Klingensteinlose Windturbinen: Die Zukunft der sauberen Energie

Forscher der Universität Glasgow erforschen aktiv Möglichkeiten, die Leistung von klingenlosen Windturbinen (BWTs) zu steigern. Dazu liefern sie Erkenntnisse aus Computersimulationen¹ dieser Turbinen und identifizieren die effizientesten Designs für zukünftige Modelle.

Die Forscher sagten:

„Die Ergebnisse könnten der Erneuerungsindustrie helfen, BWTs, die noch in einer frühen Forschungs- und Entwicklungsphase sind, von kleinen Feldexperimenten zu praktischen Formen der Stromerzeugung für nationale Stromnetze zu bringen.“

Klingenlose Windturbinen sind eine sich entwickelnde Form der Windkraftgewinnung, die hauptsächlich von Forschern untersucht wird. Sie gewinnen jedoch schnell an Aufmerksamkeit, und ihr Markt wächst ebenso schnell.

Im Jahr 2022 betrug die globale Markgröße von klingenlosen Windturbinen etwa 60,5 Milliarden US-Dollar und soll bis 2030 über 116 Milliarden US-Dollar überschreiten, getrieben von der steigenden Nachfrage nach erneuerbarer Energie auf der ganzen Welt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Windturbinen sind klingenlose Windturbinen leiser und benötigen weniger Platz. Sie passen sich auch 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 den Umweltimpact verringern, insbesondere im Hinblick auf die Tierwelt. Für Vögel erhöhen Turbinen mit Klingen das Risiko von Kollisionen, da sich schnell drehende Klingen in Turbinen wie ein Schleier oder unsichtbar ausnehmen können. Klingenlose Turbinen bewegen sich wesentlich weniger, was es Tieren wie Vögeln ermöglicht, sie leichter zu vermeiden.

Das geringe Gewicht und der niedrigere Schwerpunkt von BWTs verringern außerdem den Bedarf an Fundamenten, was wiederum die Installation von klingenlosen Turbinen vereinfacht.

Das einfachere Design dieser Turbinen erfordert auch weniger Wartung als herkömmliche Turbinen, was ihre Nutzungsdauer verlängert.

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Was sind klingenlose Windturbinen und wie funktionieren sie?

Erneuerbare Energiequellen, die aus natürlichen Ressourcen stammen, die sich selbst erneuern, sind der Schlüssel für den Übergang zu weniger CO2-intensiven 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 wächst die Windenergie rasant. Im Jahr 2024 deckten Erneuerbare und Kernenergie zusammen fast 41 % der weltweiten Stromerzeugung ab. Unter den Erneuerbaren hatte die Solarenergie den größten Anteil, gefolgt von der Windenergie, die auf 8,1 % der globalen Stromerzeugung anstieg.

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

Um Windenergie zu nutzen, werden in der Regel Windturbinen eingesetzt, die die mechanische Energie des Windes in elektrische Energie umwandeln. Es gibt jedoch eine alternative Möglichkeit, Windenergie zu nutzen, nämlich durch energiegeladene Designs, die auf der aeroelastischen Schwingung von flexiblen Strukturen basieren.

In den letzten paar Jahrzehnten hat die aeroelastische Energiegewinnung viel Aufmerksamkeit erhalten, insbesondere im Bereich der Vortex-induzierten Schwingung (VIV) von zylindrisch geformten Körpern. Die VIV-Technologie hat erhebliches Interesse geweckt und zu zahlreichen numerischen Modellierungen und experimentellen Forschungen geführt.

Die Vortex-induzierte Schwingung wird durch das abwechselnde Abscheiden von Wirbeln von beiden Seiten der Körper verursacht, was zu regelmäßigen Auftriebs- und Widerstandskräften sowie großen Querflussoszillationen in den Strukturen führt.

Wenn die Frequenz des Wirbelabscheidens der natürlichen Frequenz der Struktur entspricht, führt dies zu einer instabilen Bewegung und Oszillationen von sehr großer Amplitude. Dieses Verhalten ist als Lock-in-Phänomen bekannt.

