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Blog VAWT-Rotorblattdesign entschlüsselt: Auftriebstyp vs. Widerstandstyp – Welcher ist der richtige für Sie? 
2026-07-10 13:32:33
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Im Laufe der Jahre haben sich Windparks weltweit verbreitet. Fast alle Blicke richten sich dabei auf die drei markanten Rotorblätter von Horizontalachsen-Windkraftanlagen. Und das aus gutem Grund: Große HAWTs liefern beeindruckende Leistung und hohe Effizienz und bilden das Rückgrat der netzgekoppelten Windenergieerzeugung.
Doch nicht jeder Standort eignet sich für einen hundert Meter hohen HAWT-Turm. Städtische Dächer, schwimmende Offshore-Plattformen, abgelegene Außenposten – in diesen Umgebungen zeigt die Vertikalachsen-Windkraftanlage (VAWT) ihre einzigartigen Vorteile.
In den letzten Jahren sind VAWTs wieder in den Fokus gerückt. Nicht etwa, weil sie HAWTs in reinen Zahlen übertreffen, sondern weil sie einfacher zu handhaben und anpassungsfähiger sind.
Dieser Artikel befasst sich eingehend mit der wichtigsten Komponente jeder VAWT – den Rotorblättern – und untersucht den aktuellen Stand der Technologie.
Seien wir ehrlich: Eine Vertikalachsenwindkraftanlage kann die Stromerzeugungseffizienz einer Horizontalachsenwindkraftanlage mit gleicher überstrichener Fläche nicht erreichen. Ihre Vorteile liegen jedoch woanders.
Generator, Getriebe und andere schwere Komponenten können ebenerdig oder in geringer Höhe platziert werden. Der Turm muss keine hohen Biegemomente aushalten, und Wartungsteams müssen keine hundert Meter hohe Konstruktion besteigen. Allein dadurch werden die Betriebs- und Wartungskosten drastisch reduziert. Da ein Vertikalachsen-Windkraftsystem (VAWT) weniger bewegliche Teile als ein Horizontalachsen-Windkraftsystem (HAWT) aufweist, ist es von Natur aus zuverlässiger.
Die Windrichtungen in Städten ändern sich ständig. Horizontalachsenwindkraftanlagen (HAWT) benötigen einen Giermechanismus, um dem Wind zu folgen, und diese Systeme stellen im Laufe der Zeit eine häufige Schwachstelle dar. Vertikalachsenwindkraftanlagen (VAWT) hingegen können Wind aus jeder Richtung ohne Diskriminierung aufnehmen – es gibt keine Gierverluste und keine gierbedingten Ausfälle.
Das Schnelllaufverhältnis (TSR) einer Vertikalachsen-Windkraftanlage (VAWT) ist deutlich geringer als das einer Horizontalachsen-Windkraftanlage (HAWT). Niedrige Drehzahl bedeutet geringe Geräuschentwicklung – ein nahezu geräuschloser Betrieb ist möglich. Insbesondere in gebäudeintegrierten Projekten arbeitet eine VAWT leiser und fügt sich optisch harmonischer in die Architektur ein.
VAWTs sind also nicht dazu da, HAWTs zu ersetzen. Sie haben ihren eigenen Platz in neuen Anwendungsbereichen gefunden – dezentrale Energieerzeugung, schwimmende Offshore-Windparks und urbane Mikronetze.
Die Rotorblätter sind das Herzstück einer Vertikalachsenwindkraftanlage. Basierend auf ihrem Funktionsprinzip lassen sie sich in zwei Kategorien einteilen: Auftriebs- und Widerstandsrotoren. Der Leistungsunterschied zwischen ihnen ist beträchtlich.
Festigkeit: Der Parameter, der das Schaufelverhalten definiert
Bevor wir uns dem Vergleich zuwenden, gibt es einen Schlüsselparameter, der die Eigenschaften der Schaufeln definiert: die Festigkeit (σ).
σ = N × c / D
Dabei ist N die Anzahl der Schaufeln, c die Schaufelsehnenlänge und D der Rotordurchmesser. Die Schaufelfüllung bestimmt direkt den Cp-TSR-Betriebsbereich des Rotors:
Hohe Festigkeit (σ > 0.4): Niedrige TSR, leichter Selbststart, niedrigerer Cp - das Kennzeichen von Bremsrotoren.
