Magnus Opus: Challenergy bringt mit seiner neuen Windturbine frischen Wind in die saubere Energiegewinnung

Die Nuklearkatastrophe von Fukushima – ausgelöst durch das Megabeben und den Tsunami in der ostjapanischen Tōhoku-Region im März 2011 – läutete in Japan ein neues Zeitalter der Energiegewinnung ein. Auf einen Schlag wurde schmerzhaft deutlich, dass der Bedarf nach einer sicheren, nachhaltigeren Lösung dringender denn je war.

Vor der Katastrophe war Atsushi Shimizu Ingenieur bei einem großen Elektronikhersteller. Die Ereignisse des 11. März erschütterten ihn jedoch zutiefst – sie bedeuteten für ihn nicht nur eine Krise für sein Land, sondern auch für die weltweite Energiewirtschaft. Auf der Suche nach einer nachhaltigeren und sichereren Energielösung für die Zukunft begann er mit der Entwicklung eines völlig neuartigen Generators, der die zerstörerische Kraft eines Taifuns nutzbar machen und in verwertbare Energie verwandeln sollte. Aus dieser Idee heraus entstand Shimizus Unternehmen, das heute unter dem Name Challenergy bekannt ist, sowie ein Prototyp für eine propellerlose Windturbine.

„Propellerturbinen stammen ursprünglich aus Europa“, erklärt Shimizu. „Ähnlich wie Dinosaurier sind sie im Laufe der Zeit immer größer geworden. Ihre grundlegende Form hat sich dabei allerdings kaum verändert. Und obwohl es in Japan ein enormes Potenzial gibt, Windenergie zur Stromgewinnung zu nutzen, konnte sich diese Technologie aufgrund der unvorhersehbaren Windverhältnisse und der häufig auftretenden Taifune bisher nicht durchsetzen. Angesichts der damaligen Umstände war es in meinen Augen jedoch an der Zeit für Veränderung und Innovation.“

Auf den Spuren einer großen Idee

Kurz nach der Katastrophe im Jahr 2011 begann Shimizu, sich eingehend mit Fachliteratur und Patenten rund um das Thema Windkraftanlagen zu befassen. Basierend auf seinen Forschungsergebnissen entwickelte er ein neues Design, bei dem ein Generator mit Vertikalachse den sogenannten Magnus-Effekt auslöst – dabei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem auf einen in einem Luft- oder Wasserstrom rotierenden runden Körper eine Zugkraft einwirkt, die senkrecht zur Anströmrichtung verläuft. Die Flugbahn eines Fußballs bei einem Freistoß oder ein Curveball im Baseball veranschaulichen in etwa, welchen Effekt dieses Phänomen auf sich drehende Körper hat. Seine ersten Experimente führte Shimizu zuhause mithilfe von Styropormästen und einem Ventilator durch. So gelang es ihm innerhalb von nur einem Monat, die Grundlage für die Lösung von Japans Windenergie-Problem zu entwickeln.

Während herkömmliche Windturbinen auf Propellern basieren, ist Shimizus Generator mit drei senkrecht rotierenden Rundkörpern ausgestattet. Die einzigartige Architektur der Turbine ermöglicht die Steuerung der Drehgeschwindigkeit, sodass selbst bei Wirbelstürmen eine ununterbrochene Energieerzeugung gewährleistet ist. Darüber hinaus gehören gängige Probleme im Zusammenhang mit Propellerturbinen, wie zum Beispiel Vogelschläge oder durch den Turbinenbetrieb verursachter Lärm, mit Shimizus Design der Vergangenheit an.

„Meine Turbine sollte Japans ungünstigen Bedingungen hinsichtlich der Erzeugung von Windenergie gewachsen sein und vor allem auch einem Taifun standhalten können“, so Shimizu. „Mir fiel auf, dass herkömmliche Turbinen sich bei starken Windverhältnissen zu schnell drehten, wodurch oft die Propeller abbrachen oder der Motorgenerator durchbrannte. Mir war klar, dass solche Probleme sich nie vollständig vermeiden lassen würden, solange man Propeller verwendete. Ein weiteres Problem waren Turbulenzen. Propellerturbinen müssen der Windrichtung entgegen nach vorne ausgerichtet werden. Bei einem Vertikalachsendesign hingegen gibt es keine solchen Einschränkungen.“

Bei Shimizus Vertikalachsendesign rotieren auf die Turbine aufgesetzte Zylinder, um einen Magnus-Effekt zu erzeugen, der wiederum die Rotation der Gesamtanlage in Gange setzt. Wird die Drehgeschwindigkeit der Zylinder angepasst, lässt sich auch die Geschwindigkeit der Turbine selbst steuern. So bleibt der Generator auch bei starkem Wind unbeschädigt, da einer Überrotation vorgebeugt wird.

