Ein Flugdrachen hoch über der mobilen Bodenstation ist das Entscheidende am Höhenwindkraftwerk. Während er seine Bahnen zieht, fängt er die Energie der starken Winde in der Höhe ein. Mehrere Unternehmen experimentieren damit.
Stuttgart - E
in Flugdrachen, der an einem Seil seine Runden dreht und dabei Strom erzeugt? Das soll ein Windkraftwerk sein? In der Tat. Allerdings eines, das sich von den bekannten beträchtlich unterscheidet: Es hat keinen Turm, nur ein kleines Fundament, und im Wind dreht sich nur ein kleiner Flügel an einem Halteseil. Überzeugend sind auch die Stromgestehungskosten: In einer Studie des Fraunhofer Instituts für Windenergiesysteme (IWES) aus dem Jahr 2013 ist die Rede von zwei bis vier Cent je Kilowattstunde. Damit wäre die Höhenwindkraft günstiger als alle bekannten Energieerzeugungsvarianten.
Für den Höhenflug spricht eine ganze Reihe an Argumenten: Die fliegenden Kraftwerke steigen hoch hinauf, wo der Wind stärker weht. Eine einfache Formel bringt es auf den Punkt: die doppelte Windgeschwindigkeit ergibt die achtfache Energieausbeute. Fort Felker, Direktor des National Wind Technology Center in den USA, führt genau dieses Argument an, wenn er für die Flugwindkraft wirbt: „Die Technik ermöglicht es, mit leistungsschwächeren Anlagen mehr Energie zu ernten.“
Gewöhnliche Windräder haben teils mehr als hundert Meter hohe Türme und Rotordurchmesser, die ebenso gigantisch sind. Die Generatoren der meisten modernen Dreiflügler leisten rund zwei Megawatt. Alles in allem wiegt so ein Windrad aus Stahl, Beton und faserverstärktem Kunststoff mehrere Tausend Tonnen. Die Energie erzeugen aber nur die äußeren Flügelspitzen. Denn nur sie bewegen sich schnell in den starken Luftschichten und erzeugen die nötige Auftriebskraft, die den Generator antreibt.
Ein Drachen fliegt Achten
Flugwindkraftwerke bestehen quasi nur aus den Flügelspitzen. Man lässt den Turm sozusagen weg und lässt die Flügel in einem großen Radius kreisen oder Achten fliegen – so, wie Kinder einen Drachen seine Bahnen ziehen lassen. Alles in allem, sagen Branchenkenner wie Alexander Bormann, Chef des Höhenwind-Unternehmens Enerkite aus Brandenburg, komme die Flugwindkraft mit 95 Prozent weniger Material aus als die konventionelle Windkraft.
Doch Fachleute warnen vor Euphorie. „Die Technik ist das Eine, das Andere ist die Kostengleichung“, sagt Po Wen Cheng, Windkraftspezialist am Institut für Flugzeugbau an der Universität Stuttgart. Seine Begründung: „Mit zunehmender Anlagengröße steigt der Eigengewichtanteil überproportional. Das Verhältnis Kilowatt zu Masse ist zwar besser als bei konventionellen Windenergieanlagen, aber hier geht es nicht nur um Beton und Stahl, sondern auch um sehr teure Hightech-Werkstoffe.“
Generator am Boden, Generator in der Luft
Strom lässt sich mit Flugwindkraftwerken auf unterschiedliche Weise erzeugen: Entweder in der Luft, oder am Boden. Für erstere Variante entschied sich das US-Unternehmen Makani Power. Das lässt einen Flügel abheben, der wie ein kleines Motorflugzeug aufgebaut ist, wobei die Motoren aber in der Höhe als Generatoren arbeiten. Das Fluggerät zieht unablässig Kreise rechtwinklig zum Wind. In bis zu 300 Meter Höhe drehen sich die Propeller im Fahrtwind und treiben die Generatoren an. Die Kohlefaserleine, die den Flieger hält, dient gleichzeitig als Kabel und führt den Strom zum Boden. Das alles macht das System schwer, kompliziert und teuer.
