Monopteros (Windkraftanlage)

Der Begriff Monopteros (von griech. mónos = eins, allein; pterón = Flügel) bezeichnet eine von der Firma Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB) entwickelte Windkraftanlage (WKA) zur Stromerzeugung, die mit nur einem, an bisher gebauten Anlagen im Lee laufenden Rotorblatt versehen war.

Geschichte

Nach der Entwicklung der Großen Windkraftanlage Growian in den 1980er Jahren begann MBB mit der Entwicklung einer größeren Windenergieanlage mit einem einflügeligen Rotor; gegenüber dem einzelnen Rotorblatt wurde ein Gegengewicht in Form eines relativ kleinen Metallkörpers verwendet. Auf dem Versuchsfeld des Deutschen Windenergie-Instituts, dem Jade-Windpark, (DEWI) bei Wilhelmshaven wurden 1989 drei Anlagen vom Typ Monopteros 50 mit je 640 kW Nennleistung erstellt. Im Norden von Bremerhaven entstand eine weitere. Die Anlagen hatten eine Blattlänge von 56 m und eine Nabenhöhe von 60 m. Die damalige Bauform konnte sich aufgrund der bauartbedingten starken Lastwechsel und niederfrequenter Schallemissionen nicht durchsetzen. Ein Problem war z.B., dass beim Starten die Eigenfrequenz des Turms durchfahren wurde und wenn der Wind dann wieder nachließ, es zu Resonanzerscheinungen kam.

Hintergründe

Nachdem die ersten einflügeligen Anlagen noch keine marktreifen Entwicklungen darstellten, wurde die politische Förderung zu Gunsten der Unterstützung kommerziell bereits nutzbarer Konzepte neu gewichtet. Damit wurde faktisch die Konfiguration mit zwei oder drei Flügeln gefördert; Forschungsgelder für Sonderbauformen wurden nicht weiter bereitgestellt.

Die drei Anlagen bei Wilhelmshaven wurden aufgrund der damaligen technischen Mängel demontiert. Die WKA in Bremerhaven erlitt durch eine Sturmböe einen Schaden, weil das Blatt stark ausschlug und seine Spitze von einem Halteseil des Turmes abgetrennt wurde. Eine Reparatur war zu teuer und die Anlage wurde später ebenfalls demontiert. Weitere Einflügler wurden nicht installiert.

Weitere, ältere Beispiele für installierte und deinstallierte Anlagen in Deutschland

In Cappel-Neufeld (Landkreis Cuxhaven) wurde Ende August 1992 damit begonnen, im Windpark Cuxhaven 15 Anlagen der Firma Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB) zu demontieren. Die 30-kW-Einflügler wurden nach vier Jahren Betriebszeit wieder abgebaut, weil einige technische Schwierigkeiten nicht zu lösen waren. Die Einflügler waren im August 1988 Teil eines Pilotprojektes. Bis zum Zeitpunkt der Demontage 1992 hatten sie nicht die zugesicherte Leistung erbracht wie von Seiten des damaligen Betreibers Überlandwerk Nord-Hannover (ÜNH), jetzt EWE_AG mitgeteilt wurde. Statt, wie zugesagt, 1 GWh Strom pro Jahr zu erzeugen, standen die Anlagen fast die Hälfte der vier Jahre still. Der Kaufpreis betrug seinerzeit pro Stück umgerechnet 45.000 Euro. Die zehn Anlagen des Mitbewerbers Enercon standen nicht weit entfernt von den Einflüglern. Sie gehörten auch zum Pilotprojekt Windpark Cuxhaven. Ihr Stückpreis betrug umgerechnet 70.000 Euro. Als Dreiflügler mit einer Leistung von je 55 kW pro Anlage erzeugten sie im Jahr 150 MWh (insgesamt 1,5 GWh für alle zehn Anlagen).^[1]

Auf einem Gehöft südlich von Wurmberg befindet sich eine kleine Einflügel-Windkraftanlage, möglicherweise die einzige in Baden-Württemberg. Sie hat eine Nabenhöhe von 13,7 Meter und eine Leistung von 5 kW. Ihr Rotorblatt ist 4 Meter lang [1].

