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Wenn der Strom vom Himmel kommt

Am Boden haben Windkraftanlagen teilweise mit Flauten zu kämpfen – in einigen hundert Metern Höhe hingegen ist es nie windstill. Mit einem neuartigen Windkraftkonzept wollen ZHAW-Forschende deshalb in luftiger Höhe Strom erzeugen. Gefördert wird das Projekt durch den Schweizerischen Nationalfonds, Innosuisse sowie Stadtwerk Winterthur.

Modell der ultraleichten Windturbine Zarawind
«Lighter-than-air» nennt Yasser Safa sein patentiertes Modell einer ultraleichten Windturbine.

Mit dem Know-how aus drei Instituten entwickelt die ZHAW School of Engineering ein neuartiges Windkraftwerk, das mehrere hundert Meter über dem Boden operieren soll. Das System soll kompakt, kostengünstig und umweltfreundlich sein – und könnte sich somit bestens für Regionen ohne Stromnetz eignen. Projektleiter Yasser Safa vom Institute of Computational Physics (ICP) hat bereits das ZHAW-Spin-off Zarawind gegründet und damit die Grundlage für eine Vermarktung des neuartigen Konzepts geschaffen. In rund 400 Metern Höhe soll die Anlage künftig aus Wind Strom erzeugen, wie Yasser Safa erläutert: «In dieser Höhe sind die Windgeschwindigkeiten rund doppelt so gross wie am Boden und die Windkraft steigt sogar um den Faktor acht.»

Zarawind wird robuster und effizienter als alle bisherigen Systeme sein.

Yasser Safa, Projektleiter Zarawind

Effizienter als bisherige Konzepte

Die Idee für das Projekt Zarawind hatte Yasser Safa, als er sich selbst oben am Himmel befand. Der aus dem Libanon stammende ZHAW-Forscher sass wie so oft im Flugzeug, als er sich überlegte, dass die Windenergie in höheren Lagen durchaus attraktiv sein könnte für die Stromproduktion. «Im Flugzeug bekommt man ab und zu selber die kräftigen Winde zu spüren, die aussen herrschen», so Yasser Safa. Freilich ist die Idee nicht gänzlich neu. Es gibt bereits Windkraftanlagen, die hoch am Himmel Strom produzieren. Wirklich überzeugt hat aber noch keines der bestehenden Systeme. Yasser Safas Anspruch ist es deshalb, es besser zu machen, wie er selber sagt: «Die bestehenden Anlagen können keinen stabilen Betrieb am Himmel gewährleisten. Zarawind wird robuster und effizienter als alle bisherigen Systeme sein.»

«Lighter-than-air»

Zarawind proof-of-concept im Himmel.
Zarawind soll in 400 Metern Höhe Strom erzeugen.

Zwar setzt auch Zarawind genau wie andere Konzepte auf einen Ballon, um die Windturbine am Himmel zu halten. Der Ballon als einer der Kostenfaktoren soll dank einer superleichten Windturbine aber möglichst klein bleiben. «Lighter-than-air» nennt Yasser Safa sein patentiertes Modell einer ultraleichten Windturbine. Im Rahmen eines vom Bundesamt für Energie (BFE) geförderten Projekts konnte er bereits ein Proof-of-Concept sowie einen ersten Prototyp entwickeln. Dank weiterer Förderung durch den Schweizerischen Nationalfonds (SNF), Innosuisse und Stadtwerk Winterthur arbeitet Yasser Safa nun an einem verbesserten Prototyp. «Der Rotor der Windturbine soll selber dazu beitragen, sich am Himmel zuhalten», so der Forscher über die nächsten Ziele. «Ausserdem gilt es die mechanische Robustheit zu verbessern, damit das System den starken Winden standhalten kann.»

Institute arbeiten zusammen

Mithilfe von numerischen Simulationen, Materialtests und Windkanalexperimenten will Yasser Safa den neuen Rotor weiterentwickeln und seine Effizienz demonstrieren: «Wir untersuchen die geometrischen Einflüsse auf die Rotorleistung, um die Schaufeln so anzuordnen und zu konstruieren, dass die Energieerzeugung verbessert wird», sagt der ZHAW-Forscher. Während Yasser Safa selbst die mechanischen Designs und Computersimulationen am ICP erarbeitet, finden die aerodynamischen Tests im Windkanal des Zentrums für Aviatik (ZAV) statt. Das Institute of Materials and Process Engineering (IMPE) nimmt sich gleichzeitig der Entwicklung und Erprobung von geeigneten Leichtbauwerkstoffen an. In rund einem Jahr soll der Zarawind-Prototyp gen Himmel steigen.