Bladeless-Windturbinen: Die Zukunft der sauberen Energie

Forscher der Universität Glasgow untersuchen aktiv Möglichkeiten, die Leistung von bladenlosen Windturbinen (BWTs) zu steigern. Dafür stellen sie Einblicke aus Computersimulationen¹ dieser Turbinen bereit und identifizieren die effizientesten Designs für zukünftige Modelle.

The researchers said:

„Die Ergebnisse könnten der Erneuerbare‑Energien‑Industrie helfen, BWTs, die sich noch in einem frühen Stadium von Forschung und Entwicklung befinden, von kleinen Feldversuchen zu praktischen Formen der Stromerzeugung für nationale Stromnetze zu führen.“ 

Bladenlose Windturbinen sind eine sich entwickelnde Form der Windenergieerzeugung, die hauptsächlich von Forschern untersucht wird. Sie gewinnen jedoch schnell an Aufmerksamkeit, und ihr Markt wächst ebenfalls rasant.

Im Jahr 2022 wurde die globale Marktgröße für bladenlose Windturbinen auf etwa $60.5 billion geschätzt und soll bis 2030 die 116 Mrd. $ übersteigen, angetrieben durch die steigende Nachfrage nach erneuerbarer Energie weltweit.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Windturbinen sind bladenlose Windturbinen (BWTs) leiser und benötigen weniger Platz. Sie passen sich zudem schneller an Änderungen der Windrichtung an, was sie in städtischen Umgebungen mit turbulenten Winden sehr nützlich macht.

Ein weiterer großer Vorteil von BWTs ist, dass sie die Umweltauswirkungen, insbesondere für die Tierwelt, verringern. Für Vögel erhöhen Turbinen mit Blättern das Kollisionsrisiko, da die schnell rotierenden Blätter wie ein unsichtbarer Schleier wirken können. Bladenlose Turbinen bewegen sich deutlich weniger, sodass Tiere wie Vögel ihnen leichter ausweichen können. 

Das geringe Gewicht und der niedrigere Schwerpunkt von BWTs verringern gleichzeitig den Bedarf an Fundamenten, wodurch die Installation bladenloser Turbinen vereinfacht wird.

Das einfachere Design dieser Turbinen erfordert zudem weniger Wartung als herkömmliche Turbinen, was wiederum ihre Nutzungsdauer erhöht.

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Was sind bladenlose Windturbinen und wie funktionieren sie?

Erneuerbare Energien, die aus sich selbst erneuernden natürlichen Ressourcen stammen, sind entscheidend für den Übergang zu weniger kohlenstoffintensiven und nachhaltigeren Energiesystemen.

Zu den erneuerbaren Energiequellen gehören Wind, Sonnenlicht, Regen, Wellen, Gezeiten, thermische Energie und Biomasse. Diese Ressourcen sind nicht nur wichtig, um unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, sondern auch, um den Klimawandel zu mildern. 

Unter den erneuerbaren Energiequellen ist die Windenergie ein schnell wachsender Sektor. Im Jahr 2024 stellten Erneuerbare und Kernenergie zusammen fast 41 % der weltweiten Stromerzeugung. Unter den Erneuerbaren trug Solar am meisten bei, gefolgt von der Windenergie, die auf 8,1 % der globalen Stromerzeugung anstieg.

Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) werden Solar‑PV und Wind bis 2030 voraussichtlich 95 % aller Ergänzungen der erneuerbaren Kapazität ausmachen.

Um Windenergie zu nutzen, werden typischerweise Windturbinen eingesetzt, die die mechanische Energie des Windes in elektrische Energie umwandeln. Eine alternative Möglichkeit, Windenergie zu nutzen, besteht jedoch in energieerzeugenden Designs, die auf der aeroelastischen Schwingung flexibler Strukturen basieren. 

In den letzten Jahrzehnten hat die aeroelastische Energiegewinnung stark an Bedeutung gewonnen, wobei ein besonderer Fokus auf wirbelinduzierter Schwingung (VIV) von zylindrischen, bluffartigen Körpern lag. Die VIV‑Technologie hat erhebliches Interesse geweckt und zu zahlreichen numerischen Modellierungen und experimentellen Forschungen geführt.

Wirbelinduzierte Schwingungen werden durch das abwechselnde Abwerfen von Wirbeln an beiden Seiten bluffartiger Körper verursacht. Dies führt zu regelmäßigen Auftriebs- und Widerstandskräften sowie zu großen Querbewegungen in den Strukturen. 