Ein innovatives Konzept, um Windenergie zu nutzen, indem man die Vorteile der hohen Amplitudenoszillationen in Strukturen im Zusammenhang mit VIV und Lock-in nutzt, sind klingenlose Windturbinen (BWT).

Eine BWT verhält sich effektiv wie ein Körper, der in einem Fluidstrom platziert wird, der Wirbel erzeugt, indem er den Fluss von seiner Oberfläche trennt. Auf diese Weise zeigt die BWT ein enormes Potenzial für die Leistungsausgabe innerhalb eines bestimmten Windgeschwindigkeitsbereichs. Daher kann das Design von klingenlosen Turbinen mit stärkerer Oszillationsamplitude ihre Leistungsausgabe sowie den Betriebswindgeschwindigkeitsbereich gleichzeitig steigern.

Angesichts des Potenzials von BWTs bei der Gewinnung erneuerbarer Energie werden Bemühungen unternommen, um VIV für die Stromerzeugung auf kleinen Leistungsskalen von 1 bis 100 W zu nutzen.

Studien wurden auch durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Leistungsausgabe von BWT und Designvariablen wie Mastlänge, Gewicht und Windgeschwindigkeit zu untersuchen. Darüber hinaus erforscht die Forschung den Betriebswindgeschwindigkeitsbereich von BWT über ein Abstimmungssystem. Aber wir haben noch keine Klarheit über die Effizienz von klingenlosen Windturbinen.

Da Wind keine endliche Ressource ist, ist es wichtig zu bestimmen, ob die maximale Effizienz zu einer maximalen Leistungsausgabe von BWT führt.

Allerdings ist es noch nicht bekannt, ob die Ausgangsleistung für eine konstante Windleistung erhöht werden kann. Es gibt auch einen Mangel an fluid-Struktur-Interaktionsmodellierungen von klingenlosen Windturbinen, die verwendet werden können, um diese Turbinenparameter 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 kleinmaßstäblich sind, für größere Anwendungen auf Offshore-Standorten zu beschleunigen.

Diese Forschung beantwortet Fragen zur Effizienz und Leistungsausgabe von klingenlosen Windturbinen, indem sie ein einfaches numerisches Modell entwickelt, um den physikalischen Mechanismus von VIVs aufgrund von BWTs zu untersuchen. Die Forscher haben einen umfassenden analytischen Rahmen bereitgestellt, der die kritische Herausforderung der Optimierung von BWTs für die maximale Leistungsausgabe bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität angeht.

Können klingenlose Windturbinen mit herkömmlichen Turbinen mithalten?

Herkömmliche Windturbinen mit Klingen sind seit langem eine beliebte Möglichkeit, Wind in Elektrizität umzuwandeln. Diese Turbinen wandeln die kinetische Energie des Windes direkt in Drehbewegung der Klingen um, die dann einen Generator antreibt, um Strom zu erzeugen.

Klingenlose Windturbinen (BWTs) arbeiten nach einem anderen Prinzip als Klingen-Turbinen. Das Kernprinzip hier ist VIV, und anstelle von Klingen verwenden diese Turbinen hohe, schlanke, zylindrische Masten, die im Wind schwingen oder schwanken.

Um klingenlose Windturbinen (BWTs) mit maximierter Effizienz zu bauen, führte das Forscherteam der Universität Glasgow Simulationsläufe von BWT-Designs im Bereich von Tausenden durch.

Dies ermöglichte es ihnen, den optimalen Punkt zu finden, der die Leistungserzeugung maximiert, ohne die Festigkeit der Struktur negativ zu beeinflussen. Laut Dr. Wrik Mallik, James Watt School of Engineering:

„Was diese Studie zum ersten Mal zeigt, ist, dass, entgegen der Intuition, die Struktur mit der höchsten Effizienz für die Energieextraktion nicht tatsächlich die Struktur ist, die die höchste Leistungsausgabe liefert. Stattdessen haben wir den idealen Mittelpunkt zwischen den Designvariablen identifiziert, um die Fähigkeit von BWTs zu maximieren, Leistung zu erzeugen, während ihre strukturelle Festigkeit aufrechterhalten wird.“

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

Dies zeigte einen Kompromiss auf, der zuvor nicht bekannt war, nämlich dass die Vergrößerung des Mastdurchmessers die Effizienz und die Leistungsausgabe erhöht, aber die Spitzeneffizienz von 6 % und die maximale Leistung von 600 Watt durch unterschiedliche geometrische Konfigurationen erreicht werden.

