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Onshore wind

Weniger Lärm – höhere Rendite

Eine gezackte Rotorblattkante mit Kammzahnelementen nach dem Vorbild der Eulenfeder gibt der SWT-3.3-130 Low Noise einen Vorsprung auf dem Markt für Windturbinen.

In stockfinsterer Nacht huscht eine Maus über eine Waldlichtung. Im Schutze der Dunkelheit wagt sie sich ins Offene. Das war ein großer Fehler, denkt der kleine Nager noch: Unversehens kommt ein noch schwärzerer Schatten über sie – ein lautloser Raubvogel stößt auf die Maus herab und trägt sie davon.

Ein Merkmal, das die Eule zu einem so effizienten Jäger macht, ist die Beschaffenheit ihrer Flügelfedern. Die vordere Kante des Flügels steht im Flug gerade gegen den Wind, während der hintere Rand mit seiner gezackten Struktur kleine Verwirbelungen in der Luft erzeugt. Dadurch wird das Geräusch von aerodynamischen Luftströmungen über den Kanten der Federn fast völlig unterdrückt.

Der lautlose Flug der Eule ist für die Maus tödlich und resultiert in einer jähen, geradezu finalen Verschlechterung ihrer Lebensqualität. Für Menschen, die in unmittelbarer Nähe von Windturbinen leben, bringt die Gestaltung der Eulenfeder nun eine spürbare Verbesserung. Eine der größten Herausforderungen bei Windparks an Land ist die Notwendigkeit, die Lärmemissionen der Rotoren für Anwohner zu reduzieren. Das Problem ist allseits bekannt: Während die Lautstärke bei Offshore-Windparks kein Thema ist, sind dort die Betriebs- und Unterhaltskosten wesentlich höher als an Land. Umgekehrt genießt die Onshore-Windkraft zwar generell breite Akzeptanz, doch die direkten Anwohner bevorzugen niedrigere Geräuschpegel.

Wie eine Eulenfeder hat das Rotorblatt der SWT-3.3-130 LN einen gezackten Rand. Das reduziert die Lautstärke gegenüber dem Industriestandard um über 10 Prozent.


Im Ergebnis werden Turbinen oft mit reduzierter Leistung betrieben, um Lärmschutz-auflagen einzuhalten. Deswegen bedeutet für die Betreiber jede Maßnahme, mit welcher der Geräuschpegel gesenkt werden kann, ohne Leistung einzubüßen, eine hochwill-kommene Verbesserung der Bilanz. Natürlich kann das akustische Signal reduziert werden, indem die Turbine geräuscharm unterhalb ihrer vollen Leistung betrieben wird. Jedoch besagt die Faustregel, dass eine Reduzierung des Betriebslärms im geräuscharmen Modus um ein Dezibel die jährliche Energieproduktion um 2 bis 4 Prozent senkt.

Die Natur als Vorbild
Um sowohl die Schallemissionen als auch die Kosten von Onshore-Windenergie zu senken, haben die Entwickler von Turbinen-Rotorblättern bei Siemens für ihr neues Design die Eulenfedern zum Vorbild genommen (diese Orientierung an der Natur wird auch „Biomimetik“ genannt). Dadurch werden die Geräuschpegel gedämpft und eine höhere Energieerzeugung ermöglicht, ohne dass die gesetzlichen Grenzwerte überschritten werden.

Die Idee ist nicht völlig neu. Siemens verwendet bereits seit 2002 das DinoTail-Design – dieser Vorgänger des neuen Modells hatte bereits eine gezackte Kante für höhere Leistung sowie erheblich leiseren Betrieb. Ein „Low Noise Team“ vereinigte die geballte fachliche Kompetenz verschiedener Siemens-Forschungsgruppen aus der ganzen Welt. Die Aufgabe: neue Forschungsansätze zur Lärmsenkung auf die gesamte Flotte von Onshore-Turbinen mit Direktantrieb anzuwenden, ohne die Energieleistung zu beeinträchtigen.

Bei dem neuen, leiseren Rotordesign haben sich die Siemens-Ingenieure an der Eulenfeder orientiert. Diesen Ansatz bezeichnet man als Biomimetik.


Mit der Innovationsleistung dieses Teams erreicht die SWT-3.3-130 Low Noise-Turbine einen noch tieferen Schalleistungspegel von 104.9 Dezibel bei 6 m/s. Die aeroelastische Verwindung des Rotorblatts setzt neue Maßstäbe für den Einsatz bei allen Wind-
geschwindigkeiten unter Einhaltung von gesetzlichen Vorgaben zum Schallschutz. Generell ist es leichter, mechanische Geräusche zu dämpfen, die im Getriebe oder vom Generator erzeugt werden. Die Hauptursache von Lärmemissionen ist das aerodynamische Verhalten der Rotorblätter selbst. Insbesondere arbeiteten die Siemens-Ingenieure an der Unterdrückung von Hinterkantenlärm, der durch Turbulenzen an den äußeren 25 Prozent der Rotoroberfläche erzeugt wird.