Wenn die Frequenz des Wirbelabwurfs mit der Eigenfrequenz der Struktur übereinstimmt, entsteht eine instabile Bewegung und Schwingungen mit sehr großer Amplitude. Dieses Verhalten ist als Lock‑In‑Phänomen bekannt.

Ein innovatives Konzept, um Windenergie zu nutzen, indem die hochamplitudigen Schwingungen von Strukturen im VIV‑ und Lock‑In‑Zustand ausgenutzt werden, sind bladenlose Windturbinen (BWT).

Eine BWT verhält sich effektiv wie ein bluffartiger Körper, der in einem Fluidstrom platziert ist und Wirbel erzeugt, indem er die Strömungsablösung von seiner Oberfläche initiiert. Auf diese Weise zeigt die BWT ein enormes Potenzial für die Leistungsabgabe innerhalb eines bestimmten Windgeschwindigkeitsbereichs. Daher kann das Design von bladenlosen Turbinen mit stärkerer Schwingungsamplitude ihre Leistungsabgabe sowie den Betriebs‑Windgeschwindigkeitsbereich gleichzeitig erhöhen.

Angesichts des Potenzials von BWTs zur Gewinnung erneuerbarer Energie werden Anstrengungen unternommen, VIV zur Stromerzeugung im kleinen Leistungsbereich von 1 bis 100 W zu nutzen.

Es wurden auch Studien durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Leistungsabgabe von BWTs und Designvariablen wie Mastlänge, Gewicht und Windgeschwindigkeit zu bewerten. Darüber hinaus erforscht die Forschung den Betriebs‑Windgeschwindigkeitsbereich von BWTs mittels eines Abstimmungssystems. Wir haben jedoch noch keine Klarheit über die Effizienz von bladenlosen Windturbinen gewonnen.

Da Wind keine endliche Ressource ist, ist es wichtig zu bestimmen, ob maximale Effizienz zu maximaler BWT‑Leistungsabgabe führt. 

Allerdings ist noch nicht bekannt, ob die Ausgangsleistung bei konstanter Eingangs‑Windleistung erhöht werden kann. Zudem mangelt es an Fluid‑Struktur‑Interaktionsmodellen für bladenlose Windturbinen, die leicht verwendet werden könnten, um die Parameter dieser Turbinen zu untersuchen und Antworten auf ihre Effizienz zu erhalten. 

Daher zielt die neueste Studie von Forschern der Universität Glasgow darauf ab, die laufenden Initiativen zur Skalierung bestehender BWT‑Modelle, die derzeit im kleinen Maßstab vorliegen, für großskalige Anwendungen an Offshore‑Standorten zu beschleunigen. 

Diese Forschung behandelt Fragen zur Effizienz und Leistungsabgabe von bladenlosen Windturbinen, indem ein einfaches numerisches Modell entwickelt wird, um den physikalischen Mechanismus der VIVs aufgrund von BWTs zu untersuchen. Die Forscher haben einen umfassenden analytischen Rahmen bereitgestellt, der die kritische Herausforderung der Optimierung von BWTs für maximale Energieextraktion bei gleichzeitiger struktureller Integrität angeht. 

Können bladenlose Windturbinen mit herkömmlichen konkurrieren?

Konventionelle Windturbinen mit Rotorblättern sind seit langem eine beliebte Methode, Wind in Strom umzuwandeln. Diese Turbinen wandeln die kinetische Energie des Windes direkt in eine Rotationsbewegung der Blätter um, die dann einen Generator antreiben, um Strom zu erzeugen.

Bladenlose Windturbinen (BWTs) funktionieren nach einem anderen Prinzip als Blattturbinen. Das Kernprinzip ist VIV, und anstelle von Blättern verwenden diese Turbinen hohe, schlanke, zylindrische Masten, die im Wind vibrieren oder schwingen. 

Um bladenlose Windturbinen (BWTs) für maximale Effizienz zu bauen, führte das Forscherteam der Universität Glasgow Simulationen von BWT-Designs im Tausender‑Umfang durch.