Allerdings neigen Konfigurationen, die nur für die Leistungsausgabe optimiert sind, dazu, die strukturelle Sicherheitsgrenze zu überschreiten, während diejenigen, die die Effizienz maximieren, eine suboptimale Leistungsausgabe liefern.

Der optimale Entwurf ist daher ein 80 Zentimeter hoher Mast mit einem Durchmesser von 65 Zentimetern, wie die Studie zeigt, die in Renewable Energy veröffentlicht wurde.

Ein solches optimales Gleichgewicht zwischen Leistung und Festigkeit ist in der Lage, sicher 460 Watt Leistung zu liefern, eine Leistung, die besser ist als die der aktuellen Prototypen, die bei etwa 100 Watt liegen.

„In der Zukunft könnten BWTs eine unschätzbare Rolle bei der Stromerzeugung in städtischen Umgebungen spielen, in denen herkömmliche Windturbinen weniger nützlich sind.“

– Dr. Malik

Die Ergebnisse der Studie können eine wichtige Rolle bei der Sicherstellung der Sicherheit der Struktur in Winden im Bereich von 20 bis 70 Meilen pro Stunde spielen. Laut den Forschern könnte ihre Methodik die Skalierung von klingenlosen Windturbinen für die Erzeugung von 1.000 Watt (1 Kilowatt) oder mehr ermöglichen.

Mit dieser Forschung soll die Industrie dazu ermutigt werden, neue Prototypen von klingenlosen Windturbinen (BWTs) zu entwickeln, indem sie das effizienteste Design für BWTs klar demonstrieren.

„Das Entfernen einiger der Vermutungen, die mit der Verfeinerung von Prototypen verbunden sind, könnte dazu beitragen, BWTs näher an eine nützlichere Rolle im weltweiten Werkzeugkasten für die Erreichung von Netto-Null durch Erneuerbare zu bringen.“

– Professor Sondipon Adhikari, James Watt School of Engineering

Laut Adhikari planen die Ingenieure, ihre Kenntnisse über das BWT-Design und die Skalierung der Technologie zur Bereitstellung von Strom für eine Vielzahl von Anwendungen weiter zu verfeinern.

Sie sind auch „bereit“, speziell entwickelte Materialien wie Metamaterialien zu erforschen, die fein abgestimmt sind, um ihnen Eigenschaften zu verleihen, die in der Natur nicht vorkommen, in Bezug auf ihre Wirksamkeit bei der Steigerung der Effizienz von BWTs in den kommenden Jahren.

Neue Designs und Materialien für Next-Gen-BWTs

In einer anderen Studie², die von Forschern der Universität Alexandria durchgeführt wurde, wurden zwei neue Mechanismen zur Gestaltung von BWTs vorgestellt, um die betrieblichen Einschränkungen von klingenlosen Windturbinen zu überwinden, die durch das Lock-in-Phänomen entstehen und sie auf einen kleinen Bereich in der Nähe der strukturellen Eigenfrequenz beschränken.

Die eingeführten Mechanismen waren der Abstimmungsmechanismus und der elastische Abstimmungsmechanismus, der den Betrieb über einen weiten Windgeschwindigkeitsbereich von 2 bis 10 m/s ermöglicht.

Die Ergebnisse der Studie zeigen auch, dass die Verwendung der äquivalenten Masse und des Polarmoments der Trägheit des Mastteils am freien Ende des Kragarms wichtig ist, um die Turbine zu entwerfen und sicherzustellen, dass sie die Lock-in-Bedingungen erfüllt.

Das Ziel der Studie ist es, die optimale Leistung durch die Steuerung der Eigenfrequenz der Turbine aufrechtzuerhalten, indem die Abstimmungsmechanismen implementiert werden.

Ein mathematisches Modell wurde auch entwickelt, um die Eigenfrequenz an die Abscheidefrequenz bei der angegebenen Windgeschwindigkeit anzupassen. Die Validierung des Modells zeigte eine hohe Genauigkeit.

