Der transsonische Sicherheitsmodus als Ermöglicher der nächsten Windturbinengeneration

Warum schnellere Windturbinen wichtig sind

Windenergie wird zu einer der tragenden Säulen sauberer Stromerzeugung, und die Hersteller kämpfen darum, immer größere Turbinen zu bauen, die mehr Energie aus der Atmosphäre einfangen. Die neuesten Entwürfe haben Blätter, die länger als ein Fußballfeld sind, und Spitzen, die sich schneller bewegen als ein Hochgeschwindigkeitszug. Diese Studie beleuchtet ein verborgenes Risiko, das mit dieser Geschwindigkeit einhergeht: Teile der Strömung um die Blattspitzen können sich eher wie die Strömung um ein Düsenflugzeug verhalten als wie bei einer traditionellen Windmühle, was neue Fragen zu Sicherheit, Ermüdung und dem Betrieb der nächsten Generation riesiger Turbinen aufwirft.

Wenn Wind auf nahezu Schallgeschwindigkeit trifft

Mit wachsender Blattlänge fegen die Spitzen riesige Kreise durch die Luft. Selbst bei mäßigem Wind bewegen sich die Spitzen der hier untersuchten Referenzturbine mit 22 Megawatt mit mehr als 100 Metern pro Sekunde, also etwa einem Drittel der Schallgeschwindigkeit. Obwohl der einströmende Wind selbst noch weit unter diesem Wert liegt, zwingt die Form des Blatts die Luft dazu, beim Strömen über die gekrümmte Oberfläche schneller zu werden. In der Nähe der Spitze, und besonders wenn das Blatt zur Leistungsbegrenzung bei starken Stürmen angestellt ist, kann diese lokale Beschleunigung so ausgeprägt sein, dass kleine Luftbereiche tatsächlich die Schallgeschwindigkeit erreichen oder überschreiten. Dieses gemischte Regime, mit überwiegend langsamerer Strömung, aber kleinen Bereichen sehr hoher Geschwindigkeit, nennt man transsonisch und kennt man aus der Geschichte der Überschall- und Hochgeschwindigkeitsluftfahrt.

Von Flugzeugen lernen, ohne sie zu kopieren

In der Luftfahrt führten frühe Begegnungen mit transsonischen Flugeigenschaften zu heftigem Rütteln und sogar zu Strukturversagen, bis Ingenieure lernten, Tragflächen so zu gestalten, dass sie mit Stoßwellen und schnellen Druckänderungen umgehen können. Moderne Verkehrsflugzeuge werden gezielt für diese Bedingungen konstruiert und getestet. Windturbinenblätter dagegen sind dick, stark gekrümmt und für ganz andere Aufgaben optimiert. Sie sind derzeit nicht auf transsonische Effekte ausgelegt, und die kritischsten Bedingungen für Turbinen treten bei niedrigeren Anströmgeschwindigkeiten in Kombination mit ungewöhnlichen Blattwinkeln auf — Situationen, die in Windkanälen oder Simulationen bislang kaum untersucht wurden. Die Autoren argumentieren, dass diese Wissenslücke bedeutet, dass wir noch nicht sicher sagen können, ob wiederholte Exposition gegenüber transsonischen Bereichen nahe der Blattspitzen für die Struktur oder die langfristige Leistung der Turbinen harmlos ist.

Wo das Risiko auftritt

Die Forschenden analysierten zunächst einen typischen Blattquerschnitt mit Standard-Profiletools, um zu kartieren, wann lokale Luftgeschwindigkeiten an der Oberfläche in den transsonischen Bereich eintreten würden. Anschließend nutzten sie ein detailliertes Simulationspaket, um die sich ändernden Windbedingungen und Blattbewegungen entlang der gesamten Spannweite einer 22-Megawatt-Offshore-Turbine zu verfolgen. Reale Winde sind böig und turbulent, und die Maschine selbst biegt sich und reagiert nur langsam. Berücksichtigt man dieses unbeständige Verhalten, so wird vorhergesagt, dass das äußere zehn Prozent der Blattlänge einen merklichen Anteil der Zeit in transsonischen Bedingungen verbringt, sobald die Standortwindgeschwindigkeit etwa 20 Meter pro Sekunde übersteigt. Auch wenn der durchschnittliche Betriebspunkt sicher erscheint, treten kurzzeitige Ausflüge in die Risikozone bei normalem Betrieb wiederholt auf.

Ein neuer Sicherheitsmodus für riesige Turbinen

Anstatt auf Feldprobleme zu warten, schlagen die Autoren eine Steuerungsstrategie vor, die sie transsonischer Sicherheitsmodus nennen. Die Idee ist einfach: Jede Betriebskombination aus Blattwinkel und Drehzahl, die zu transsonischen Bereichen führen würde, als tabu behandeln und stattdessen nach benachbarten Kombinationen suchen, die die Strömung deutlich langsamer halten und dennoch die Entwurfsziele erfüllen. Am Beispiel der 22-Megawatt-Turbine zeigen sie, dass durch eine moderate Reduktion der Blattspitzengeschwindigkeit und eine leichte Anpassung des Blattwinkels bei hohen Winden die Maschine entweder die gleiche Leistung bei höherem Moment halten oder das Moment begrenzen kann, indem sie etwas Leistung opfert. In beiden Fällen bleibt die Strömung an der Spitze deutlich unter der transsonischen Schwelle.

Was das für die zukünftige Windenergie bedeutet

Die Studie behauptet nicht, dass transsonische Strömung automatisch große Turbinen beschädigt, aber sie macht deutlich, dass das Risiko nicht länger ignoriert werden kann, wenn die Maschinen wachsen und ihre Spitzen schneller laufen. Indem sie eine praktische Methode liefert, um zu kartieren, wann und wo transsonische Bereiche auftreten, und Betriebsregeln zu entwerfen, die diese vermeiden, gibt der transsonische Sicherheitsmodus Herstellern und Betreibern ein Werkzeug, um Unsicherheit zu managen, während die Forschung fortschreitet. Einfach gesagt ist es ein Weg, die riesigen Offshore-Turbinen von morgen bei den stärksten Winden etwas schonender zu betreiben, damit sie über Jahrzehnte zuverlässig sauberen Strom liefern können, während Ingenieure weiterhin untersuchen, wie sich nahezu schallgeschwindigkeitnahe Luftströmung wirklich auf ihre Blätter auswirkt.

Zitation: De Tavernier, D.A.M., Zaaijer, M.B. & von Terzi, D.A. The transonic safe mode as an enabler of next-generation wind turbines. Commun Eng 5, 87 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00656-x

Schlüsselwörter: Offshore-Windturbinen, Blattspitzengeschwindigkeit, transsonische Strömung, Turbinensteuerung, Erneuerbare-Energie-Technik