Damit konnten sie den optimalen Punkt finden, der die Stromerzeugung maximiert, ohne die strukturelle Festigkeit negativ zu beeinflussen. Laut Dr. Wrik Mallik von der James Watt School of Engineering:

„Was diese Studie zum ersten Mal zeigt, ist, dass entgegen der Intuition die Struktur mit der höchsten Effizienz zur Energiegewinnung nicht die Struktur ist, die die höchste Leistungsabgabe liefert. Stattdessen haben wir den idealen Mittelwert zwischen den Designvariablen identifiziert, um die Fähigkeit von BWTs zu maximieren, Strom zu erzeugen, während ihre strukturelle Festigkeit erhalten bleibt.“

Die Ergebnisse der Studie geben Aufschluss darüber, wie die Abmessungen des Mastes, einschließlich Breite und Höhe, nicht nur die produzierte Leistung, sondern auch die strukturelle Integrität dieser Turbinen beeinflussen.

Dies offenbarte einen bisher unbekannten Kompromiss: Während die Erhöhung des Mastdurchmessers sowohl die Effizienz als auch die Energieextraktion verbessert, werden die maximale Effizienz von 6 % und die maximale Leistung von 600 W durch unterschiedliche geometrische Konfigurationen erreicht.

Allerdings überschreiten Konfigurationen, die ausschließlich auf maximale Leistungsabgabe optimiert sind, die strukturellen Sicherheitsgrenzen, während solche, die die Effizienz maximieren, eine suboptimale Leistungsabgabe liefern. 

Daher ist das ideale Design ein Mast von 31,4 Zoll bzw. 80 cm mit einem Durchmesser von 25,4 Zoll bzw. 65 cm, wie die in der Zeitschrift Renewable Energy veröffentlichten Studienergebnisse zeigen.

Eine solche optimale Balance von Leistungsstärke kann sicher beeindruckende 460 W liefern, eine Leistung, die besser ist als die aktuellen Prototypen in der realen Welt, die bei etwa 100 W liegen. 

„In Zukunft könnten BWTs eine unschätzbare Rolle bei der Erzeugung von Windenergie in städtischen Umgebungen spielen, wo konventionelle Windturbinen weniger nützlich sind.“

– Dr. Malik

Die Studienergebnisse können eine wichtige Rolle dabei spielen, die Sicherheit der Struktur bei Windgeschwindigkeiten von 20 bis 70 Meilen pro Stunde (mph) zu gewährleisten. Laut den Forschern könnte ihre Methodik die Skalierung bladenloser Windturbinen für die Erzeugung von 1.000 W (1 kW) oder mehr ermöglichen.

Mit dieser Forschung soll die Industrie ermutigt werden, neue Prototypen bladenloser Windturbinen (BWTs) zu entwickeln, indem das effizienteste Design für BWTs klar demonstriert wird.

„Das Entfernen von Rätselraten bei der Verfeinerung von Prototypen könnte dazu beitragen, BWTs näher an die Rolle zu bringen, ein nützlicher Teil des Werkzeugkastens der Welt zu werden, um Netto‑Null durch erneuerbare Energien zu erreichen.“ 

– Professor Sondipon Adhikari, James Watt School of Engineering

Laut Adhikari planen die Ingenieure, ihr Verständnis des BWT‑Designs weiter zu verfeinern und zu untersuchen, wie sie die Technologie skalieren können, um Strom für ein breites Anwendungsspektrum bereitzustellen.

Sie sind zudem „eifrig“, speziell entwickelte Materialien, sogenannte Metamaterialien, zu erforschen, die fein abgestimmt sind, um Eigenschaften zu verleihen, die in der Natur nicht vorkommen, um die Effektivität von BWTs in den kommenden Jahren zu steigern.

Neue Designs und Materialien für die nächste Generation von BWTs

In einer weiteren Studie², die von Forschern der Alexandria University zu Beginn dieses Jahres durchgeführt wurde, wurden zwei neue Mechanismen vorgestellt, um BWTs zu entwerfen, die betriebliche Einschränkungen bladenloser Windturbinen adressieren, die durch das Lock‑In‑Phänomen entstehen und sie auf einen kleinen Bereich nahe der strukturellen Eigenfrequenz beschränken. 

Die vorgestellten Mechanismen waren der Abstimmungs‑Massen‑Mechanismus und der elastische Abstimmungs‑Mechanismus, die einen Betrieb über einen breiten Windgeschwindigkeitsbereich von 2 bis 10 m/s ermöglichen.

Die Studienergebnisse zeigen zudem, dass die Nutzung der äquivalenten Masse und des polaren Trägheitsmoments der Mast‑Einheit am freien Ende des auskragenden Balkens wichtig für das Design der Turbine ist, um die Lock‑In‑Bedingungen zu erfüllen.

