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WINDENERGIE

Geschichtlicher Rückblick

 

Der Wind weht, wo es ihm gefällt. Du hörst ihn nur rauschen, aber du weißt nicht, woher er kommt und wohin er geht.

Die Bibel, Joh. 3,8

 


Wer die Windenergie als ‚neue Alternative’ betrachtet, sollte dieses Kapitel sehr aufmerksam lesen. Denn er zeigt eindrucksvoll wie alt diese Technologie in Wahrheit ist, auch wenn sie in unserer modernen Zeit natürlich beachtliche Fortschritte gemacht hat, zumeist jedoch in quantitativer Hinsicht.

Denn nicht alles, was uns als neu verkauft werden soll, ist es auch tatsächlich – während manche tatsächliche Neuheit als solche gar nicht erkannt wird, wie ich am Beispiel der Innovation eines geschlitzten Rotorblattes nachweisen werde. Dieses Rotorblatt, dessen Patent ich mehrere Jahre gehalten und dessen Weiterentwicklung ich weitestgehend selbst finanziert habe, bildet wohl eine der wenigen zeitgenössischen Erfindungen in dem Bereich der Aerodynamik, die sowohl zur Nutzung der Windenergie als auch in Bereichen wie dem Propeller- oder Turbinenbau gedacht ist. Eine umfassende Dokumentation darüber wird noch nachgereicht (s. Archiv).

Funktionsprinzip der persischen Windmühle Grafik

Funktionsprinzip der
persischen Windmühle

Doch werfen wir zuerst einmal einen Blick zurück in die Vergangenheit. Die Idee der technischen Windnutzung scheint vor über 2.500 Jahren in Persien aufgekommen zu sein, von der Goldenen Horde wurde sie nach China gebracht, von den Arabern und später auch von Kreuzfahrern nach Europa.

Der mesopotamische Herrscher und Gesetzgeber Hammurabi soll 1700 v. Chr. Windmühlen zur Bewässerung eingesetzt haben, wobei dies von einigen Fachleuten aufgrund mangelnder Belege allerdings in Zweifel gezogen wird.  60 n. Chr. beschreibt Heron von Alexandria ein ‚Windrad’ mit waagrechter Welle zum Antrieb einer Wasserorgel, und 644 n. Chr., in den Anfangszeiten des Islam, beauftragt der Kalif Omar ibn al-Khattab den Perser Abu Lulua mit dem Bau einer windgetriebenen Getreidemühle. So berichtet dies jedenfalls Ali al Masoudi (s.u.), der anfügt, daß der Sklave Abu Lulua den Kalifen kurz darauf erstochen habe...

Gesichert sind dem Savonius-Rotor ähnelnde, aber viel einfachere, Senkrechtachser in der persischen Provinz Seistan ab dem 8. Jahrhundert n. Chr. Sie waren unter dem Namen Panémónes bekannt und wurden zum Kornmahlen und zur Bewässerung eingesetzt.

An der vertikalen Drehachse sind geflochtene Matten befestigt, die dem Wind einen Luftwiderstand entgegensetzten und daher vom Wind ‚mitgenommen’ wurden. Bei den persischen Windrädern wird durch die Abschattung der einen Rotorhälfte mit einer Mauer eine Asymmetrie erzeugt, welche die Widerstandskraft zum Antrieb des Rotors nutzbar macht.

Noch heute gibt es in der Provinz Karasan im Nordosten Persiens regelrechte ‚Batterien’ derartiger Windmühlen, die pro Tag rund 3.000 kg Weizen mahlen können. In den weiten trockenen Ebenen weht der Wind manchmal monatelang ununterbrochen aus derselben Richtung. Erst dadurch ist ein wirtschaftlicher Betrieb möglich.

Wer sich eine dieser alten Mühlen in Betrieb anschauen möchte, kann dies auf einem kurzen Clip tun, der in Nashtifan aufgenommen wurde, in der Nähe von Khaf im Nord-Osten des Iran, wo es noch etwa 40 Windmühlen gibt.

Bādgir

Bādgir

Erwähnt werden sollen an dieser Stelle auch die persischen Windfänger (Bādgir; arab. Malqaf), traditionelle Architekturelemente, welche seit Jahrhunderten und noch heute in den verschiedensten Varianten für die Belüftung von Gebäuden verwendet werden.

Hier wird die Windenergie genutzt, um einen auf Wärmeströmung beruhenden Kamineffekt zu erzeugen, der manchmal auch mit einem Zuluftkanal zu unterirdischen Wasserkanälen kombiniert wird, um die Luft zu kühlen und feuchten.

In seiner Grundform ist der Bādgir ist ein massiv gebauter Turm, der von den untersten Räumen des Gebäudes bis über das Dach hinausreicht und meist in vier vertikal geführte Lüftungskanäle unterteilt ist, die oben in alle vier Himmelsrichtungen geöffnet sind und zur Steuerung einzeln verschlossen werden können.

Im 9. Jh. beschreiben die Brüder Ahmad und al-Hassan bin Musa ibn Shakir (Banu Musa) in Bagdad den Einsatz von Windkraftanlagen beim Betreiben von Brunnen, und im Jahr 943 dokumentiert Ali al Masoudi die nützlichen Windmühlen im Gebiet von Sistan (o. Seistan) zwischen Persien und Afghanistan: Die Winde wehen dort ca. 120 Tage gleichmäßig und stark mit ca. 80 km/h, bisweilen auch orkanartig bis 200 km/h, und dies aus einer Hauptrichtung. Solche Antriebe sollen später auch Schöpfräder angetrieben haben. Der persische Geograf Abul Qasim Ubaidullah ibn Abdullah ibn Khurdad-bih (aka Estakhri) berichtet ebenfalls über diese Windmühlen.