Niedrige Festigkeit (σ < 0.2): Hoher TSR, hoher Wirkungsgrad, aber schlechtes Selbststartverhalten – das Kennzeichen von Hubrotoren.
Im Wesentlichen besteht zwischen Festigkeit, Cp-Wert und TSR eine wechselseitige Beziehung. Sobald man das verstanden hat, versteht man auch den grundlegenden Unterschied zwischen Auftriebs- und Widerstandsschaufeln.
Rotorblätter mit Auftriebsfunktion ähneln Flugzeugflügeln. Strömt der Wind über die Blattoberfläche, entsteht durch den Unterschied in der Luftgeschwindigkeit zwischen Ober- und Unterseite ein Druckunterschied – und damit Auftrieb. Die tangentiale Komponente dieser Auftriebskraft treibt den Rotor an.
Tragflächenprofilauswahl: NACA 00xx-Serie
Bei H-förmigen Vertikalachsenwindkraftanlagen (VAWTs) werden am häufigsten symmetrische NACA-00xx-Profile verwendet, beispielsweise NACA 0012, 0015 und 0018. Die zweistellige Bezeichnung gibt das Verhältnis von Dicke zu Sehnenlänge in Prozent an. Ein dickeres Profil bietet eine höhere strukturelle Integrität, geht jedoch mit geringfügigen Einbußen bei der aerodynamischen Effizienz einher; ein dünneres Profil erzielt ein besseres Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand, erfordert aber eine höhere Fertigungsgenauigkeit. Die Wahl hängt vom Reynoldszahlbereich und der Rotorgröße ab: Kleine Turbinen verwenden typischerweise NACA 0012–0015, während mittelgroße bis große Turbinen aufgrund ihrer strukturellen Zuverlässigkeit eher NACA 0018–0021 bevorzugen.
H-Typ-Konfiguration
Die am weitesten verbreitete Hubvorrichtung ist die H-förmige Ausführung, bei der mehrere gerade Flügel über horizontale Stützarme mit der zentralen Welle verbunden sind – von oben betrachtet ähnelt sie dem Buchstaben H.
Die Anzahl der Klingen ist wichtig
Die Anzahl der Rotorblätter hat direkten Einfluss auf die Leistung von Vertikalachsenwindkraftanlagen (VAWT): Eine 2-Blatt-Konfiguration ist die einfachste und kostengünstigste, erfordert jedoch eine präzise dynamische Auswuchtung und neigt zu hohen Drehmomentwelligkeiten, wodurch sie vibrationsanfällig wird. Eine 3-Blatt-Konfiguration ist die gängigste Wahl – sie bietet eine gute dynamische Auswuchtung, geringe Drehmomentwelligkeiten und einen guten Kompromiss zwischen Effizienz und Stabilität. Vier oder mehr Rotorblätter erhöhen die Stabilität zusätzlich und erzeugen ein gleichmäßigeres Drehmoment, allerdings bei einem reduzierten Leistungsbeiwert. Die überwiegende Mehrheit der kommerziellen kleinen bis mittelgroßen H-Turbinen verwendet eine 3-Blatt-Konfiguration.
Der Vorteil: Hohe Effizienz
In der Theorie wird gern auf die Betz-Grenze von 59.3 % verwiesen. Dies ist die theoretische Obergrenze, die in der Praxis nie erreicht wird. Tatsächliche H-Turbinen im Feld erreichen einen Leistungsbeiwert Cp von etwa 0.25 bis 0.35 nahe der Nennwindgeschwindigkeit. Optimierte Konstruktionen können unter idealen Bedingungen Werte über 0.35 erreichen, und einige Laborprototypen haben bei optimaler Gesamtgeschwindigkeit (TSR) fast 0.40 erzielt.
