Was ist eine vertikale Windkraftanlage?
Eine vertikale Windkraftanlage ist eine Windenergieanlage, deren Rotationsachse senkrecht zur Erdoberfläche steht. Im Gegensatz zu den bekannteren horizontalen Modellen benötigt die vertikale Windkraftanlage keine Ausrichtung nach der Windrichtung, da sie Wind aus allen Richtungen aufnehmen kann. Das ist auch ihr größter Vorteil und ein Grund, warum diese Anlagen zukünftig häufiger verbaut werden könnten.
Die Eigenschaft macht sie damit außerdem besonders geeignet für urbane Gebiete, Standorte mit unbeständigen Windverhältnissen oder begrenzten Platzverhältnissen. Durch ihre kompakte und platzsparende Bauweise bietet die vertikale Windkraftanlage eine interessante Alternative für die Nutzung von Windenergie in unterschiedlichsten Umgebungen.
Fachleute sprechen auch vom vertikalen Windgenerator oder senkrechten Windrad.
Wie funktioniert eine vertikale Windkraftanlage? Aufbau und Rotortypen im Überblick
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. Peer-reviewte Studien zu VAWT-Wirkungsgraden belegen, dass der Savonius-Rotor typischerweise nur 15 bis 25 % erreicht, 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. Wissenschaftliche Untersuchungen zur AWT-Effizienz bestätigen, dass dieses Design 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.
📌 Good-to-Know: Das Betz’sche Gesetz setzt der Windenergienutzung eine physikalische Grenze: Maximal 59,3 % der im Wind enthaltenen Energie lassen sich theoretisch in Strom umwandeln. Kein Rotordesign kann diesen Wert überschreiten.
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, darunter peer-reviewte Studien zu VAWT-Wirkungsgraden. Da der Markt für vertikale Windkraftanlagen noch recht neu ist, können wir nicht für die Korrektheit aller 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.
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Welche Vor- und Nachteile haben vertikale 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 bis 45 dB) und sich harmonisch in die Umgebung einfügen.
Die Anschaffungskosten liegen bei 2.000 bis 10.000 € (Stand 2025/2026), hinzu kommen Kosten für Laderegler, Wechselrichter und Batteriespeicher bei netzunabhängigen Systemen. Jährliche Wartungskosten betragen typischerweise 100 bis 500 €. Die Amortisationszeit beträgt meist 10 bis 20 Jahre, abhängig von Windverhältnissen und Strompreisen.
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Brauche ich eine Genehmigung für eine vertikale Windkraftanlage?
Die Genehmigungspflicht für eine vertikale Windkraftanlage hängt vom Bundesland, der Anlagenhöhe und dem Standort ab. Eine pauschale Antwort gibt es nicht.
Als Faustregeln gelten:
- Anlagen mit einer Gesamthöhe unter 10 m sind in manchen Bundesländern genehmigungsfrei, sofern sie im Innenbereich (besiedeltes Gebiet) aufgestellt werden.
- Im Außenbereich sind Windkraftanlagen in der Regel nach § 35 Baugesetzbuch privilegiert, aber trotzdem genehmigungspflichtig.
- In Naturschutzgebieten oder denkmalgeschützten Bereichen gelten zusätzliche Einschränkungen.
- Viele Kommunen haben eigene Regelungen für Kleinwindanlagen.
Wer eine vertikale Windkraftanlage im städtischen Umfeld plant, sollte vor dem Kauf unbedingt die lokale Baubehörde kontaktieren.
Vertikale Windkraftanlage fürs Einfamilienhaus: Was muss ich beachten?
Für Einfamilienhäuser kommen vor allem Kleinwindanlagen mit 500 W bis 5 kW in Frage. Diese Leistungsklasse deckt typischerweise einen Teil des Grundlastbedarfs eines Haushalts ab, nicht den Gesamtbedarf.
Zwei Montagearten stehen zur Wahl:
- Dachmontage: Platzsparend, aber mit Risiken. Vibrationen des Rotors können sich auf die Gebäudestruktur übertragen. Eine statische Prüfung ist zwingend erforderlich. Lärm wird durch die Bausubstanz in den Wohnraum geleitet.
- Gartenmontage (freistehend): Vibrationsrisiko entfällt, die Anlage muss jedoch ausreichend Abstand zu Gebäuden und Grundstücksgrenzen einhalten. Windverhältnisse sind im Garten oft turbulenter als auf dem Dach.
Vor dem Kauf sind diese Schritte sinnvoll:
- Standort mit einem Windmesser über mehrere Wochen prüfen oder den Deutschen Windatlas nutzen.
- Genehmigungspflicht beim lokalen Baurechtsamt klären.
- Kosten für Komplettset inklusive Laderegler, Wechselrichter und ggf. Batteriespeicher einkalkulieren.
Vertikale vs. horizontale Windkraftanlage: Was ist besser?
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. |