Auch in vielen anderen alten arabischen Manuskripten findet man Beschreibungen von Windmühlen mit senkrechter Achse. Die hier gezeigte Abbildung stammt aus dem Werk des syrischen Geographen Schamsuddin Mohammed al-Dimaschqi (gest. 1327) in dem er die Windmühlen persischen Ursprungs beschreibt:

„In Sighistan befindet sich eine Gegend, in der die Winde häufig sind. Ihre Einwohner benützen die Winde zum Drehen der Mühlen (...). Sie bauen [ein Gebäude] in die Höhe wie ein Minarett, oder sie nehmen einen hohen Berggipfel oder einen entsprechenden Hügel oder einen Turm der Burgen. Auf diesen errichten sie einen Raum über einem anderen. In dem oberen befindet sich die Mühle, die sich dreht und mahlt, in dem unteren befindet sich ein Rad, welches der dienstbar gemachte Wind dreht. Was für ein Wind auch wehen mag, so drehen sich jene Mühlen, trotzdem nur ein einziger [Mühl]stein vorhanden ist, und das Bild ist so, wie du es siehst...“


Zeichnung von al-Dimaschqi

Zeichnung
von al-Dimaschqi

Die Zeichnung stellt allerdings keine der alten persischen Windmühlen dar, da die Mühlsteine hier über den Rotoren liegen und die Lufteinlaßschlitze sogar für variable Windrichtungen ausgelegt sind.

Für diesen und diverse weitere präzise Hinweise danke ich Herrn Thomas Leitlein. Von ihm stammt auch eine Tabelle, in der die Entwicklung der Windenergie chronologisch dargestellt wird, die hier im Archiv aufrufbar ist. Dazu Herr Leitlein:

„Jeder der  die Tabelle ergänzen kann, sollte uns seine Resultate freundlicherweise zustellen, so wäre mit der Zeit sicher eine gute Grundlage für die weiteren Forschungen vorhanden. Es sollte immer eine Quelle als Beleg mit notiert werden.“

Ein weiterer berühmter Bericht stammt von dem persischen Gelehrten Abu Yahya Zakariya bin Mohammed al-Qazwini, der Mitte des 13. Jh. ebenfalls die windreiche Region Sistan bereist.

Bei den ebenfalls sehr alten chinesischen Windrädern wird eine Asymmetrie durch Wegklappen der Segelmatten auf ihrem ‚Rückweg’ (dem Wind entgegen) erzeugt. Im Gegensatz zu der persischen Variante haben sie dadurch den für Windräder mit vertikaler Achse eigentlich typischen Vorteil, daß sie den Wind unabhängig von seiner Richtung nutzen können.

Auch die erste Windmühle mit horizontaler Achse, die zur Bewässerung eingesetzt wurde, soll um das Jahre 950 herum in der persischen Provinz Sistan gestanden haben.

Es gibt allerdings Quellen, die von einer noch früheren Windnutzung sprechen: In Mesopotamien belegt das Tonmodell eines Segelbootes sowie die Abbildung auf einem Keramikgefäß aus dem Südirak die Verwendung der Windenergie um 3500 v. Chr., bei den Sumerern sind gewobene Segel archäologisch bestätigt. Über moderne Segelschiffe werde ich weiter unten noch gesondert berichten (s.d.).

Im alten Ägypten werden Segelschiffe für die  Küstenschiffahrt um 3000 v. Chr. eingesetzt - wie auf einem Fries im Tempel von Edfu gut zu sehen ist. In Ägypten und in China sollen Windflügel auch zur Unterstützung von Tieren beim Wasserpumpen und Kornmahlen eingesetzt worden sein.

Forscher der Universität Halle graben 2009 auf dem winzigen türkischen Eiland Tavcan Adasi eine Handelsniederlassung aus der Zeit der minoischen Kultur aus und finden dabei ein rund 3.600 Jahre altes, ca. 2 cm langes Siegel aus Bergkristall, das ein Schiff unter voll geblähten Segeln zeigt. In der Zeit der Assyrer, Griechen, Phönizier, Karthager, Römer und anderer Völker werden insbesondere Galeeren gebaut, während die Wkinger mit Schiffen des Typs Knorr und Byrdingr unterwegs sind. In Byblos an der libanesischen Küste wird ein Segelschiffmodell aus Terrakotta gefunden, das zwischen 1580 und 1200 v. Chr. entstanden sein dürfte.

Von etwa 60 n. Chr. stammt die Beschreibung einer windbetriebenen Orgel, die auf den genialen griechischen Erfinder Heron von Alexandria zurückgeht.

Nachgewiesen sind in Zentralasien windgetriebene Gebetsmühlen ab etwa 400 n. Chr. – wobei die Exemplare auf dem hier gezeigten Foto wohl nicht ganz so alt sind...

Windbetriebene Gebetsmühlen in Tibet

Windbetriebene Gebetsmühlen

Im Jahr 1105 wird die Windenergie in einer päpstlichen Bulle erwähnt. Der Abtei von Savigny wird darin erlaubt, in den französischen Diözesen Bayeaux, Countance und Evreux Windmühlen zu bauen. Da der Wind ‚von Gott kommt’ erforderte es die Genehmigung der Kirche, wenn man eine Windmühle errichten will. Später wird dieses Dokument allerdings als eine Fälschung entlarvt. Die Kirche tat dies damals gerne, wenn es um Rechte ging. Denn wer ein Papier hatte, der konnte vor Gericht bestehen.

Um 1180 wird im Zusammenhang mit einem Landkauf auch eine Windmühle in der Nähe der Abtei St. Sauveur de Vicomte erwähnt, bei Montmartin en Graine. 1183 hat Philip von Elsaß das alleinige Nutzungsrecht an der Windmühle der Abtei St. Winoksbergen in der Region Pas-de-Calais, Gemeinde Wormhout.