In realen Anwendungen erreichen die besten HAWTs einen Cp-Wert von etwa 0.50, während das theoretische Maximum für eine VAWT vom Lift-Typ bei etwa 0.40 liegt. Berücksichtigt man jedoch die Vorteile der VAWT in komplexen Windfeldern – geringere Anfälligkeit gegenüber Extremwetterereignissen wie Taifunen, Vermeidung von Gierverlusten und niedrigere Installations- und Wartungskosten – verringert sich die Lücke in der effektiven Erzeugungskapazität zwischen den beiden in bestimmten Einsatzszenarien deutlich.
Der Nachteil: Schwache Eigeninitiative
Auftriebsturbinen haben einen entscheidenden Nachteil: Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten stehen sie still. Die Rotorblätter müssen erst auf eine bestimmte Drehzahl gebracht werden, bevor sie genügend Auftrieb erzeugen, um die Rotation aufrechtzuerhalten. Deshalb sind viele Auftriebsturbinen entweder mit einem kleinen Anlaufmotor ausgestattet oder als Hybridkonstruktionen ausgeführt, bei denen zusätzliche Bremsblätter die Anlaufphase unterstützen.
Die Funktionsweise von Schleppflügeln ist im Prinzip viel einfacher – genau wie bei einer Windmühle oder einem Anemometer: Der Wind versetzt sie direkt in Rotation.
Savonius (S-Typ)
Die klassische Bauart ist der Savonius-Rotor, bei dem zwei halbzylindrische Rotorblätter entlang der Mittelachse versetzt angeordnet sind und von oben betrachtet eine S-Form bilden. Seine Funktionsweise basiert ausschließlich auf dem Luftwiderstand: Die konkave Seite fängt den Windschub ein, während die konvexe Seite auf der gegenüberliegenden Seite einen geringeren Luftwiderstand erfährt – das resultierende Drehmoment treibt die Rotation an. Dank seiner einfachen Struktur und dem Verzicht auf komplexe aerodynamische Oberflächen kann ein Savonius-Rotor bereits bei Windgeschwindigkeiten von nur 1.5–2 m/s zuverlässig laufen.
Helikal (Gorlov-Typ)
Es gibt auch die spiralförmige Bauart, bei der sich die Schaufeln um die Achse drehen. Sie ermöglicht eine außergewöhnlich gleichmäßige Rotation und ein markantes Erscheinungsbild.
Der Vorteil: Reaktionsschnell
Die Anlaufwindgeschwindigkeit ist extrem niedrig – schon eine leichte Brise von 1.5–2 m/s setzt den Rotor in Bewegung. Der Geräuschpegel ist minimal und die Konstruktion vogelfreundlich.
Der Nachteil: Geringe Effizienz
Konventionelle Schlepprotoren (wie der klassische Savonius-Rotor) erreichen typischerweise einen Leistungsbeiwert (Cp) von nur 0.15 bis 0.18. Optimierte Spiral- oder Rotoren mit variabler Geometrie können Werte von 0.20 bis 0.25 erreichen. Dadurch sind Schleppturbinen für die Stromerzeugung im Kraftwerksmaßstab ungeeignet. In Anwendungen, bei denen der absolute Wirkungsgrad nicht im Vordergrund steht – wie etwa bei kleinen netzunabhängigen Stromversorgungen oder gebäudeintegrierten Systemen – erweisen sie sich jedoch als praktischer, als die Zahlen vermuten lassen.
Ingenieure wollten schon immer das Beste aus beiden Welten: die hohe Effizienz von Auftriebsrotoren und die Selbststartfähigkeit von Schlepprotoren. Die Lösung? Hybridkonstruktionen.
Ein gängiges Verfahren besteht darin, zusätzliche Bremsblätter entweder innerhalb oder außerhalb der H-förmigen Tragflügel anzubringen. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten übernehmen die Bremsblätter den Antrieb und bringen den Rotor auf Drehzahl. Sobald die Drehzahl ausreichend ist, übernehmen die Tragflügel und erzeugen effizient Strom.
Ein anderer Ansatz verwendet spiralförmig verdrillte Rotorblätter, die so konstruiert sind, dass sie bei niedrigen Windgeschwindigkeiten ein widerstandsartiges Verhalten aufweisen und bei höheren Geschwindigkeiten in ein auftriebsartiges Verhalten übergehen.
Hybridkonfigurationen sind naturgemäß komplexer und teurer. An Standorten mit schwierigen Windverhältnissen bieten sie jedoch oft eine überlegene Gesamtleistung.