„Unsere Maxime ist: in die Luft gehört nur, was unbedingt mitfliegen muss“, sagt Enerkite-Firmengründer Alexander Bormann. Er und sein Team fliegen nach dem Jo-Jo-Prinzip: Der Flügel kreist nicht, sondern malt Achten in den Himmel. Damit der Generator am Boden angetrieben wird, muss der Drachen ständig ein- und ausgefahren werden wie ein Jo-Jo. Dadurch ergibt sich eine Rückholphase, in der das Kraftwerk keinen Strom erzeugt, sondern welchen verbraucht. Immerhin: Laut Bormann dauert die Stromproduktionsphase zehnmal länger als die Rückholphase. Um kontinuierlich Strom zu erzeugen, könnten mehrere Drachen im Verbund arbeiten.
Aktuell testen die Brandenburger einen 8,8-Meter großen Flügel aus Kohlenstofffasern, der den bisher eingesetzten Kite aus Stoff ersetzt. Die starre Tragfläche fliegt deutlich schneller und erzeugt höhere Kräfte. Der Generator, der auf einem Lkw installiert ist, leistet 30 Kilowatt. Gehalten wird der Flügel von drei Kunststoffseilen, von denen zwei Steuerleinen sind. In einer ausgeklügelten Choreografie werden sie auf der Generatortrommel ein- und ausgespult, was das Material enorm belastet. Deshalb arbeiten die Tüftler ständig an der Materialrezeptur der Leinen. Entwicklungsarbeit fließt auch in die vollautomatische Steuerung. Denn bei Sturm, Blitz oder Eis müssen die Systeme von allein sicher landen können.
Die Szene umfasst rund 60 Unternehmen weltweit
Im Gegensatz zu Makani, das die industrielle Stromproduktion zum Ziel hat, konzentriert man sich bei Enerkite auf kleine Systeme, die etwa an bestehende Solarparks andocken könnten. Dort ist die gesamte Infrastruktur bereits vorhanden, zudem gibt es viel Platz. Für fliegende Multimegawattanlagen fehlt den Brandenburgern schlicht das Geld. „Die Entwicklung kostet Millionen“, sagt Bormann.
Die Szene, global rund 60 Unternehmen und 200 Mann stark, traf sich Mitte Juni im niederländischen Delft auf der „Airborne Wind Energy Conference“ zum Austausch. Hier stellte Makani auch erstmals seinen neuen Flügel der Öffentlichkeit vor. Mit dem Internetgiganten Google im Rücken, der Makani 2013 gekauft hat, flossen bisher rund 30 Millionen US-Dollar in die Entwicklung. Entsprechend groß sind die Fortschritte. Seit kurzem fliegt das Team einen 28 Meter großen Flügel, der rund eine Tonne wiegt. An Bord sind acht Generatoren mit zusammen 600 Kilowatt Leistung.
Die Generatoren dienen nicht nur der Stromerzeugung, sondern auch zum Starten das Fluggeräts. So steigt es an Tagen, an denen der Wind in Bodennähe zu schwach ist, an der 600 Meter langen Leine in Luftschichten hinauf, wo es praktisch immer windig ist. Dort dreht es Kreise mit einem Radius von 145 Metern. Die Flügel erreichen dabei Geschwindigkeiten bis zu 200 Metern pro Sekunde. Das macht eine Menge Lärm, weshalb die Amerikaner ihre Kraftwerke für den Offshore-Einsatz konzipieren. Die Zielgröße ist allerdings noch weit ambitionierter als der aktuelle Flügel: Ein Riesenflieger mit fünf Megawatt Leistung und zehn Tonnen Startgewicht – ein richtiges Kraftwerk eben.
Windenergieanlagen
Rekorde
Die Größe von klassischen Windkraftanlagen bricht immer neue Rekorde, weil versucht wird, den Wind in möglichst großer Höhe einzufangen, wo er kräftiger weht und nicht durch Gebäude oder Bäume gebremst wird. Gesamthöhen von 200 Metern und mehr sind Realität, ein einzelnes Rotorblatt kann 75 Meter lang sein. Bei einer Anlage mit diesen Maßen von Siemens bewegen sich die Blattspitzen nach Herstellerangaben mit einem Tempo von 290 Kilometern in der Stunde.
Leistung
Vor allem Anlagen, die offshore (auf See) installiert werden, können bis zu sechs Megawatt leisten. Auch für den Aufbau an Land sind Anlagen mit (bei Wind) bis zu vier Megawatt Leistung im Angebot.