraftanlagen liegt typischerweise zwischen 20% und 40%, abhängig von der Bauweise und den Standortbedingungen. Designs wie der Savonius-Rotor nutzen vor allem Widerstandskräfte und erreichen niedrigere Werte, während aerodynamisch optimierte Modelle wie der Darrieus- oder Helical-Rotor durch den Auftrieb eine höhere Energieeffizienz aufweisen. Im Vergleich zu horizontalen Windturbinen ist die Leistungsfähigkeit oft geringer, was zu einer geringeren wirtschaftlichen Attraktivität führt.
Ist ein vertikales Windrad und eine vertikale Windkraftanlage das Gleiche?
Ein vertikales Windrad und eine vertikale Windkraftanlage sind nahezu dasselbe, da beide auf einer vertikalen Achse basieren und Wind in mechanische Energie wandeln. Der Begriff „Windkraftanlage“ umfasst jedoch meist das gesamte System, einschließlich Generator und Einspeisevorrichtungen ins Stromnetz, während „Windrad“ oft nur den Rotor beschreibt.
Wie viel KW erzeugen die vertikalen Windkraftanlagen?
Vertikale Windkraftanlagen, insbesondere Kleinwindkraftanlagen, produzieren typischerweise 500 W bis 5 kW. Größere vertikale Windturbinen, wie sie von Herstellern wie der LuvSide GmbH entwickelt werden, erreichen bis zu 50 kW. Diese Anlagen sind ideal für die dezentrale Energieversorgung und städtische Gebiete, wo die Energie in Elektrizität umgewandelt und ins Stromnetz eingespeist werden kann.
Was kostet eine vertikale Windkraftanlage?
Die Kosten für vertikale Windkraftanlagen variieren je nach Größe und Leistung zwischen 2.000 und 10.000 € für Kleinwindkraftanlagen. Modelle mit spezialisierter Bauweise, wie vertikale Windturbinen mit Helix-Design oder aerodynamischen Flügelsegmenten, sind meist teurer.
Welche Windkraftanlage ist besser, vertikal oder horizontal?
Ob eine vertikale oder horizontale Windkraftanlage besser ist, hängt vom Einsatzbereich ab. Horizontale Windturbinen erreichen bei höheren Windgeschwindigkeiten eine erheblich höhere Energieeffizienz und eignen sich besser für große Windparks. Vertikale Anlagen hingegen sind ideal für städtische Gebiete oder komplexe Windverhältnisse, da sie Wind aus allen Richtungen nutzen und weniger Platz benötigen.