„Wird die Rotation der Zylinder vollständig unterbrochen, verflüchtigt sich auch der Magnus-Effekt, wodurch die Turbine zu jedem Zeitpunkt angehalten werden kann“, erklärt Shimizu. „Außerdem lässt sich die Zylinderrotation umgehend an plötzliche Windumschwünge anpassen. Mit anderen Worten: Eine konstante Energiegewinnung ist selbst während eines Taifuns möglich.“

Von der Idee zur Realität

Im Mai 2011 begann Shimizu mit dem Verfassen seiner ersten Patentanmeldung, die Zulassung folgte 2013. Im März 2014 wurde seine Vertikalachsenturbine beim Tech Plan Grand Prix mit dem ersten Preis ausgezeichnet. Hier lernte Shimizu auch Keiichi Hamano kennen, den Präsidenten des Metallunternehmens Hamano Products Co. Da letzterer von Shimizus Projekt fasziniert war, stellte er ihm seinen kreativen Ideenbrutkasten, Garage Sumida, zur Verfügung.

Um das notwendige Kapital zur Umsetzung eines voll funktionsfähigen Produkts zu beschaffen, zog Shimizu laut eigener Aussage „alle möglichen Finanzierungsquellen in Betracht“. So wandte er sich zum Beispiel an die Crowdfunding-Community, und sicherte sich finanzielle Unterstützung durch die japanische New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), ein staatliches Forschungsinstitut, das Unternehmer unterstützt.

Darüber hinaus nahm Shimizu an dem Entrepreneur Impact Program von Autodesk teil, in dessen Rahmen er sich von den Vorteilen der Autodesk-Software überzeugen konnte: „Inventor ist intuitiv und nutzerfreundlich, und die zusätzlichen Simulationsfunktionen waren äußerst nützlich“, erinnert er sich. „Mithilfe dieser Tools konnten wir strukturelle Analysen und Frequenzresonanz-Untersuchungen mit einem hohen Grad an Präzision durchführen.“

Der Blick in die Zukunft

Shimizu vertraute auf die altbewährte Methode des Versuchs und Irrtums, um die Effizienz seines Systems nach und nach zu verbessern und seinem ehrgeizigen Ziel einer nachhaltigen Energiequelle ein Stück näher zu kommen – mit Erfolg: Eine erste 1-Kilowatt-Turbine mit einem Durchmesser von 3 Metern wurde mittlerweile zu Testzwecken in Nanjō in der Präfektur Okinawa installiert.

„Einrichtungen wie Krankenhäuser, Schulen und Schutzräume benötigen mindestens 10 Kilowatt Strom“, so Shimizu. „Ein 10-Kilowatt-Generator muss in etwa zehnmal größer sein und einen Durchmesser von mehr oder weniger 10 Metern haben. Die Konstruktion eines solchen Generators wird eine enorme Herausforderung darstellen. Mein Ziel ist es, solche Turbinen am Olympiastadion und auf dem Tokyo Tower anzubringen, um unsere Erfindungen Menschen aus der ganzen Welt vorzuführen.“

Für die Zukunft hat Shimizu jedoch noch größere Pläne: „Ich möchte meine Turbinen in Regionen installieren, die am stärksten von Taifunen betroffen sind“, erklärt er. „Die Philippinen sind ein weiteres Land, das wie Japan jedes Jahr von zahlreichen Wirbelstürmen heimgesucht wird und das sich für die Windenergieerzeugung in großem Maßstab eignet. In Zukunft möchte ich in der Lage sein, die enorme Energie, die von Taifunen ausgeht, zur Förderung der Elektrolyse von Meerwasser und zum Generieren von speicherbarem Wasserstoffgas zu nutzen. Sturmgefährdungskarten, die zeigen, welche Regionen von Taifunen, Hurrikanen oder Zyklonen bedroht sind, sind in meinen Augen Energielandkarten, die dazu beitragen könnten, innerhalb der nächste 10 Jahre eine auf Windenergie basierende Gesellschaft zu schaffen.“

„Windenergie ist zweifellos zu meiner Lebensaufgabe geworden“, so Shimizu weiter. „Ich hoffe, innerhalb der nächsten 20 Jahre Generatoren entwickeln zu können, die so groß sind wie die gigantischen propellerbetriebenen Turbinen von heute. Da diese das Ergebnis einer hundertjährigen Entwicklung sind, mögen manche diesen Anspruch vielleicht als töricht betrachten, doch ich weiß, dass ich der Herausforderung gewachsen bin.“ Diese Zuversicht drückt sich schon im Namen seines Unternehmens aus, einer Fusion aus den englischen Begriffen challenge – „Herausforderung“ – und energy.