1185 wird eine Windmühle in Weedly erwähnt, doch die erste gesicherte Nennung von windbetriebenen Kornmühlen in England erfolgt durch Dean Herbert of East Anglia (ein Dean war damals ein Priestervorsteher), der um die Mühlen der Abtei Bury St. Edmunds streitet. Diese hatte der Abt Samson rund sechs Jahre zuvor bauen lassen, um mit den Einnahmen einen Kirchenbau zu finanzieren. 1191 wird nämlich bestätigt, daß Abt Samson der Besitzer des Windes ist, und nicht Dean Herbert.

Um 1185 herum mietet auch ein gewisser Nicholas Windmühlen (Molendium venti) von dem Tempelrittern in Yorkshire.

Besonders interessant finde ich die Information, daß Kreuzfahrer unter dem König Richard I. von England im Jahre 1189 eine zerlegbare Windmühle nach Akkon mitnehmen, wo sie bei der Belagerung der Stadt eingesetzt wird.

Auch Berichte, denen zufolge auf Kreuzritterburgen wie dem berühmten Crac de Chavalier im heutigen Syrien Windmühlen eingesetzt worden sind, klingen logisch, ließen sich bislang aber noch nicht verifizieren.

Zwischen 1191 und 1198 erhebt Papst Coelestin III den Zehnten auch für Windmühlenbetreiber – vermutlich als weitere Finanzierungsquelle für seine Kreuzzüge.

Französische Mühle

Französische Mühle

Im 12. Jh. erscheint die horizontale Achslegung des Windrotors gleichzeitig in England und Frankreich, und ab dem 13. Jh. gibt es überall in Europa sich auf einem Bock drehende Windmühlen mit horizontaler Rotorachse. Diese Erfindung geht auf den ‚Techniker-Orden’ der Zisterzienser zurück und begleitet später auch die Siedler nach Amerika (17. Jh.). Im 13. Jh. findet aber auch ein Technologietransfer nach Osten statt, als Dschingis Khan das Antriebsprinzip mit vertikaler Welle in China einführt.

1222 wird eine Windmühle auf der Stadtmauer von Köln erwähnt, es ist die älteste Nennung für Deutschland. Von 1274 datiert wiederum die Ersterwähnung einer Bockwindmühle in Haarlem, womit auch der Aufstieg der Niederlande zur ersten Industrienation beginnt. Das Nutzungsrecht wird den Bürgern duch Graf Floris V. gewährt.

Ab 1300 entstehen in den Mittelmeerländern überall die ersten Turm-Windmühlen. In Deutschland wird 1320 in Üdem eine Turmwindmühle mit einer starr ausgerichteten Welle errichtet.

1340 soll in Holland erstmals eine Windmühle eingesetzt worden sein, um Wasser zu pumpen. Hierfür wird dort um 1414 auch die Wippmühle erfunden.

Ein schönes Foto aus diesem Land zeigt eine relativ einfache ,Tjasker’-Windmühle, die mit ihrer Archimedischen Schraube das Land entwässert und etwa um 1598 erfunden wird.

Die im deutschsprachigen Raum Fluttermühle oder der Flutter (vom friesischen fletta = bewegen) genannte Mühle ist die einfachste und kleinste Bauart einer Windmühle und dient in Holland zur Einpolderung, und in Ostfriesland zur Entwässerung von Feuchtgebieten.

In einer Handschrift des Italieners Guido von Vigevano von 1335, Texaurus Regis Francie, beschreibt dieser das Prinzip der Kappenwindmühle. Außerdem ist die Konstruktion eines Windmotorwagens zu sehen, der möglicherweise zu militärischen Zwecken eingesetzt werden sollte. Den Rotor selbst kann man oben rechts erkennen. Der Konstrukteur war technisch versierter Hofarzt des französischen Königs Philipp VI., der zu diesem Zeitpunkt gerade einen neuen Kreuzzug vorbereitete.

Windwagen Zeichnung von 1335

Vigevano-Windwagen
(Zeichnung)

Am Historischen Institut der RWTH-Aachen arbeitet der Technikhistoriker Ulrich Alertz an einer Rekonstruktion des Windwagens, dessen Abbildung vor der Pompejus-Säule bei Alexandria einen guten Einblick in die technischen Details gibt. Guido hatte einen 8 m großen vierrädrigen Wagen mit etwa 2,4 m (4 Ellen) hohen Holzrädern, einer gelenkten hinteren Achse und einem runden Aufbau über der starren Vorderachse entworfen. Damit beschreibt er erstmals das charakteristische Merkmal einer Turmwindmühle. Ihre Haube dreht sich auf Rollen in einer hier als Ringbalken mit Nut bezeichneten Rollbahn aus Eichenholz. Es ist bemerkenswert, daß Guido diese Technologie gleichzeitig aber auch schon als bekannt voraussetzt: „...wie es bei Windmühlen geschieht.“

Wahrscheinlich wurde die fantastisch anmutende Maschine nie gebaut, jedenfalls nicht in der geplanten Größe. Einige Details deuten allerdings darauf hin, daß Guido vermutlich mit kleineren Modellen experimentiert und praktische Erfahrungen gesammelt hatte.

Über die weitere Entwicklung im Bereich der Wind-induzierten Mobilität – also mit Segeln bestückten oder von Drachen gezogenen Wagen, berichte ich weiter unten.

Und um 1400 gab es in England bereits über 10.000 Mühlen, die meisten davon im Süden und Osten des Landes.

Zwischen 1404 und 1407 werden im chinesischen Kaiserreich 1.681 Dschunken neu gebaut bzw. überholt und aufgerüstet. Im Auftrag des 3. Kaisers der Ming Dynastie Zhu Di führt der muslimische Admiral Zheng He mit Flotten von bis zu 300 Segelschiffen insgesamt sieben Reisen durch, die Geschäfte, Diplomatie, Entdeckungen und Forschung miteinander verknüpfen und ihn bis nach Afrika führen. Möglicherweise sogar noch weiter, denn 1993 wird in Kalifornien das Wrack einer Dschunke entdeckt, deren Holz 1410 geschlagen wurde. Auf den Versorgungsschiffen der Flotte von Zheng He werden Gemüse und Sojasprossen angebaut, was die Seeleute erfolgreich vor Skorbut schützt. Sogenannte Wasserdschunken hatten neben dem Frischwasser auch Ausrüstungen an Bord, um bei Bedarf Meerwasser zu destillieren!