Unabhängig vom Typ wird die Leistung, die ein Windrotor aufnehmen kann, durch eine universelle Gleichung bestimmt:
P = 0.5 × ρ × A × V³ × Cp
ρ — Luftdichte, ungefähr 1.225 kg/m³ auf Meereshöhe.
A – Überstrichene Fläche. Bei einer Vertikalachsenwindmaschine (VAWT) ist die gebräuchlichste Formel Rotordurchmesser × Rotorhöhe.
V³ – Windgeschwindigkeit hoch drei. Verdoppelt man die Windgeschwindigkeit, erhält man die achtfache Leistung.
Cp — Leistungskoeffizient, die Werte wurden in den vorherigen Abschnitten besprochen.
Die Berechnung der überstrichenen Fläche variiert je nach Konfiguration. Bei einem H-Rotor gilt: überstrichene Fläche = Durchmesser × Überstrichhöhe. Bei einem Φ-Rotor (Darrieus) gilt: überstrichene Fläche ≈ 0.65 × Höhe × maximaler Durchmesser – eine Näherungskorrektur basierend auf der typischen Schaufelprofilkrümmung.
Ein durchgerechnetes Beispiel
Betrachten wir eine VAWT vom Typ H mit einem Rotordurchmesser von 3 m und einer Pfeilungshöhe von 3.5 m. Die überstrichene Fläche A = 3 × 3.5 = 10.5 m². Bei einer Nennwindgeschwindigkeit von 10 m/s und der Annahme Cp = 0.30:
P = 0.5 × 1.225 × 10.5 × 10³ × 0.30 ≈ 1,930 W
Diese Turbine erreicht unter Nennbedingungen fast 2 kW. Die tatsächliche Leistung muss jedoch auch den Wirkungsgrad des Generators (typischerweise 85–93 %), Leitungsverluste und die natürlichen Schwankungen der Windverhältnisse berücksichtigen. Dieses Beispiel verdeutlicht auch, warum eine Vertikalachsen-Windkraftanlage (VAWT) eine überstrichene Fläche von mindestens 20 m² benötigt, um 5 kW zu erreichen.
Zwei Entwicklungsrichtungen im Bereich der Vertikalwindkraftanlagen verdienen Beachtung:
Tiefwasserzonen bergen reichhaltige Windressourcen, doch die Wassertiefe schließt Pfahlgründungen aus – nur schwimmende Plattformlösungen sind realisierbar. Der niedrige Schwerpunkt einer Vertikalwindkraftanlage (VAWT) verleiht ihr eine deutlich höhere Stabilität als einer Horizontalwindkraftanlage (HAWT) auf einer wellenbeanspruchten Plattform, und die Wartung ist wesentlich einfacher.
Gebäudeintegrierte Photovoltaik in Kombination mit Vertikalachsenwindkraftanlagen, gepaart mit Energiespeichern und einem Mikronetzregler, kann ein einzelnes Gebäude in eine autarke Energieeinheit verwandeln.
Internationale Forschungs- und Entwicklungsbemühungen der letzten Jahre liefern wertvolle Anhaltspunkte. Im Bereich der schwimmenden Offshore-Windkraft hat das schwedische Unternehmen SeaTwirl 2015 erfolgreich seinen 30-kW-Prototyp S1 einer schwimmenden Vertikalachsen-Windkraftanlage (VAWT) in Betrieb genommen und damit den Stabilitätsvorteil eines VAWT-Designs mit niedrigem Schwerpunkt auf einer schwimmenden Plattform bestätigt. Die detaillierte Konstruktionsplanung für die 1-MW-Anlage S2 ist abgeschlossen. FlowGen (Schweiz) hat kompakte VAWT-Systeme in mehreren dezentralen Energieprojekten in ganz Europa implementiert.
