WENN DIE ZEIGER von Zifferblattuhren umgekehrt über ihre Gesichter streichen würden, wäre dies die Richtung, die als „im Uhrzeigersinn“ bezeichnet wird. Und sie würden die Stunde genauso treu erzählen. Es ist bequem, alle Uhrzeiger in die gleiche Richtung drehen zu lassen, aber es ist ein Zufall der Geschichte, in welche Richtung das ist. In ähnlicher Weise scheint es eine willkürliche, aber effiziente Wahl von Windturbinenherstellern zu sein, dass sich die Blätter fast aller dieser Geräte im Uhrzeigersinn drehen. Eine Studie, die am 4. Mai der Generalversammlung der European Geosciences Union (online statt wie geplant in Wien) vorgestellt wurde, legt jedoch nahe, dass in der nördlichen Hemisphäre, wo 96% dieser Turbinen zu finden sind, die allgemeine Uhrzeigersinn schlecht sein kann.
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Für eine einzelne Turbine spielt es in der Tat keine Rolle. Turbinen werden jedoch normalerweise in Gruppen gepflanzt. Wenn in einer solchen Gruppe eine Turbine hinter der anderen steht, dann spielt das eine Rolle, so Antonia Englberger vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen und ihre Kollegen. Sie haben ein Computermodell gebaut, das den Luftstrom über eine Turbine simuliert, die sich in beide Richtungen dreht, und dann berechnet, welchen Effekt dies auf eine zweite Turbine hat, die sich in Windrichtung der ersten dreht. Am Tag, so das Team, gibt es keinen Unterschied. Nachts kann die Leistung des Abwind-Geräts jedoch bis zu 23% höher sein, wenn sich sein Aufwind-Kollege gegen den Uhrzeigersinn dreht.
Der Grund liegt im nächtlichen Verhalten der unteren paar hundert Meter der Atmosphäre, der sogenannten Grenzschicht. Tagsüber erwärmen die Sonnenstrahlen den Boden, wodurch die nahe gelegene Luft erwärmt wird, die in Wirbelwirbeln aufsteigt, was zu einer gut gemischten Grenzschicht führt, die sich in allen Höhen gleich verhält. Die Konsequenz für eine Windkraftanlage ist, dass ihre Rotorblätter die gleiche Windgeschwindigkeit und -richtung spüren, unabhängig davon, ob sie sich oben oder unten in ihrer Rotation befinden.
Nachts kühlt sich der Boden jedoch ab. Die Quirle gehen daher oft weg und die Grenzschicht hört auf sich zu vermischen. Reibung mit Vegetation oder Gebäuden bedeutet nun, dass sich Luft in Bodennähe langsamer bewegt als Luft höher — ein Effekt, der als höhenbedingte Windscherung bekannt ist. Und die Scherung ist angesichts der Schaufelspannweite moderner Turbinen groß genug, um die Erdrotation ins Spiel zu bringen. Dies drückt bewegte Luft auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links, ein Phänomen, das als Corioliskraft bezeichnet wird. Je schneller der Luftstrom, desto größer die Abweichung. So erzeugt Windscherung Wind Veer, eine allmähliche Änderung der Richtung mit der Höhe.
Das ist für Turbinenpaare wichtig, weil die Luft, die gegen die Schaufeln der Aufwind-Vorrichtung drückt und sie so dazu bringt, sich beispielsweise im Uhrzeigersinn zu drehen, selbst von diesen Schaufeln in die andere Richtung abgelenkt wird. Dies macht es zu einem turbulenten Kielwasser mit einer Drehung (in diesem Fall) gegen den Uhrzeigersinn. Diese Drehung gegen den Uhrzeigersinn steht im Widerspruch zu der Coriolis-induzierten Drehneigung des ungestörten Windes um den Nachlauf. Und das behindert die Fähigkeit des Wakes, Energie aus diesem umgebenden, ungestörten Wind aufzunehmen und dann die zweite Turbine mit neuem Vim zu treffen.
Für den Fall, dass sich die erste Turbine gegen den Uhrzeigersinn dreht, ist der Nachlauf im Uhrzeigersinn und entspricht somit der Windrichtung der nördlichen Hemisphäre. Dadurch gewinnt es Energie aus der Umgebungsluft, um sie an die nächste Turbine zu liefern — das Gegenteil von dem, was jetzt passiert. Und in der südlichen Hemisphäre funktioniert das alles umgekehrt, so dass konventionelle Turbinen im Uhrzeigersinn am besten funktionieren.
Fabriken im Lichte von Dr. Englbergers Entdeckung umzurüsten, um Turbinen stattdessen gegen den Uhrzeigersinn laufen zu lassen, wäre sicherlich teuer. Ob die zusätzliche Kraft, die dadurch aus dem Wind gepresst werden könnte, dies lohnenswert machen würde, würde viel mehr Untersuchungen erfordern. Ihr Ergebnis zeigt jedoch deutlich, wie auch scheinbar willkürliche Entscheidungen unbeabsichtigte Folgen haben können.■
Dieser Artikel erschien in der Printausgabe im Bereich Wissenschaft & Technologie unter der Überschrift „Scheren, drehen, jubeln“