In einer Handschrift des italienischen Bauingenieurs und Beamten Mariano di Jacopo aus dem Jahr 1430 wird der Sackaufzug belegt, der eine wesentliche Erleichterung der Arbeit für den Müller bedeutet. 1441 zeichnet er einen Horizontalwindrotor.

1474 wird die Turmwindmühle auf der Stadtmauer von Neuss gezeichnet, und auch im Rheinland sind Turmwindmühlen im Einsatz. Etwa aus dem Jahr 1480 gibt es eine Zeichnung, auf der die 20 Turmwindmühlen der Stadt Rhodos zu sehen sind, deren Anzahl aber für einen früheren Baubeginn (möglicherweise ab 1310) spricht.

Um 1500 sind in Spanien Flügelbespannungen vom Typ Segelstange mit Dreieckstuch in Benutzung, wie man sie heute noch z.B. aus Griechenland kennt. Auch in Konstantinopel kommen diese Windmühlentypen zum Einsatz. Und 1561 beschreibt und zeichnet der deutscher Wissenschaftler, Humanist und Arzt Georgius Agricola (Georg Pawer bzw. Bauer), der häufig auch als ,Vater der Mineralogie’ bezeichnet wird, den Einsatz von Windkraftanlagen im Bergbau. Bei Agricolas ‚pompen’ wird das „wasser durch den windt gezogen“, auch wenn es keine Belege über die Verwendung des Windmühlenantriebs in der Praxis gibt.

1586 beginnt der Betrieb von Papiermühlen mit Windantrieb, und 1594 startet Cornelis Cornelisz van Uytgeest in Holland mit dem Bau der ersten windgetriebenen Gattersäge. Im Jahr zuvor hatte er das Privileg hierfür von den Generalstaaten erhalten. Die Sägewindmühle ist drehbar gelagert und kann leicht dem Wind nachgeführt werden.

Der Niederländische Mathematiker und Ingenieur Simon Stevin zeichnet 1599 einen Segelwagen, den er anschließend für Prinz Moritz von Oranien auch baut und damit ein neues Fahrgefühl für das Volksvergnügen begründet.

Um 1600 folgt die Erfindung der Paltrockmühle, des am weitest verbreiteten Windmühlentyps zum Holzsägen in den Niederlanden. Hier steht das ganze Haus auf Rollen und hat ein größeres Leistungsvermögen als die frühere Kokermühle. Nach 1600 verkehren in den Niederlanden zweimastige Wind-Kutschen, die mit einer Reisegeschwindigkeit von 30 km/h bis zu 28 Passagiere befördern.

In dieser Zeit beschäftigen sich die verschiedensten Menschen mit der Nutzung des Windes. 1612 schreibt z.B. ein gewisser Henricius Zeisig aus Leipzig in seinem ‚Theatri machinarium’:

Deutscher Kupferstich eines Senkrechtachsers

Deutscher Kupferstich

 

Eine schöne Machina /
an welcher Flügel mit  auszgespanneter Leinwad vberzogen /
vnter einem Gewelb eines Thurms vom Wind vmbgetrieben werden /
von welcher seiten er auch kömmet /
und das Wasser dadurch vnglaublich höhe kann erhaben werden /
wie im Kupffer Num. 9 zusehen


Mit dem ‚Kupffer Num. 9’ meint Zeisig seinen - hier nachkolorierten - Kupferstich eines Senkrechtachsers, der im Grunde schon dem Savonius-Rotor entspricht (der allerdings erst 1924 ‚erfunden’ bzw. patentiert wird).

In Miguel de Cervantes Roman ‚Don Quijote de La Mancha’ von 1615 kämpft der tragisch-komische Held vergeblich mit alten Waffen gegen die neue Zeit. Die vom ihm als feindliche Riesen gesehenen Windmühlen von La Mancha haben eine nordeuropäische Technik, wie sie ab 1625 von den Niederländern auch nach Neu Amsterdam exportiert wird. Und seit Don Quijote sagt man zur Beschreibung einer nutzlosen Aktion, ‚gegen Windmühlen zu kämpfen’...

Der holländische Ingenieur und Mühlenkonstrukteur Jan Adriaanszoon Leeghwater, der 1609 mit 26 Wassermühlen bereits erfolgreich das Wasser für den 38 km langen Ringdeich abgepumpt hatte, um den Beemstersee zu entwässern, plant 1648 den beständig wachsenden Haarlemer See mit 160 von Windmühlen getriebenen Wasserpumpen zu entwässern. Leeghwater, der auch als Erfinder der drehbaren Mühlenkappe gilt, gelingt das Projekt jedoch ebensowenig wie seinen Nachfolgern – es kann erst mit Hilfe der Ingenieurtechnik und den Dampfpumpestationen des 19. Jahrhunderts verwirklicht werden.

Leibniz-Modell im Historischen Museum Hannover

Leibniz-Modell

Als weiteres Beispiel für eine praktische Umsetzung möchte ich Gottfried Wilhelm Leibniz nennen, einen der letzten Universalgelehrten, der seinen Vorschlag zur Entwässerung der Harzer Bergwerke mittels Windkraft 1679 verwirklicht. Ein Vertrag zwischen ihm, dem Bergamt und dem Herzog, durch den Leibniz mit Gewinn und Verlust an dem Unternehmen beteiligt wird, erlaubt es ihm seine technischen Neuerungen in der Praxis zu erproben... mit großem Erfolg, wie die Chronisten berichteten.