Aerodynamischer Vorteil
Unter anderem kann das durch die Geometrie des Rotorblatts erreicht werden. Aeroelastisch geformte Rotorblätter haben ein einzigartiges Profil, welches die Durchbiegung oder strukturelle Verformung durch Lasten auffangen kann, die von plötzlichen Windstößen verursacht werden. Dieser aerodynamische Vorteil trägt dazu bei, den Lärmpegel zu senken. Ein weiterer innovativer Ansatz ist die Verwendung von modernen Steuerungselementen, welche den Blatteinstellwinkel und die Rotor-geschwindigkeit optimieren. Das dritte Element – inspiriert vom lautlosen Flug der Eule – ist die Nachrüstung von Rotorblättern mit zusätzlichen Komponenten.

Die hintere, ausgefranste Kante der Eulenfeder erzeugt winzige Verwirbelungen in der Luft. Dadurch fliegt der nächtliche Jäger beinahe völlig lautlos.


Es ist ein geniales Beispiel für die Nachahmung der Natur im Industriedesign: Die Zackenform wird mit Zähnen wie bei einem Kamm verbunden, um eine durchlässige Abströmkante zu erzeugen. Das senkt den Geräuschpegel um über 10 Prozent gegenüber dem bisherigen Industriestandard, welcher vom Vorgängermodell erzielt worden war. Diese erste Generation der SWT-3.3-130 wurde im Jahr 2015 von der Fachzeitschrift Wind Power Monthly in der Konkurrenz zur „Turbine des Jahres“ in der Kategorie 3MW-Plus mit der Goldmedaille ausgezeichnet. Die Kriterien waren: innovative Technologie, Design und Fertigungsqualität, Leistungsausweis im operativen Betrieb, Markteinfluss und Bedienungs-freundlichkeit bei Montage und Wartung.

Ruhe bitte… Prüfung...
In der Entwicklungsphase zeigten Tests im Windkanal an zweidimensionalen Tragflächenabschnitten einen meßbaren akustischen Vorteil der gezackten Abströmkante unter realen Bedingungen, d.h. mit variierenden Parametern für Strömungsgeschwin-digkeit und Anstellwinkel. Anschließende Feldversuche bestätigten diese Ergebnisse bei der Prüfung mit der „Downstroke-Methode“ und mit einem Mikrofon-Array für einzelne Rotorblätter, sowie nach der standardmäßigen Testmethode der International Electrotechnical Commission (IEC) für komplette Rotoren, erklärt Stefan Oerlemans, Key Expert Aeroacoustics in der Technologieabteilung von Siemens Wind Power. Entscheidend war, dass sowohl im Windkanal als auch im Feldversuch mit Messungen nachgewiesen werden konnte, dass die erhebliche Schalldämpfung bei allen Windgeschwindigkeiten keine nachteilige Auswirkung auf die Jahresleistung bei der Energieerzeugung hatte: „Diese von der Natur inspirierte Struktur verbessert die Akustik, ohne die aerodynamische Leistung zu verringern,“ so Oerlemans.

Diese von der Natur inspirierte Struktur verbessert die Akustik, ohne die aerodynamische Leistung zu verringern.
Stefan Oerlemans, Key Expert Aeroacoustics, Siemens Wind Power


Die neuen Rotorkomponenten mit Kammzähnen werden die erste Generation des DinoTail bei Siemens-Onshore-Windrädern weitgehend ersetzen. Die Serienproduktion der Low Noise-Komponenten für die neue Siemens-Turbine SWT-3.3-130LN hat bereits begonnen. Der neue DinoTail Next Generation wird auch bei den Turbinen SWT-3.6-130 und SWT-3.15-142 zum Einsatz kommen.

Low-Noise-Komponente: Kammzähne setzen neue Maßstäbe.


Einerseits können somit den Anwohnern in der Nähe von Windrädern Lärmemissionen erspart werden; andererseits sollten mit der neuen Turbine auch die Konsumenten und Betreiber auf dem Energiemarkt ideal zum Wind stehen: Mit dem kreativen Ansatz in der technischen Gestaltung des Rotorblatts kann die Leistung auch dort erhalten werden, wo Schallschutzbestimmungen gelten (z.B. in der Nähe von Wohngebieten). Darüber hinaus tragen der optimierte Generator und ein modulares Konzept dazu bei, die Stromgestehungskosten für Windkraft noch weiter zu senken.

Christopher Findlay, freier Journalist in Zürich.
Picture credits: Siemens AG