Ziel der Studie ist es, die ideale Leistung zu erhalten, indem die Eigenfrequenz der Turbine durch die Implementierung der Mechanismen gesteuert wird.

Ein mathematisches Modell wurde ebenfalls erstellt, um die Eigenfrequenz so anzupassen, dass sie mit der Abwurffrequenz bei der angegebenen Windgeschwindigkeit übereinstimmt. Die Validierung des Modells zeigte eine hohe Genauigkeit. 

Der erste Mechanismus kann bei 7 m/s eine Steigerung der mechanischen Effizienz um 99,2 % erreichen, aber um höhere Biege‑ oder Flexionsmodulwerte zu erhalten, muss der zweite Mechanismus integriert werden, um die Gesamtabmessungen der Turbine zu reduzieren. Der einheitliche Ansatz erhöht die Effizienz um 55,7 %.

Neben den Abstimmungsmechanismen ist die Auswahl geeigneter Materialien für die flexiblen Komponenten der Turbine entscheidend, um ausreichende Festigkeit und Leistung sicherzustellen, da sie die Gesamsteifigkeit der Struktur beeinflussen. Dadurch wird die Eigenfrequenz der Struktur beeinflusst, was wiederum die gesamte BWT‑Leistung beeinflusst. 

Die Studie berichtete, dass Kohlenstoff- und Glasfasern die besten Materialien für die Fertigung der Hauptkomponenten von BWTs sind.

Die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen können, wie die Studie weiter feststellte, durch Änderung ihrer Fertigungsparameter, wie der Anzahl der Schichten und deren Orientierung, gesteuert werden, was eine Anpassung von Festigkeit, Steifigkeit und anderen Merkmalen ermöglicht, um spezifische Anforderungen für verschiedene Anwendungen zu erfüllen.

Obwohl die Technologie noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium ist und auf experimentelle und Laborbedingungen beschränkt bleibt, zeigen sich bereits Anzeichen für reale Anwendungen. 

Ende letzten Jahres begann die BMW Group mit Tests für die bladenlose Windenergieeinheit. Der deutsche Automobilhersteller installierte die bladenlose Windenergieeinheit von Aeromine Technologies in seinem MINI‑Werk in Oxford.

Dieses Werk wird als Teststandort für die Technologie dienen und die Bewertung des Potenzials der Einheit zur Verbesserung der Energieeffizienz an den Standorten des Unternehmens weltweit sowie in Geschäftsgebäuden im Vereinigten Königreich umfassen.

Aeromines Windenergieeinheit ist an der Gebäudekante installiert und zum Wind ausgerichtet. Die vertikalen Luftprofile der Einheit, die wie Flügel wirken, erzeugen einen Vakuumeffekt, indem sie Luft hinter einem internen Propeller ansaugen, um sauberen und grünen Strom zu erzeugen.

„Unsere ‚bewegungslose‘ Windenergietechnologie ist so konzipiert, dass sie nahtlos neben Solarsystemen arbeitet und die erneuerbare Energieausbeute von Dächern maximiert, während sie Herausforderungen wie Lärm, Vibrationen und Auswirkungen auf die Tierwelt adressiert. Wir freuen uns zu sehen, wie diese erste Installation zu breiteren Anwendungen an BMWs globalen Einrichtungen führen kann.“

– Claus Lønborg, Managing Director bei Aeromine Technologies.

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Investition in Windenergie

Im Windenergiesektor ist General Electric (GE ) einer der größten Windturbinenhersteller über seine Tochtergesellschaft GE Vernova (GEV ), ein globales Energieunternehmen, das Technologien entwirft, herstellt und liefert, um ein nachhaltiges elektrisches Energiesystem zu schaffen. Zu seinen Segmenten gehören Power, mit Fokus auf Wasser, Gas, Dampf und Kernenergie; Wind, mit Onshore‑ und Offshore‑Windturbinen und Rotorblättern; und Electrification, das Stromumwandlung, Netzlösungen, Solar und Speicherlösungen abdeckt.

Das Unternehmen hat etwa 120 Gigawatt (GW) an installierter Energie über seine Flotte von 57.000 Windturbinen, die weltweit über 4 Milliarden Stunden betrieben werden.

GE Vernova (GEV ) 

Mit einer Marktkapitalisierung von 132,9 Mrd. $, handeln die GEV-Aktien derzeit bei 486 $, ein Anstieg von über 48 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von 6,94 und ein KGV (TTM) von 70,18 auf, während die angebotene Dividendenrendite 0,21 % beträgt.