Zunächst (um 1680) läßt er auf der Grube St. Catharina Versuche mit einer Vertikalwindanlage für den Antrieb der Pumpengestänge durchführen, bei denen kurzfristig zwar mindestens 14 Pumpensätze angetrieben werden, eine langzeitige und stetige Wasserförderung aber nicht möglich ist. Etwa ab 1684 läßt Leibniz daher eine ,Horizontalwindkunst’ für den Antrieb einer Wasserförderschnecke bauen, mit der es möglich ist, Wasser aus einem Teich in einen höher liegenden Graben zu fördern. Das hier abgebildete Modell ist im Historischen Museum Hannover zu besichtigen.

Leibniz entwirft auch ein Kreislauf-Projekt, bei dem das Wasser aus den Schächten in mehreren Schritten durch Windkraft in Teiche gehoben und über ein System von Gräben, Wasserläufen und Gerinnen erneut auf die Wasserräder geführt werden sollte. Dadurch wollte er ein zuverlässig funktionierendes Wasserwirtschaftssystem mit Pumpspeicherwerken für die Gruben des Burgstätter Gangzuges schaffen – was durchaus zu einem dauerhaften Erfolg hätte führen können, wäre das Projekt nicht am Widerstand des zuständigen Bergamtes und der Bergleute gescheitert. Im Jahre 1685 läßt Herzog Ernst August alle weiteren Versuche mit den Windkünsten einstellen.

1690 verwendet der Physiker und spätere Statthalter von Lille Guillaume Amontons Windmühlenflügel zur Übermittlung von Nachrichten, wobei er Buchstaben an die Flügel heften und mit dem Drehen in die Höhe befördern läßt, wodurch diese aus der Ferne mit einem Fernglas gelesen werden können.

In Holland wird 1694 eine große Getreidemühle namens ‚de Walvisch’ gebaut: Der konische Steinturm hat eine Höhe von 33 m, und der Rotordurchmesser beträgt 22 m!

Im 18. Jh. sind jeweils ca. 10.000  Windmühlen in England und den Niederlanden in Betrieb.

1712 hat Duquet in Frankreich die Idee, einen Windmühlenantrieb für Schiffe einzusetzen. Windflügel sollen die Schaufelräder eines Schiffes antreiben. Dadurch wäre es leichter, Kurs zu halten.

Weitere Bauformen mit vertikaler Achse entstehen 1719 in Frankreich (mit waagrecht umklappenden Flügeln).

Prinzipsskizze der polnischen Windmühle

Prinzip der polnischen Windmühle

Eine Windmühlenart, die im 18. Jahrhundert in Polen und möglicherweise auch in Portugal verwendet wurde, hatte sechs Leitflügel und vier Windflügel, die an einer senkrechten Achse angebracht waren. Eine bewegliche Verkleidung wurde auf einem Teil des Mühlenumfangs angebracht und war verschiebbar, um den Wind auf die Windmühlenflügel günstig zu richten.

Mühlen haben schon immer fasziniert. Die von Wind bewegten Flügel oder vom Wasser getriebenen Schaufelräder, die über Zahnkränze und Treibriemen riesige Mühlsteine in Gang setzten und in Bewegung hielten, waren die ersten richtigen Maschinen, der Ursprung einer erst viel später beginnenden Industriegesellschaft. Sie waren Inkarnation einer neuen Technik, so sehr, daß der Begriff ‚Mühle’ auf Maschinerien ausgedehnt wurde, die mit der Bereitung von Getreide zu Mehlprodukten überhaupt nichts mehr zu tun hatten. Mühlen wurden so sehr zum Inbegriff für die mechanische Verrichtung von Arbeiten, daß die Engländer noch im 19. Jahrhundert die Fabrik ‚mill’ nannten.

Das Neue war: Wie von Geisterhand gerieten Teile in Bewegung, es wirkten geheimnisvolle, sinnvolle Kräfte, die ohne menschliches Zutun Arbeit verrichteten. Ein totaler Gegensatz zu der Ackerei auf den Feldern, der Holzgewinnung in den Wäldern, zu aller schweren körperlichen Arbeit. Der Müller konnte sich, so hatte es den Anschein, zurücklehnen und Däumchen drehen oder seiner Lust frönen. Man meint: So leicht hatten es die Müller! Sie standen im Bund mit freundlichen, hilfsbereiten Geistern. Diese mehrten ihren Reichtum. Mit einem Fuß im Paradies läßt es sich gut leben.

Das spiegelt sich jedoch ganz anders wider im Volksglauben. Das Unerklärliche, nämlich wie man ohne aufwendiges eigenes Tun die Arbeit gemacht bekam, den Anschein mußte es aus damaliger Sicht haben, war sehr suspekt. Man glaubte an Wunder, wünschte sich ein Tischlein-deck-dich und so etwas ähnliches war die Mühle. Das konnte nicht mit rechten Dingen zugehen und war nur mit Hilfe des Teufels oder anderer finsterer Gesellen zu erklären, die auch nicht viel besser waren. Deshalb findet man in Sagen den Müller häufig in einem Pakt mit dem Teufel, den er listigerweise vielleicht sogar über das Ohr haut.

Der Soldatenkönig Friedrich Wilhelm I. gibt 1736 die Erlaubnis für den Bau einer Windmühle neben dem späteren Schloß Sanssouci. Seit 1738 steht auf der heutigen Stelle eine Bockwindmühle, deren gesamter Oberbau, auf einem hölzernen Bock stehend, entsprechend der Windrichtung in diesen hinein gedreht werden kann.

1745 erfindet in England der Schmied Edmund Lee die Windrosette zur automatischen Nachführung des Mühlenkopfes in den Wind. Die Erfindung ermöglicht ruhigeres Arbeiten, da das Ausrichten nach dem Wind entfällt.

