Windfang in luftiger Höhe: Aller guten Flügel sind drei

Warum sind es eigentlich fast immer drei Rotorblätter, die sich bei einer modernen Windenergieanlage drehen? Warum sind es nicht zwei oder fünf oder vielleicht noch mehr? Und warum eigentlich nicht vier wie bei den guten alten Windmühlen, die heute als historische Schmuckstücke die Landschaft zieren? Die Antwort sei hier kurz und knapp zusammengefaßt: Es ist der beste Kompromiss aus vielen physikalischen und ökonomischen Erwägungen.

Fangen wir mal ganz unten an, mit dem Zwei-Flügel-Modell. Bei dem dreht sich der Rotor tatsächlich am schnellsten von allen. Der Wind muss hier am wenigsten Masse bewegen und erzeugt so pro Flügel gerechnet auch am meisten Energie. Im Prinzip ist eine Windenergieanlage nichts anderes als ein gigantisches Fahrraddynamo. Und Zweirad-Rotoren sind, was die Windernte angeht, tatsächlich attraktiv. Doch warum werden sie dann eigentlich so selten eingesetzt? Das liegt im Wesentlichen an zwei Nachteilen:

Sie sind ungeheuer laut! Denn mit der Geschwindigkeit der Rotorblattspitzen steigt auch die Lautstärke, und zwar gewaltig, mit sechsfacher Potenz. Es gibt aber noch einen weiteren Grund, warum zwei Rotorblätter auf Dauer nicht zu empfehlen sind: Das liegt an der Unwucht, die sie mit jeder Umdrehung produzieren. Immer wenn sich ein Blatt unten vor dem Turm befindet und nur sehr wenig Wind erfährt, steht das andere in der 12-Uhr-Position und ist dabei sehr viel Wind ausgesetzt, da die Windgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe steigt. Oben wirkt dann eine deutlich größere Kraft am Rotor als unten. Die Rotorachse wird damit besonders belastet. Kurz gesagt: Es läuft einfach nicht rund. Das gilt im Übrigen auch für Windräder mit vier Flügeln.

Am besten ist eine ungerade Blattanzahl. Bei solchen Modellen wirken die Biegekräfte viel gleichmäßiger und günstiger auf die Windenergieanlage ein. Und – je mehr Blätter, umso besser können die auf den Rotor wirkenden Windkräfte verteilt werden. Warum nehmen aber die Ingenieure dann nicht gleich fünf oder sieben Rotorblätter? Das wäre – man glaubt es ja kaum – sogar leiser im Betrieb!

Mehr Rotorblätter an einer Windenergieanlage erzeugen auch – nicht pro Flügel – aber in der Summe mehr Energie: drei Blatt mehr als zwei, vier Blatt mehr als drei und fünf Blatt auch mehr als vier. Der Knackpunkt dabei: Die Steigerung in der Energieausbeute nimmt pro Rotorblatt mehr immer weiter ab. Das Ganze geschieht nicht proportional. Denn jedes zusätzliche Blatt erzeugt auch Verwirbelungen, die den Rotor bremsen. Dieser Gewinn an mehr Energie ist ab einer Anzahl von vier zu klein um die immensen Investionskosten, die für ein einziges Rotorblatt notwendig sind, zu kompensieren.

200.000 Euro sind hier im Schnitt fällig, die Wartungskosten noch gar nicht mit eingerechnet. Wie auch das Gewicht, das bei einer Länge von fünfzig Metern mit zehn Tonnen pro Blatt ungeheuer zu Buche schlägt. Eine Anlage mit drei Rotorblättern bringt da bereits schon fünfzig Tonnen auf die Waage, die nur durch eine massive Stahlkonstruktion wieder aufgefangen werden kann. Mehr Rotorblätter als drei würde die Konstrukteure in absolute Grenzbereiche des Machbaren bringen.

Und jetzt noch Mal auf einen Blick: Je mehr Rotorblätter,

umso langsamer,
umso leiser,
umso ertragreicher,
umso teurer und
umso schwerer

ist die Windenergieanlage. Aller guten Dinge sind hier wie auch im richtigen Leben: Drei!

WKA_Enercon__Wybelsum_Wattenrat — Optimum: Drei an der Zahl. Manchen Zugvogel trifft hier dennoch der Schlag.

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Mehr Informationen – Useful Links:

http://www.swr.de/odysso/frag-odysso-warum-haben-windkraftanlagen-drei-rotorblaetter/-/id=1046894/did=8113172/nid=1046894/16lmc67/index.html

http://www.daserste.de/information/wissen-kultur/wissen-vor-acht-werkstatt/sendung-werkstatt/2012/warum-haben-windkraftanlagen-meistens-drei-fluegel-100.html