Irgendwo nachts auf einem Feld in Norddeutschland verhält sich eine Windkraftanlage mit 160 Meter Rotordurchmesser in der Nacht dezent aufmüpfig. Während viele Anlagen in „geräuscharme Modi“ drosseln müssen, dreht sie im Normalbetrieb. Äußerlich anders sind einzig die Formem der Serrations an den Hinterkanten der Rotorblätter, die eher an Schlangenzungen erinnern als an die im Industriestandard sonst üblichen Sägezahn-Serrations. FeatherEdge Serrations nennt sich das Neue, und es lässt die Anlage unter gleichen Bedingungen rund 100.000 Euro mehr im Jahr einfahren als die Anlage mit normalen Serrations. Denn FeatherEdge reduziert die Schallemission von Windenergieanlagen mit genau dem Effekt, den auch die Federn einer Eule nutzen.
Das teuerste Flüstern der Welt
Im dicht besiedelten Deutschland ist der Schall nachts für benachbarte Häuser gesetzlich auf 35 bis 45 dB(A) begrenzt. Um den Dezibel-Grenzwert einzuhalten, müssen die Betreiber etwas Schmerzhaftes tun: Sie drosseln den Schall und damit die Leistung. Jedes Dezibel kostet etwa drei Prozent Ertrag. Ab einigen Dezibel summieren sich die Verluste auf bis zu 15 Prozent des nächtlichen Ertrags. Einen beachtlichen Teil seines Nutzens verliert der Windpark so jede Nacht.
Was Ingenieure von der Eule lernen
Eulen sind äußerst erfolgreiche Mäusejäger: ausgezeichnetes Gehör, lautloses Annähern an die Beute – die Evolution hat jedes Geräusch aus ihrem Flug gestrichen. Der Trick sind zum Teil ihre weichen flexiblen Federn und gezahnten Hinterkanten, die die Luft sanft von den Flügeln ableiten. Die Windkraftbranche übertrug diesen Effekt zur Schallminderung auf die Rotorblätter.Steife, sägezahnförmige sogenannte Serrations aus Kunststoff werden an den Hinterkanten im äußeren Drittel des Rotors angebracht. Sie funktionieren, senken den Pegel um etwa 1,5 bis 2 Dezibel. In den letzten 15 Jahren wurde es zum Industriestandard.
Aber ein Sägezahn verhält sich zur Eulenfeder wie das Buttermesser zum Sushi-Koch – grob passt’s zusammen, nicht aber in entscheidenden Details. FeatherEdge ist das Ergebnis, wenn Ingenieure den Trick der Eulenflügel optimal auf das Rotorblatt übertragen: lange, hochflexible, doppelspitzige Lamellen aus einem Hochleistungspolymer, die sich den Turbulenzen des Windes an der Hinterkante anpassen und Strömungsabrisse reduzieren. Der Flügel der Eule nutzt zudem destruktive Interferenz, durch den ein Teil des entstandenen Schalls wieder ausgelöscht wird: Auch diesen Effekt beherrscht FeatherEdge.
Mit Feather-Edge fährt diese Windenergieanlage rund 100.000 Euro mehr im Jahr ein als zuvor mit normalen Serrations. FeatherEdge reduziert den Rotorschall mit den Effekten, die auch Eulenflügel nutzen.
Der Fall, der die Skeptiker bekehrt
Eine Enercon E-160 E3 mit 5,56 Megawatt (MW) in Deutschland mit Standard-Sägezahnprofil diente als Referenzturbine. Die Turbine lief tags mit voller Leistung und wurde nachts auf Modus IV gedrosselt, um die zulässigen 40 dB(A) an einem Ortsrand nicht zu überschreiten. Nach der Nachrüstung mit FeatherEdge sank der Geräuschpegel so weit, dass der Volllastbetrieb auch nachts leise genug bleibt. Der Messwert am Ortsrand sank zusätzlich von 40 auf 38 dB(A). Dies liegt daran, dass die Geräuschreduzierung durch FeatherEdge mit der Entfernung noch zunimmt, da besonders niedrige Frequenzbänder unter 1.000 Hertz minimiert werden.
Win-Win für Betreiber und Anwohner also. Der Ertrag nimmt nachts um zwölf Prozent zu. Die neuen Verzahnungen sind aerodynamisch überlegen – sie verlängern die effektive Flügeltiefe im äußeren Blattdrittel um mehrere Zentimeter, wo rund 80 Prozent der Leistung erzeugt werden. Die flexiblen Serrations passen sich also Windböen und Turbulenzen an und sorgen so für bessere Strömung, wo diese an starre Serrations abreißen würden. Der TÜV Süd bestätigt unabhängig einen zusätzlichen Ertragszuwachs von 3,41 Prozent ohne Anpassung des Betriebsmodus.
Und eine aktuelle Vergleichsanalyse verweist darauf, dass die Zuwächse tatsächlich höher liegen dürften. Die Jahresproduktion steigt von 16,3 auf 17,5 Millionen Kilowattstunden (kWh). Multipliziert man diese zusätzlichen 1,2 Millionen kWh mit 0,085 Euro pro kWh, erwirtschaftet die Turbine 102.000 Euro mehr.
Die Vorteile hören nicht auf
FeatherEdge bietet zahlreiche weitere Nutzen: Wird die Anlage als Schallquelle um 2 bis 3 dB leiser, verringern sich erforderliche Abstandsflächen. Ein Projektentwickler, der in einer Planungsfläche vorher keine acht Anlagen unterbringen konnte, hat plötzlich Platz für zehn. Dies dreht Projekte von unfinanzierbar auf finanzierbar.
Und bei Windparks, die zwar ihre Schallgrenzwerte einhalten, aber dennoch zu Anbwohnerbeschwerden führen, kann FeatherEdge die Anwohner „beruhigen“. Bestehende alte Windparks gewinnen durch FeatherEdge-Nachrüstung somit ein „Schallbudget“ für eine Nachverdichtung mit neuen Anlagen.
Die innovativen Serrations schaffen zahlreiche neue Möglichtkeiten. Die Eule entdeckte all dies schon vor Millionen Jahren für sich; nun können auch Windenergieprojekte davon profitieren.