Sanssouci-Windmühle

Sanssouci-Windmühle

1759 präsentiert John Smeaton der Royal Society die erste wissenschaftlich-empirische Studie über Windmühlenflügel, die ihm zufolge 20° schräg zu stellen sind. Für seine Untersuchung zur Mechanik von Wasser- und Windmühlen, in der er auch das Verhältnis zwischen Druck und Tempo von in Luft bewegten Objekten beschreibt, gewinnt Smeaton die Copley Medaille.

Bereits 1764 beschreiben Henry Crocker u.a. das Prinzip des Vielflüglers, wie er bei den späteren Westernmill-Windrotoren umgesetzt wird, und 1772 werden von dem Schottischen Maschinenbauingenieur Andrew Meikle die Jalousienflügel entwickelt. Hierbei wird die Stellung von Lamellen gegenüber dem Wind durch eine Federmechanik verändert. Die Technik, welche den Windflügel gegenüber plötzlichen Böen unempfindlicher macht, ist zwar teuerer und störanfällig, aber sehr praktisch.

Während die Windmühlen bis dahin stets vier Flügel hatten, findet sich in einem Bericht des bereits erwähnten John Smeaton von 1774 die älteste Erwähnung eines Fünfflüglers, der Flint Mill in Leeds. In Lincolnshire gibt es nicht viel später fünf-, sechs- und sogar achtflüglige Mühlen.

1789 erfindet Stephen Hooper die Rollsegelflügel. Damit läßt sich die Flügelfläche ohne Unterbrechung der Arbeit verändern.

Bis heute in Gebrauch ist die Skala der Windgeschwindigkeiten, die Francis Beaufort 1806 einteilt, als eine Weiterentwicklung der Arbeiten von John Smeaton.

Ein Jahr später, 1807, erfindet der Ingenieur William Cubitt aus Norfolk die sogenannten ‚patent sails’, die in Kombination mit den Jalousienflügeln von Meikle und der automatischen Regulierung der Rollsegelflügel von Hooper die Grundlage für selbstregulierende Flügel bilden.

Auf Englands Straßen fahren bereits 1826 Kutschen und Wagen, die nicht von Pferden sondern von Drachen gezogen werden.

Mehr über von Drachen gezogene sowie andere windbetriebene Fahrzeuge findet sich in den entsprechenden Kapitelteilen (s.u.).

Die vermutlich erste Dampfgetreidemühle, eine Korn-Windmühle, die mit einer Hilfsdampfmaschine ausgestattet ist, wird 1828 von dem Getreidehändler Louis Cantillon in Amsterdam errichtet. Chronisten berichten, daß die Mühle Cantillon viel Aufregung brachte, war seine Geschichte doch eine der ,Opposition und Not’, wie es tragisch heißt. Man mag selbst beurteilen, ob sich die Argumentation der Gegnerschaft allzu sehr von der heutigen (NIMBY) Variante unterscheidet.

So unterzeichnen beispielsweise siebzehn Anwohner eine Protestnote, um den an König Wilhelm I. eingereichten Antrag zum Bau zu torpedieren, denn sie befürchten „das Explodieren der Dampfkessel, das Risiko von Feuer und anderen unberechenbaren Katastrophen (sowie) eine starke Wertminderung ihrer Immobilien durch dicke Wolken von Kohlenrauch, Gestank, den Lärm der Maschine und die Vermehrung von Ratten und anderem Ungeziefer, das von dem Korn angezogen wird.

Dampfgetreidemühle

Dampf-Windmühle

Auch die Windmüller reagieren entsetzt und mahnen an, daß eine Zulassung der Dampfmühle den Ruin von 34 Mühlen-Unternehmen mit sich bringen und die Existenz von mehr als 170 Familien gefährden würde. Nach einer neuen Anfrage Cantillons, der inzwischen einen anderen Ort gewählt hatte, gewährt König Wilhelm I. die Erlaubnis trotz aller Einwände. Langfristig geht die Sache trotzdem nicht gut aus, die Mühle erreicht nie ihre maximal mögliche Produktivität, dann verlieren sich die Spuren.

Die hier abgebildete frühe Hybrid-Windmühle steht etwa um 1900 in Rotterdam.

Mitte des 19. Jahrhunderts beginnt es dann interessant zu werden: Bereits 1838 experimentiert Henry Chopping mit Ganzmetallflügeln, und Floris Nollet schlägt schon 1841 die Nutzung der Windenergie für die Erzeugung von elektrischem Strom vor. Sein Generator wird später zu einem wichtigen Baustein für die Beleuchtung von Leuchttürmen.

1845 erfindet Pierre Th. Berton  die Bertonflügel, der sich durch eine automatische  Mechanik zur  Flügelverstellung auszeichnet und sich in Frankreich weit verbreitet.

Einen Windrotor zum Antrieb von Wasserpumpen läßt sich der amerikanische  Mechaniker Daniel Halladay im Jahr 1854 patentieren. Er beruht auf dem europäischen Vorbild, hat jedoch Holzflügel statt der bis dahin üblichen Stoffbespannung. Drei Jahre lang produziert seine Halladay Windmill Co. in Ellington, Connecticut, dann zieht sein Hauptverkaufsagent John Burnham nach Chicago, wo am 25. März 1857 die Gründungsversammlung der United States Wind Engine and Pump Co. stattfindet. Neue Konstruktionsprinzipien und Produktionsmethoden einerseits, und ein vollautomatischer Betrieb durch Fliehkraftregelung sowie die automatische Windnachführung machen die neuen Windmühlen zu Verkaufsschlagern.

