Von Frauke Schäfer
Es wäre natürlich sehr schön, wenn man Windturbinen, die sich an Land bewährt haben, einfach aufs Meer hinaus setzen könnte. Doch Experten befürchten in diesem Fall aber enorme Leistungseinbrüche. Schließlich sind Offshore-Anlagen speziellen Luftströmungen ausgesetzt, die es an Land so nicht gibt. Es müssen also neue Modelle entwickelt werden, um den spezifischen Strömungsverhältnissen vor der Küste zu entsprechen. Dieses Ziel hat sich Alois Peter Schaffarczyk von der Kieler Fachhochschule gesetzt, er ist Professor für technische Mechanik und Mathematik.
Wir untersuchen große Windturbinen, die für den Offshore-Bereich bereitgestellt werden sollen. Um das im kleinen Maßstab vermessen und optimieren zu können, müssen wir in spezielle Windkanäle gehen, zum Beispiel in den Kölner Kyrokanal, wo mit flüssigem Stickstoff ganz tiefe Temperaturen simuliert werden. Gleichzeitig wollen wir das auch am Computer simulieren, damit diese Kosten nicht jedes Mal anfallen.
Kryo ist griechisch und heißt kalt. Und kalt ist es im Kölner Wind Kanal wirklich. Der Kanal besteht aus einem in sich geschlossenem Rohr von rund hundert Metern Umfangslänge und drei Metern Durchmesser. Im Inneren befindet sich ein Propeller, der die Luft durch den Kanal im Kreis umher pumpt. Die Luft selbst wird mit flüssigen Stickstoff auf Minus 196 Grad herunter gekühlt, um sie geschmeidiger zu machen.
Man kennt es beim Wasser genau umgekehrt. Wenn man sich heißen Tee über die Hose gießt, dann durchdringt er die Hose sehr viel schneller als kalter Tee. Das heißt, heißes Wasser ist weniger zäh als kaltes Wasser. Bei Luft ist es umgekehrt: Kalte Luft ist sehr viel weniger zäh als warme Luft, und deswegen bekommt man die großen Reynoldszahlen durch Abkühlen des Kanals.
Die Reynoldszahl, eine Größe aus der Strömungsmechanik, ist eine wichtige Kennzahl für Windkraftanlagen. Für den Wert entscheidend sind die Länge des Flügels und sein Profil, die Windgeschwindigkeit und die Zähigkeit der Luft. Je größer die Windturbine, desto größer die Reynoldszahl. Möchte man die Eigenschaften einer Windturbine im Windkanal untersuchen, muss man mit Modellen arbeiten. Ein über 100 Meter langer Flügel passt schließlich nicht in den Kanal. Verkleinert man aber den Flügel, verändert man die Gleichung und damit auch die Reynoldszahl. Damit diese Kerngröße gleich bleibt, muss noch ein anderer Wert der Gleichung verändert werden:
Um die Kennzahl gleich zu halten, könnten Sie einerseits die Geschwindigkeit erhöhen, damit das Produkt konstant bleibt, oder andererseits die Zähigkeit verringern. Sie dürfen aber die Geschwindigkeit nicht erhöhen, denn dann bekommt man andere, unerwünschte Effekte. Also bleibt nur die Verringerung der Zähigkeit.
Die Experimente im Kölner Kryokanal haben ihren Preis. 107.000 Euro hat die Versuchsreihe inklusive des Modells für den Testflügel gekostet. Angesichts der Umsätze in der Branche, die im 2001 immerhin 3,3 Milliarden Euro betrugen, sei das aber wenig Geld, sagt Alois Peter Schaffarczyk. Eines hat er durch seine Versuche bereits feststellen können. Der befürchtete Leistungseinbruch bei den herkömmlichen Modellen hat sich nicht bewahrheitet, dennoch können die Profile der Flügel noch optimiert werden. Und dafür können die Messungen im Kölner Kryokanal eine Grundlage bilden.