Chinesische Hersteller hinken weder bei der Produktion von Permanentmagnetgeneratoren mit geringer Leistung noch bei der Rotorblattfertigung hinterher. Die Lücke liegt hauptsächlich in zwei Bereichen: Erstens fehlen Langzeit-Feldtestdaten unter verschiedenen Bedingungen zur Validierung der Systemzuverlässigkeit; zweitens besteht Verbesserungspotenzial bei der Systemintegration – insbesondere bei der Abstimmung von Rotorblättern, Generator und Steuerung. Anstatt isolierte Durchbrüche anzustreben, ist es pragmatischer, zunächst robuste Vertikalachsenwindkraftanlagen (VAWT) mit einer Leistung von 5–50 kW zu entwickeln.
Ein formschön gestalteter Rotorsatz nützt nichts, wenn er nicht zum Generator passt. Dies ist das am häufigsten übersehene Glied in der praktischen Ingenieurskunst.
Rastmoment
Permanentmagnetgeneratoren weisen ein systembedingtes Rastmoment zwischen den Rotormagneten und den Statornuten auf. Dieses Widerstandsmoment addiert sich während der Anlaufphase direkt zum Anlaufdrehmoment des Rotors. Bei einem Permanentmagnetgenerator mit hohem Rastmoment (z. B. bei einer Konstruktion mit wenigen Nuten und einem geringen Luftspalt) kann die tatsächliche Einschaltwindgeschwindigkeit des Systems von theoretischen 2–3 m/s auf bis zu 4–5 m/s ansteigen. In windarmen Regionen ist dies fatal – das System dreht sich tagelang, ohne Strom zu erzeugen. Bei langsam laufenden, direkt angetriebenen Vertikalachsenwindkraftanlagen (VAWT) muss bei der Auswahl des Permanentmagnetgenerators daher die Verwendung von Mehrnut-Konfigurationen mit entsprechend vergrößerten Luftspalten priorisiert werden, um das Rastmoment zu minimieren.
Anpassung der Drehzahl-Leistungs-Kurve
Die Rotorblätter arbeiten unter Nennbedingungen im optimalen TSR-Bereich (typischerweise 2.5–3.5 bei Auftriebsrotoren). Die zugehörige Nenndrehzahl muss im hocheffizienten Erzeugungsbereich des Permanentmagnetgenerators (PMG) liegen (typischerweise 80–120 % der Nenndrehzahl). Eine Diskrepanz kann dazu führen, dass die Rotorblätter die Nennwindgeschwindigkeit erreichen, während der PMG noch unter seiner Nenndrehzahl läuft – was zu einer Untererzeugung führt – oder dass der PMG vorzeitig in den Konstantleistungsbereich eintritt, obwohl die Rotorblätter ihr volles Potenzial noch nicht erreicht haben. Während der Systemauslegungsphase wird dringend empfohlen, die Leistungsdichte-TSR-Kennlinie der Rotorblätter mit der Wirkungsgrad-Drehzahl-Kennlinie des PMG abzugleichen.
Direktantrieb vs. Getriebe
Vertikalachsenwindkraftanlagen (VAWTs) arbeiten mit relativ niedrigen Drehzahlen (kleine bis mittlere Anlagen typischerweise 100–250 U/min). Ein direkt angetriebener Permanentmagnetgenerator (PMG) eliminiert die mechanischen Verluste und Ausfallrisiken eines Getriebes, benötigt jedoch eine höhere Polpaarzahl, um die Nennleistung bei niedriger Drehzahl zu erreichen – was die Motorgröße und die Kosten erhöht. Der Einsatz eines Getriebes ermöglicht den Einsatz eines kompakteren Hochgeschwindigkeitsgenerators, erfordert aber die Wartung des Getriebes. Derzeit dominiert der Direktantrieb bei Systemen unter 10 kW, während im Bereich von 10–50 kW beide Ansätze parallel existieren. Die Wahl hängt dabei von den Prioritäten des Kunden hinsichtlich Zuverlässigkeit und Kosten ab.
Die VAWT-Technologie hat in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte erzielt, insbesondere die Entwicklung der Rotorblätter war bemerkenswert. Hybridkonstruktionen vereinen effektiv die Vorteile von Auftriebs- und Widerstandsrotorblättern.
Technologie kennt im Kern keine absolute Gut- oder Schlechte-Kategorie, sondern nur eine Frage der Eignung für den jeweiligen Zweck. Wählt man die richtige Konfiguration, erhält man eine gute Turbine.