Der erste Mechanismus kann eine Steigerung der mechanischen Effizienz um 99,2 % bei 7 m/s erreichen, aber um höhere Biege- oder Biegemodulwerte zu erzielen, muss der zweite Mechanismus implementiert werden, um die Gesamtgröße 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 von entscheidender Bedeutung, wie die Studie zeigt, um ausreichende Festigkeit und Leistung zu gewährleisten, da sie die Gesamtschwingerigkeit der Struktur beeinflussen und somit die Leistung der BWT beeinflussen.

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

Die mechanischen Eigenschaften von Verbundmaterialien können, wie die Studie weiter feststellt, durch Ändern ihrer Herstellungsparameter, wie der Anzahl der Schichten und ihrer Ausrichtung, gesteuert werden, was es ermöglicht, die Festigkeit, Steifigkeit und andere Eigenschaften anzupassen, um spezifische Anforderungen für verschiedene Anwendungen zu erfüllen.

Obwohl die Technologie noch in den Anfängen ihrer Entwicklung steckt und auf experimentelle und Laborumgebungen beschränkt ist, hat sie bereits Anzeichen von realen Anwendungen gezeigt.

Letztes Jahr begann die BMW Group mit Tests für die klingenlose Windenergieeinheit. Der deutsche Automobilhersteller installierte die klingenlose Windenergieeinheit von Aeromine Technologies am MINI-Werk in Oxford.

Diese Fabrik wird als Teststand für die Technologie dienen, einschließlich der Bewertung des Potenzials der Einheit zur Verbesserung der Energieeffizienz in den Standorten des Unternehmens auf der ganzen Welt und in den Geschäftskomplexen im Vereinigten Königreich.

Die Windenergieeinheit von Aeromine ist auf der Kante eines Gebäudes installiert und auf den Wind ausgerichtet. Die vertikalen Airfoils der Einheit, die wie Flügel sind, erzeugen einen Vakuumeffekt, indem sie Luft hinter einem internen Propeller extrahieren, um saubere und grüne Elektrizität zu erzeugen.

„Unsere ‚bewegungslose‘ Windenergietechnologie ist darauf ausgelegt, nahtlos mit Solarsystemen zusammenzuarbeiten, um den Ausstoß erneuerbarer Energie von Dächern zu maximieren, während sie Herausforderungen wie Lärm, Vibrationen und Auswirkungen auf die Tierwelt angeht. Wir sind begeistert, zu sehen, wie diese erste Installation zu einer breiteren Anwendung in den globalen Einrichtungen von BMW führen kann.“

– Claus Lønborg, Geschäftsführer von Aeromine Technologies.

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Investitionen in Windenergie

Im Windenergiesektor ist General Electric (GE ) einer der größten Hersteller von Windturbinen durch seine Tochtergesellschaft GE Vernova (GEV ), ein globaler Energiekonzern, der Technologien zur Schaffung eines nachhaltigen elektrischen Energiesystems entwirft, herstellt und liefert. Zu seinen Segmenten gehören Power, mit dem Schwerpunkt auf Wasserkraft, Gas, Dampf und Kernenergie; Wind, mit Onshore- und Offshore-Windturbinen und -Blättern; und Elektrifizierung, mit Leistungsübertragung, Netzlösungen, Solarenergie und Speicherlösungen.

Das Unternehmen hat etwa 120 Gigawatt (GW) an installierter Energie in seinem Windturbinen-Flotten von 57.000 Turbinen, die weltweit über 4 Milliarden Stunden in Betrieb sind.

GE Vernova (GEV )

Mit einem Marktwert von 132,9 Milliarden US-Dollar werden GEV-Aktien derzeit bei 486 US-Dollar gehandelt, was einem Anstieg von über 48 % seit Jahresbeginn entspricht. Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von 6,94 und ein KGV (TTM) von 70,18, während die Dividendenrendite 0,21 % beträgt.

Im April veröffentlichte das Unternehmen seine Finanzberichte für das erste Quartal 2025, die einen Umsatz von 8 Milliarden US-Dollar, ein Nettoergebnis von 0,3 Milliarden US-Dollar und 1,2 Milliarden US-Dollar an Cash aus betrieblicher Tätigkeit aufwiesen. GE Vernova verzeichnete auch einen Anstieg der Bestellungen um 8 % auf 10,2 Milliarden US-Dollar.