Werbeplakat von U.S. Wind Engine

Werbeplakat
von U.S. Wind Engine

Das Rad ist in Segmente unterteilt, die nach hinten klappen können, wodurch die wirksame Flügelfläche kleiner wird. An den Segmenten sind Gewichte befestigt, die sich mit dem Rad drehen. Bei stärker werdendem Wind leitet ihre Fliehkraftwirkung die Klappbewegung ein. Die vielen beweglichen Teile der Konstruktion erfordern jedoch eine regelmäßige Wartung. Trotz einer Neigung zu Betriebsstörungen verbreitet sich das Halladay-System weiter als das weniger störanfällige Eclipse-System (s.u.).

Die Farmer nutzen die neuen Windmühlen zur Bewässerung und zum Tränken der Tiere, während gleichzeitig die beginnende Westerschließung der USA durch Eisenbahnen immer mehr Windpumpen für die Wasserversorgung der Lokomotiven benötigt. 1863 zieht man nach Batavia, und Halladay stellt sein System auf der Weltausstellung 1876 in Philadelphia vor. Im Jahr 1881 gilt sein Unternehmen als das weltweit größte seiner Art.

Der Mühlenbauer Richard Ruffle baut 1855 erstmals einen Ringflügel aus Metall. Mit einem Durchmesser von 14,5 m macht er die Havenmill zur vielbestaunten technologischen Neuerung.

1859 werden in Dresden die Deutschen Windturbinenwerke Brauns GmbH gegründet, die später auch Windmotorpumpen fertigen.

Ein anderer und wohl einzigartiger Mühlentyp steht in Saalow bei Berlin. Konstruiert wurde die Scheunenwindmühle 1864 von einem Kleinbauern namens Johann Traugott Leberecht Schubert – und sie blieb dank dessen handwerklichen und gestalterischen Begabung bis 1914 in Betrieb. Ursprünglich in Podemus nahe Dresden erbaut wurde diese Scheunenwindmühle mit einem weitgehend konservierten technischen Innenleben 1993 in Saalow so authentisch wie möglich wieder aufgebaut.

Scheunenwindmühle

Scheunenwindmühle
(Detail)

Eine weitere Sonderform bilden die Windwassermühlen, eine Kombination aus Wassermühle mit aufgesetzter Windmühle, wie sie im 19. Jahrundert hauptsächlich in Niedersachsen und Schleswig-Holstein errichtet werden.

1867 entwirft und patentiert Reverend Leonard H. Wheeler den Eclipse Windrotor. Sein Eklipsesystem regelt die Stellung des Rades zum Wind, verhindert zu hohe Drehzahlen und bewahrt das Rad dadurch vor Zerstörung. Bei normaler Windstärke hält die Hauptfahne das Rad voll im Wind. Wird der jedoch Wind zu stark, überwindet die Seitenfahne die Kraft der Zugfeder und dreht das Rad aus dem Wind. Dadurch nimmt der Luftwiderstand ab, und trotz des stärkeren Windes läuft das Rad nicht schneller. Bei Sturm stellt die Seitenfahne das Rad parallel zur Hauptfahne, womit das Rad dem Wind nur noch seine geringste Angriffsfläche bietet. Zum Abstellen bringt man das Rad mit Hilfe einer Seilwinde in dieselbe Stellung wie bei Sturm.

Die von Wheeler gründete Eclipse Wind Engine Co. in Beloit, Wisconsin, produziert unter dem Firmennamen L. H. Wheeler & Son bis in die 1920er Jahre das in den südlichen Great Plains und in Australien am weitest verbreitete Modell.

In den späten 1870er Jahren entwirft Stuart Perry in den USA die bis heute weltweit in landwirtschaftlichen Gegenden genutzte ‚Ventilatormühle’, die anfangs zumeist als Antrieb von Entwässerungspumpen eingesetzt wurde. Die Windräder haben Durchmesser zwischen einem und drei Metern und bestehen aus 100 – 150 schmalen Windflügeln.

Diese Technologie wird in den 1890ern in Deutschland weiterentwickelt, wo Windräder bis zu 10 m Durchmesser entstehen. Da diese jedoch den alten Windmühlen nachempfunden sind, müssen die Betreiber sie ständig selbst in den Wind drehen. Eingesetzt werden die Mühlen zum Korndreschen, als Grützen- und Walzenmühlen, als Kreissägen, Mahl- und Hackmaschinen. Und natürlich immer wieder zum Pumpen, Bewässern und für die Drainage.

Mit Beginn der 1880er Jahre erscheinen auf dem US-Markt die ersten Windmühlen, die mit Elektrizitätsgeneratoren ausgerüstet sind und über zwischengeschaltete Pufferbatterien Strom für Beleuchtungszwecke liefern.

Ab 1880 entwickelt Thomas O. Perry, ab 1887 gemeinsam mit LaVerne Noyes den Aermotor, ein Windmotor mit Stahlturm, Blechflügeln und ohne Wartung. Die Aermotor Company gibt es heute noch als eine der letzten von ehemals 77 US-Firmen für Windmotoren.

Pantanemone

Pantanemone

Im Scientific American Supplement (No. 441) vom Juni 1884 erscheint ein kurzer Artikel über einen Mr. Sanderson, der dem Magazin die Ergebnisse seiner mehrjährigen Experimente mit einem sehr schlichten Rotor namens ,Pantanemone’ mitteilt, welcher aus einer einfachen halbierten Scheibe besteht, deren Hälften jeweils um 45° zur Achse versetzt sind. Dadurch dreht sich das Teil, egal aus welcher Richtung der Wind weht.

Sanderson baut in Frankreich drei verschiedene Geräte mit dem neuen Rotortyp. Das erste läuft zu diesem Zeitpunkt bereits seit neun Jahren in der Nähe von Poissy, wo es bei einer Windgeschwindigkeit von 7 – 8 m/s täglich etwa 40.000 Liter Wasser bis zu einer Höhe von 20 m hebt. Das zweite fördert bei einem Wind von 5 – 6 m/s alle 24 Stunden etwa 150.000 Liter Wasser 10 m hoch in das Villejuif Reservoir, während die dritte Anlage Wasser für das Labor der Montsouris-Sternwarte in Paris liefert. In dem Artikel wird betont, daß alle drei Maschinen den Sturm im davorliegenden Januar ohne Schäden überstanden hätten.