Im April berichtete das Unternehmen über seine Finanzergebnisse des ersten Quartals 2025, die einen Umsatz von 8 Mrd. $, einen Nettogewinn von 0,3 Mrd. $ und 1,2 Mrd. $ Cash aus operativen Aktivitäten zeigten. GE Vernova meldete zudem einen Anstieg der Aufträge um 8 % auf 10,2 Mrd. $.

Der Kassenbestand am Quartalsende betrug 8,1 Mrd. $. Gleichzeitig wurden 1,3 Mrd. $ an die Aktionäre zurückgeführt.

„Wir haben im ersten Quartal starke Ergebnisse erzielt und unsere Geschäfte setzen ihre gute Ausführung fort. Wir haben unseren Auftragsbestand für Ausrüstung und Dienstleistungen ausgebaut, die Margen in jedem Segment deutlich verbessert und geben einen erheblichen Teil des Kapitals an die Aktionäre zurück. Ich bin gespannt auf das, was kommt, da wir erst am Anfang des Superzyklus für Strominvestitionen stehen.“

– CEO Scott Strazik

Das Windgeschäft von GE Vernova zeigte jedoch eine gemischte Performance, da es Herausforderungen im Offshore‑Windbereich gibt, während das Onshore‑Windsegment Wachstum verzeichnet.

Infolgedessen stieg die Onshore‑Lieferung, unterstützt durch verbesserte Preise, während die Offshore‑Operationen eine Kontraktion erfuhren. Obwohl das Windsegment weiterhin Verlust machend ist, zeigen sich Anzeichen einer Verbesserung. 

Die Aufträge des Windgeschäfts von GE Vernova beliefen sich auf 0,6 Mrd. $, während der Umsatz 1,8 Mrd. $ betrug. Das Unternehmen investierte im Zeitraum zudem über 100 Mio. $ zur Verbesserung der Leistung seiner Flotte.

Letzten Monat kündigte GE Vernova an, nun die Kraft von Robotik und KI zu nutzen, um die Qualität jedes hergestellten Rotors sowie die Qualität der Rohmaterialien vor Modellierung und Montage zu prüfen. Langfristig wird die KI‑gestützte Qualitätsfähigkeit die Lebensdauer kritischer Komponenten und damit die Lebensdauer der Turbinen verbessern.

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu GE Vernova (GEV) Aktien

Abschließende Gedanken: Sind bladenlose Windturbinen die Zukunft?

Konventionelle Windturbinen sind entscheidend für die effiziente Erfassung von Windenergie, weisen jedoch einige gravierende, inhärente Nachteile auf, wie hohe Anfangskosten, Lärmbelästigung, regelmäßige Wartung, visuelle und ökologische Auswirkungen, Baueinschränkungen in städtischen Gebieten und effizienten Betrieb nur bei hohen Windgeschwindigkeiten.

All diese Faktoren haben die Entwicklung alternativer Technologien vorangetrieben, wobei bladenlose Windturbinen (BWTs) ein aufstrebendes und spannendes neues Kapitel in der Technologie erneuerbarer Energien darstellen. 

Bei BWTs erzeugt die Bewegung des Windes Wirbel, die die gesamte Struktur zum Schwingen bringen, und wenn die Schwingungsbewegung mit der natürlichen Schwingungsfrequenz der Struktur übereinstimmt, wird die Bewegung dramatisch verstärkt. Diese verstärkte Bewegung oder Vibration wird dann in Strom umgewandelt. Obwohl die Technologie leistungsstark ist, befindet sie sich noch in den frühen Entwicklungsstadien. 

Durch die Optimierung von Designs, die höhere Ausgaben und größere strukturelle Integrität erreichen können, könnten BWTs schließlich zu wertvollen Ergänzungen von Energiportfolios werden. 

Da die Nachfrage nach sauberer Energie weiter steigt und laufende Forschung die Innovation in kommerziell nutzbare Lösungen skaliert, können wir unsere Reise zu einer Netto‑Null‑Zukunft beschleunigen.

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Studien zitiert:

1. Breen, J.; Mallik, W.; Adhikari, S. Leistungsanalyse und geometrische Optimierung von bladenlosen Windturbinen mittels Wake‑Oscillator‑Modell. Renew. Energy 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549

2. Mohamed, Z.; Soliman, M.; Feteha, M.; et al. Ein neuartiger optimaler Designansatz für bladenlose Windturbinen unter Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften der verwendeten Verbundwerkstoffe. Sci. Rep. 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9