Die Bargeldreserve am Ende des Quartals betrug 8,1 Milliarden US-Dollar. Während des Quartals wurden 1,3 Milliarden US-Dollar an die Aktionäre zurückgeführt.

„Wir haben starke Ergebnisse im ersten Quartal erzielt und unsere Geschäfte haben gut funktioniert. Wir haben unseren Geräte- und Service-Backlog erhöht, die Margen in jedem Segment deutlich verbessert und eine erhebliche Menge an Kapital an die Aktionäre zurückgeführt. Ich bin aufgerüstet, was die Zukunft betrifft, da wir erst am Anfang des Strom-Investitions-Superzyklus stehen.“

– CEO Scott Strazik

Der Windenergiesektor von GE Vernova zeigte jedoch eine gemischte Leistung, da er vor Herausforderungen im Offshore-Windsektor steht, während die Onshore-Windaktivitäten Wachstum verzeichnen.

Infolgedessen stieg die Onshore-Lieferung, unterstützt durch verbesserte Preise, während die Offshore-Aktivitäten eine Kontraktion erlebten. Der Windsektor blieb jedoch defizitär, zeigt aber Anzeichen der Verbesserung.

Die Bestellungen für den Windsektor von GE Vernova beliefen sich auf 0,6 Milliarden US-Dollar, während der Umsatz 1,8 Milliarden US-Dollar betrug. Das Unternehmen investierte während des Quartals über 100 Millionen US-Dollar, um die Leistung seines Flottengeschäfts zu steigern.

Letzten Monat kündigte GE Vernova an, dass es nun die Macht der Robotik und künstlichen Intelligenz nutzt, um die Qualität jedes hergestellten Blatts sowie die Qualität der Rohmaterialien vor der Modellierung und Montage zu überprüfen. Langfristig soll die künstlich intelligente Qualitätsfähigkeit die Lebensdauer der kritischen Komponenten und folglich die Lebensdauer der Turbinen verbessern.

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu GE Vernova (GEV)

Schlussgedanken: Sind klingenlose Windturbinen die Zukunft?

Herkömmliche Windturbinen sind für die effiziente Nutzung von Windenergie unerlässlich, aber sie haben einige ernsthafte, inhärente Nachteile, wie hohe Anfangskosten, Lärmbelästigung, regelmäßige Wartung, visuelle und ökologische Auswirkungen, Bau-einschränkungen in städtischen Gebieten und effiziente Funktion nur bei hohen Windgeschwindigkeiten.

All diese Faktoren haben die Entwicklung alternativer Technologien vorangetrieben, wobei klingenlose Windturbinen (BWTs) ein neues, aufregendes Kapitel in der erneuerbaren Energietechnologie darstellen.

Bei BWTs erzeugt die Bewegung des Windes Wirbel, die die gesamte Struktur zum Schwingen bringen, und wenn die Schwingungsbewegung der natürlichen Schwingungsfrequenz der Struktur entspricht, wird die Bewegung dramatisch verstärkt. Diese verstärkte Bewegung oder Schwingung wird dann in Elektrizität umgewandelt. Die Technologie ist jedoch noch in den Anfängen ihrer Entwicklung.

Da Forscher Designs optimieren, die höhere Ausgangsleistungen und größere strukturelle Integrität erzielen können, können BWTs endlich wertvolle Ergänzungen der Energieportfolios werden.

Da die Nachfrage nach sauberer Energie weiter steigt und laufende Forschungen dazu beitragen, die Innovation in kommerziell umsetzbare Lösungen zu skalieren, können wir unsere Reise in eine netto-null-Future beschleunigen.

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Studien:

1. Breen, J.; Mallik, W.; Adhikari, S. Performance Analysis and Geometric Optimization of Bladeless Wind Turbines Using Wake Oscillator Model. Renew. Energy 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549

2. Mohamed, Z.; Soliman, M.; Feteha, M.; et al. A Novel Optimal Design Approach for Bladeless Wind Turbines Considering Mechanical Properties of Composite Materials Used. Sci. Rep. 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9