1885 wird die Eolienne Bollée patentiert, eine Wasserpumpe des Franzosen Auguste Bollée, und 1887 beginnt in Langenau eine Windmotorpumpe mit der Wasserförderung.

Im gleichen Jahr 1887 baut der Elektroingenieur Charles Francis Brush in Cleveland die weltweit erste vollautomatische Windkraftanlage zur Stromerzeugung, sie leistet 12 kW. Weitere ca. 75 Anlagen folgen.

In Dänemark arbeitet der Meteorologe Poul la Cour um 1890 an der elektrischen Umwandlung der Windenergie. Er gilt als der europäische Pionier in Sachen Windenergie. Unter anderem produziert er mit dem Windstrom Wasserstoff für Beleuchtungszwecke.

In den Jahren 1893-96 befährt das norwegische Forschungsschiff Fram die Weltmeere, das einen kleinen Windflügelantrieb mit Gleichstromgenerator und Batterien an Bord hat.

1895 stehen in Europa geschätzt ca. 200.000 (alte) Windmühlen, alleine zwischen Holland und Dänemark rund 100.000. In Deutschland werden 1909 insgesamt 13.392 Mühlen gezählt, in den USA stehen unzählige Windmotorpumpen.

In seinem Buch ‚Wenn der Schläfer erwacht’ beschreibt der bekannte SF-Autor H. G. Wells keine weitere Zeitmaschine, sondern einen Komapatienten, der erst nach 200 Jahren wiedererweckt wird. Dieser wundert sich nicht wenig über die vielen riesigen Windkraftwerke, die überall die Stromversorgung sichern. Wohlgemerkt: Das Buch stammt aus dem Jahr 1899 ...!

Interessanterweise spielt die Windmühle auch in dem 1945 erschienenen Roman ‚Farm der Tiere’ von George Orwell eine wichtige Rolle. In dieser Allegorie auf die Russische Revolution und die neue Sowjetunion bemühen sich die Tiere eine Windmühle zu bauen, in der Hoffnung damit die anfallenden manuellen Arbeiten zu verringern und ihren Lebensstandard zu erhöhen.

(Alte) Windmühlen sind sie heutzutage nur noch selten anzutreffen. Da ihr Wirkungsgrad bei der Umwandlung mechanischer Energie relativ gering ist, beginnt man in den 1920er Jahren damit, die Windenergie über angekoppelte Generatoren in Elektrizität umzuwandeln, womit die Energie speicher- und transportierbar wird.

Außerdem gewinnt man erst in den 1920er Jahren ein tieferes Verständnis der Rotorblatt-Aerodynamik, als u.a. der deutsche Physiker Albert Betz 1920 die aerodynamischen Grundkenntnisse verbessert und nachweist, daß die maximale Ausbeute von Windkraftanlagen aus physikalischen Gründen auf 59,3 % (16/27) limitiert ist (Betzsches Gesetz). Es handelt sich trotz aller Physik und Mathematik allerdings nur um einen Annäherungswert, was bei der Beurteilung neuartiger Windkonverter häufig vergessen wird.

Zwischen 1920 und 1924 entwickelt der deutsche Ingenieur Kurt Bilau seine Ventikanten-Flügel, die aus zwei annähernd V-förmig zueinander angeordneten Flügelflächen bestehen, zwischen denen sich ein Längsspalt befindet, der ja nach Windstärke durch einen Stellmechanismus geöffnet oder geschlossen werden kann. Eine Windmühle mit diesen sehr modern wirkenden Flügeln steht noch heute in Kleve-Donsbrücken.

1925 beginnen die Gebrüder Jacobs in den Vereinigten Staaten mit dem Bau von Windgeneratoren im 2,5 bis 3 kW Bereich zum Laden von Batterien, während die Aeromotor Company in Chicago im Laufe der Folgejahre rund 80.000 Windmühlen auf den Markt bringt, die vorwiegend zum Betrieb von Wasserpumpen eingesetzt werden.

In diesen Jahren kommen auch drei sehr spezielle Rotor-Typen auf: Der deutsche Anton Flettner beginnt um 1920 mit seinen Experimenten (Flettner-Rotor), 1924 erfindet der Finne Sigurd Johannes Savonius ein nach ihm benanntes System (Savonius-Rotor), und 1927 erhält der Franzose George Jean-Marie Darrieus das Patent für einen dritten Senkrechtachser (Darrieus-Rotor). Diese drei Rotoren werden noch im Einzelnen untersucht.

Mit dem, vom Wetter unabhängigen, Gebrauch der Kohle und später der billigen flüssigen Brennstoffe geht die Nutzung der Windenergie jedoch sehr stark zurück, und erst in unserer Zeit (im Grunde seit 1975) wird wieder verstärkt auf diesem Gebiet geforscht und zunehmend auch umgesetzt. In den davorliegenden 1950er und 1960er Jahren werden die Er- und Wiederfinder der Windenergie schlichtweg verlacht.

Die Entwicklung und Umsetzung der Windenergie ab 1900 und bis heute wird weiter unten nach Ländern aufgeschlüsselt präsentiert.


Schauen wir uns zuvor noch das tatsächliche Potential der Windenergie an.

...und Entschuldigung dafür, daß einige der folgenden Kapitelteile kurz, andere jedoch noch extrem lang sind. Das das Buch der Synergie jedoch ständig im Wachsen begriffen ist, gleicht seine Entwicklung dem Gartenbau - wo Ableger schon stark genug sein müssen, bevor man sie abschneidet und neu pflanzt. Und dies natürlich auch zum richtigen Zeitpunkt.


Weiter mit dem Potential der Windenergie...