Kleine Windräder, die sich Hausbesitzer zur Stromerzeugung in den eigenen Garten stellen, gibt es schon lange. Früher war das allenfalls in Küstengebieten halbwegs effizient. Doch nun haben Forschende des Fraunhofer IAP einen Rotor in Leichtbauweise entwickelt, der auch in Regionen mit geringer Windgeschwindigkeit gute Erträge bringen soll. Die ersten Prototypen sind gerade im Praxistest.
Industrielle Windräder ragen heutzutage nicht selten bis 200 m und mehr in den Himmel. An diesen Großanlagen drehen sich gewaltige Rotorblätter, deren Durchmesser in der Regel über 60 m, oft sogar über 100 m beträgt. Windenergieanlagen für Garten oder Hausdach dagegen sind nicht nur wesentlich kleiner, bisher ist auch das Verhältnis von Investitionen und Erträgen wenig überzeugend.
Doch das soll sich ändern. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (Fraunhofer IAP) hat zusammen mit dem in Berlin und Brandenburg aktiven Bauunternehmen BBF eine leistungsstarke Kleinwindkraftanlage in Leichtbauweise entwickelt, die auch dann, wenn der Wind nicht so kräftig weht wie an der Küste, eine starke Leistung verspricht.
Schwacher Wind – starke Leistung
Das am brandenburgischen Fraunhofer-Standort Wildau entwickelte Windrad setzt sich schon bei einer schwachen Brise in Bewegung. Tests im Windkanal zeigten, dass sich der Rotor bei einer Windgeschwindigkeit von 2,7 Meter pro Sekunde zu drehen beginnt. Das ist eine wichtige Voraussetzung, damit Kleinwindkraftanlagen in Regionen mit eher schwachen Windverhältnissen effizient nutzbar sind. Bisherige „Garten-Windräder“ benötigen eher eine Anlaufgeschwindigkeit um die vier Meter pro Sekunde.
„Hier in der Lausitz weht der Wind sehr viel schwächer als in Norddeutschland“, erläutert Maschinenbau-Ingenieur Marcello Ambrosio, der das Windrad-Projekt betreut und am Fraunhofer IAP als Leiter Simulation und Auslegung im Forschungsbereich Polymermaterialien und Composite PYCO beschäftigt ist. „Wir haben das Design der Rotorblätter daran angepasst und ihre Masse im Vergleich zu herkömmlichen Kleinwindkraftanlagen um rund 30 % verringert.“
Die Gewichtsreduzierung wurde erreicht, indem man die Rotorblätter – ähnlich wie bei Windkraft-Großanlagen – aus sehr leichten Faserverbundwerkstoffen hergestellt hat. Dadurch war es zugleich möglich, relativ große Rotorblätter zu produzieren. Deren Länge von 1,5 m bedeutet einen Gesamtdurchmesser des Windrads von etwa 3 m.
Im Vergleich zu Großanlagen ist das natürlich winzig, für die Welt der Garten-Windräder aber durchaus eine beachtliche Größe. Die Kombination von geringem Gewicht und relativ großer Rotorblatt-Oberfläche ist entscheidend dafür, dass sich das Windrad auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten dreht.
Einsatz ohne Baugenehmigung
Als Abnehmer der Kleinwindkraftanlage kommen nach Angaben des Fraunhofer IAP nicht nur Gewerbetreibende, sondern auch Privathaushalte infrage. Die Windkraft könnte also auch für Einfamilienhäuser zur zweiten Säule regenerativer Eigenstromerzeugung neben der Photovoltaik werden. Die Mini-Windräder könnten zudem zu einem Baustein der Katastrophenhilfe werden und bei Stromausfällen eine dezentrale Energieversorgung sicherstellen.
Die flexible Einsetzbarkeit rührt auch daher, dass die Anlage aufgrund ihrer relativ geringen Größe überall ohne Anzeigepflicht beziehungsweise Baugenehmigung aufgestellt werden darf. Auch größere Lärmbelästigungen sind nicht zu erwarten. Nach Angaben des Fraunhofer IAP verursacht der Rotor nur einen Geräuschpegel von etwa 40 Dezibel. Das ist ungefähr so laut wie ein moderner Kühlschrank.
„Effiziente Kleinwindkraftanlagen leisten einen wichtigen Beitrag für eine unabhängige Energieversorgung“, sagt Raúl Comesaña M., Geschäftsführer des Projektpartners BBF. „Als Projektentwickler und Bauunternehmen in der Region Berlin-Brandenburg zeigen wir mit diesem Projekt, wie Endverbraucher und Gewerbetreibende dezentrale Energieerzeugung individuell und nachhaltig gestalten können.“
Maßgeschneiderter Leichtbau
Die Rotorblätter der Kleinwindkraftanlage sind aus zwei Leichtbau-Schalen konstruiert und innen hohl. Diese Bauweise ohne Schaumkern reduziert das Gesamtgewicht um bis zu 35 %. Die Halbschalen bestehen aus einem mehrschichtigen Faserverbundwerkstoff. Dafür werden Faserstreifen in eine Form eingelegt und mit Harzen oder anderen Kunststoffen umhüllt. Dies erfolgte beim Fraunhofer-Projekt mithilfe einer modernen Automated-Fibre-Placement-Anlage, die nach Angaben der Forschenden eine hohe Qualität sichert.
Ein spezieller Schichtaufbau sorgt dafür, dass der Rotor auch Starkwinden standhält. „Wir haben die einzelnen Schichten des Verbundwerkstoffs so gestaltet, dass sich die Rotorblätter bei Sturm elastisch verbiegen und aus dem Wind drehen“, erläutert Marcello Ambrosio. Die Anlage drosselt dadurch automatisch ihre Rotationsgeschwindigkeit, was sie vor Überlastung schützt. Auf komplizierte Steuertechnik und aufwändige Mechanik kann somit verzichtet werden.
Prototypen im Praxistest
Die Tests im Windkanal haben gezeigt, dass das Windrad bis zu 450 Umdrehungen pro Minute schafft. Mit einer Leistung von 2.500 Watt bei einer Windgeschwindigkeit von 10 Meter pro Sekunde ist es nach Angaben des Fraunhofer IAB im Durchschnitt 83 % leistungsstärker als Vergleichssysteme auf dem Markt. Der Wirkungsgrad der Anlage liegt bei 53 %. „Physikalisch sind maximal 59 % möglich“, ordnet Ambrosio die Messdaten des Tests im Windkanal ein.
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Die ersten fünf Prototypen der Kleinwindkraftanlage wurden in der zweiten Jahreshälfte 2025 an die BBF-Gruppe ausgeliefert, die sie an unterschiedlichen Standorten aufgebaut hat. Durch diese Praxistests soll herausgefunden werden, wie sich Position und Höhe der Anlage auf ihre Leistung auswirken. Auf Grundlage der Ergebnisse will man die Rotoren gegebenenfalls weiter optimieren.
Außerdem plant das Fraunhofer IAP bereits die Entwicklung leichter Rotoren aus Monomaterial – also chemisch identischem Material – statt Verbundwerkstoffen. Derartige Bauteile würden sich leichter recyclen lassen und damit die Umweltbilanz der Rotoren verbessern.
Dieser Text ist eine Aktualisierung des BaustoffWissen-Beitrags „Windrad im Garten?“ von April 2022.