Einflügel-Windkraftanlage Wurmberg

Eigenschaften

Trotz des geringen Erfolges der Monopteros-Anlagen gibt es konzeptionelle Vorteile schnelllaufender Anlagen.

Das Eigengewicht des Rotors liegt unter dem eines drei- oder mehrblättrigen Rotors.

Einblättrige Windenergieanlagen besitzen eine Schnelllaufzahl von bis zu 15. Mit der hohen Schnelllaufzahl lassen sich kleinere, weniger gewichtige getriebelose Generatoren bei gleicher Energieausbeute realisieren. Der Fertigungsaufwand für nur ein Rotorblatt ist geringer als für drei (oder andere Rotorblattzahlen).

Gravierende Nachteile sind zum einen der während eines Rotorumlaufes im Lager wandernde Ort der Lastaufnahme und zum anderen die Lastwechsel bei Durchgang des Rotorblattes durch den Turmschatten. Diese verursachen sehr hohe dynamische Lagerbelastungen und sehr hohe Schallemissionen.

Andere Entwicklungen des Einflügler-Konzepts

MOD-0 Testanlage 1985 in den USA

Von September bis November 1985 wurde an der von NASA und US-Energieministerium betriebenen Versuchsanalage MOD-0 ein einblättriger Rotor getestet^[2]. Das Blatt hatte ein Länge von 15,2 m und wurde durch ein Stahlgegengewicht ausbalanciert. Der Rotor war auf einer Pendelnabe gelagert. Die Anlage wurde mit 49 Umdrehungen pro Minute betrieben. Dabei wurde zuvor die erste Eigenfrequenz des Turms durchfahren. Sie besaß eine Nennleistung von 200 kW und eine Nabenhöhe von 38 m. Die Steuerung erfolgt über eine drehbare Blattspitze. An der gleichen Anlage wurden auch Zweiblattrotoren betrieben, bei einer Drehzahl von 33 Umdrehungen/Minute, bei gleicher Blattlänge und aerodynamischer Auslegung.

Die spanische Firma ADES^[3] entwickelte 2009 eine einflügelige Windkraftanlage (Luv-Läufer). Sie plant den Bau kleinerer Prototypen mit 100 kW und 250 kW und dann einer Anlage mit 1,3 MW.

Nachdem die erste dreiblättrige schwimmende Windkraftanlage mit 2,3 MW vor Norwegen installiert wurde, sind neue Wege offen. Das Konzept einer schwimmende Windkraftanlage, das einen oder mehrere Windrotoren auf einem vor Anker im Wind schwojenden Schwimmponton vorsieht, hat den Vorteil, dass die einzelne Windkraftanlage nicht autonom in den Wind gedreht werden muss, denn das besorgt der Schwimmkörper, der am Anker liegend vom Wind in die richtige Stellung gebracht wird.

Damit ist es leicht machbar, die mechanische Lagerbelastung zu mindern, indem der Rotor mittig auf einer längeren Welle angeordnet wird, die an beiden Enden gelagert wird, wie beispielsweise ein Riesenrad zwischen zwei Masten oder zwischen einem Dreibein. Ein möglicher größerer Spielraum für ein elastisches Ausbiegen des Flügels (der in Zukunft eine Länge bis zu 100 m haben könnte) unter Winddruck wird durch ein solches Konzept ermöglicht. Schon heute werden für Rotorblätter Verbundmaterialen, wie GFK und CFK verwendet. Sollte es sich als vorteilhaft erweisen, einen steiferen, festeren Flügel zu bevorzugen, ist die Verwendung einer abgestützten Scharnierverbindung möglich, welche auch einem starren Flügel sehr große Freiheiten verleiht, vergleichbar mit Knicklenkungen.

Siehe auch

Bei selbststartfähigen Segelflugzeugen gibt es Propellersysteme mit nur einem Blatt.

Quellen

1. ↑ (u. a.) Nordsee-Zeitung Bremerhaven 1992
2. ↑ NASA TM-100274 Testing of a One-Bladed 30-Meter-Diameter Rotor on the DOE/NASA-MOD-0 wind turbine; March 1988
3. ↑ http://ades.tv/noticas/71 (englisch/spanisch)