Es wäre natürlich sehr schön, wenn man Windturbinen, die sich an Land bewährt haben, einfach aufs Meer hinaus setzen könnte. Doch Experten befürchten in diesem Fall aber enorme Leistungseinbrüche. Schließlich sind Offshore-Anlagen speziellen Luftströmungen ausgesetzt, die es an Land so nicht gibt. Es müssen also neue Modelle entwickelt werden, um den spezifischen Strömungsverhältnissen vor der Küste zu entsprechen. Dieses Ziel hat sich Alois Peter Schaffarczyk von der Kieler Fachhochschule gesetzt, er ist Professor für technische Mechanik und Mathematik.
Wir untersuchen große Windturbinen, die für den Offshore-Bereich bereitgestellt werden sollen. Um das im kleinen Maßstab vermessen und optimieren zu können, müssen wir in spezielle Windkanäle gehen, zum Beispiel in den Kölner Kyrokanal, wo mit flüssigem Stickstoff ganz tiefe Temperaturen simuliert werden. Gleichzeitig wollen wir das auch am Computer simulieren, damit diese Kosten nicht jedes Mal anfallen.
Kryo ist griechisch und heißt kalt. Und kalt ist es im Kölner Wind Kanal wirklich. Der Kanal besteht aus einem in sich geschlossenem Rohr von rund hundert Metern Umfangslänge und drei Metern Durchmesser. Im Inneren befindet sich ein Propeller, der die Luft durch den Kanal im Kreis umher pumpt. Die Luft selbst wird mit flüssigen Stickstoff auf Minus 196 Grad herunter gekühlt, um sie geschmeidiger zu machen.
Man kennt es beim Wasser genau umgekehrt. Wenn man sich heißen Tee über die Hose gießt, dann durchdringt er die Hose sehr viel schneller als kalter Tee. Das heißt, heißes Wasser ist weniger zäh als kaltes Wasser. Bei Luft ist es umgekehrt: Kalte Luft ist sehr viel weniger zäh als warme Luft, und deswegen bekommt man die großen Reynoldszahlen durch Abkühlen des Kanals.
Die Reynoldszahl, eine Größe aus der Strömungsmechanik, ist eine wichtige Kennzahl für Windkraftanlagen. Für den Wert entscheidend sind die Länge des Flügels und sein Profil, die Windgeschwindigkeit und die Zähigkeit der Luft. Je größer die Windturbine, desto größer die Reynoldszahl. Möchte man die Eigenschaften einer Windturbine im Windkanal untersuchen, muss man mit Modellen arbeiten. Ein über 100 Meter langer Flügel passt schließlich nicht in den Kanal. Verkleinert man aber den Flügel, verändert man die Gleichung und damit auch die Reynoldszahl. Damit diese Kerngröße gleich bleibt, muss noch ein anderer Wert der Gleichung verändert werden:
Um die Kennzahl gleich zu halten, könnten Sie einerseits die Geschwindigkeit erhöhen, damit das Produkt konstant bleibt, oder andererseits die Zähigkeit verringern. Sie dürfen aber die Geschwindigkeit nicht erhöhen, denn dann bekommt man andere, unerwünschte Effekte. Also bleibt nur die Verringerung der Zähigkeit.
Die Experimente im Kölner Kryokanal haben ihren Preis. 107.000 Euro hat die Versuchsreihe inklusive des Modells für den Testflügel gekostet. Angesichts der Umsätze in der Branche, die im 2001 immerhin 3,3 Milliarden Euro betrugen, sei das aber wenig Geld, sagt Alois Peter Schaffarczyk. Eines hat er durch seine Versuche bereits feststellen können. Der befürchtete Leistungseinbruch bei den herkömmlichen Modellen hat sich nicht bewahrheitet, dennoch können die Profile der Flügel noch optimiert werden. Und dafür können die Messungen im Kölner Kryokanal eine Grundlage bilden.