Fly baby, fly

Die ersten Modelle sind schon einsatzbereit

Wie man aus Drachen Energie gewinnt.

Nein, wir haben uns nicht mit Khaleesi, Sturmtochter und Mutter der Drachen, aus der Erfolgsserie Game of Thrones verbündet. Und anders als man zunächst vermuten mag, sprechen wir hier auch nicht von den feuerspuckenden Fabelwesen, die die Sieben Königslande in Atem halten. Trotzdem stellen wir eine steile Behauptung auf: Die Technologie, die wir Ihnen hier vorstellen, ist nicht weniger spannend.

Die ersten Modelle sind schon einsatzbereit

Die Idee: Fliegende Windenergieanlagen

Ob Onshore oder Offshore – Windräder gehören in Deutschland mittlerweile zum gewohnten Bild. Ihr Nachteil: Sie sind fest verankert und damit auf bodennahen Wind angewiesen. Doch warum lassen wir unsere Windkraftanlagen eigentlich nicht abheben? Hier kommen unsere Drachen ins Spiel.

Schon im Mittelalter nutzte man die Kraft der Höhenwinde mit Hilfe von Drachen zum Lastentransport oder für den Fahrzeugantrieb. Durch die Erfindung von Motoren im 19. Jahrhundert geriet das Prinzip jedoch zeitweise in Vergessenheit.  Die entscheidende Wendung brachte eine Vielzahl von Entwicklungen, die wir aus der Luftfahrtindustrie kennen. Dank Leichtbauweise, Autopiloten und Sensoren sind unbemannte Flugdrachen und Segelflugzeuge zurück im Rennen – und die Nutzung von hohen Windgeschwindigkeiten zur Erzeugung von Elektrizität ist in greifbarer Nähe. 

Groß gewachsen aber fest verankert. Konventionelle Windenergieanlagen.

Gerüstet für den Jetstream

In Höhenwinden steckt mehr Power

Fest installierte Windräder erreichen eine Nabenhöhe von bis zu 200 Metern. Die Rotorblattspitzen erzeugen den größten Teil der Energie, da sie sich am schnellsten drehen. In höheren Luftschichten steigt die Windgeschwindigkeit. Dort fegen die Höhenwinde unbeeindruckt über Hindernisse wie Bäume und Erhebungen in der Landschaft hinweg.

Flugdrachen können auf bis zu 800 Meter steigen, um diese Jetstreams zu nutzen. Dabei ist die Physik auf ihrer Seite, denn bei doppelter Windgeschwindigkeit verachtfacht sich die im Wind enthaltene Leistung. In Bodennähe liegt die Windgeschwindigkeit bei etwa fünf Metern pro Sekunde. Höhenwinde erreichen im Schnitt vierzig Meter pro Sekunde. Damit ist die im Jetstream enthaltene Leistung nicht achtmal, sondern stolze 512mal so groß wie am Boden. Lediglich die abnehmende Luftdichte mindert in großer Höhe die nutzbare Leistung etwas.

Grün, günstig und Meister der Anpassung

Hinzu kommt, dass man Flugdrachen sehr flexibel und gezielt einsetzen kann. Ort und Höhe sind variabel. Je nach Wetterbedingung und Windgeschwindigkeit kann so die Kraft des Windes optimal und vor allem dauerhaft genutzt werden – sogar an Standorten im Binnenland, die aufgrund schwacher Windgeschwindigkeiten für Windkraftanlagen bisher ungeeignet waren. Das verbessert nicht nur die Auslastung der Anlagen.

Vielmehr kann Energie kann auch direkt vor Ort erzeugt werden – nämlich dort, wo sie gebraucht wird. Der erforderliche Aufwand für den Netzausbau sowie die damit verbundenen Kosten sinken erheblich. Laut Schätzungen liegt der Erzeugerpreis pro Kilowattstunde (kWh) bei zwei Cent. Damit wäre die Stromproduktion durch fliegende Kraftwerke günstiger als alle anderen erneuerbaren oder fossilen Alternativen. Zu berücksichtigen sind allerdings mögliche Auswirkungen auf den Luftverkehr. Ähnlich wie bei konventionellen Kraftwerken müssten Flugverbotszonen definiert werden, um Kollisionen zu verhindern. Die Tatsache, dass Flugdrachen mobil einsetzbar sind, birgt also auch ein Problem: Bei einem Ortswechsel müssen auch die Verbotszonen angepasst werden.

Flugwindkraftwerke: komplexe Technik, simples Prinzip

Flugzeuge sind schwerer als Luft. Und trotzdem überwinden sie große Entfernungen so schnell wie kein anderes Transportmittel. Entscheidend dafür ist der Auftrieb. Flugwindkraftwerke nutzen das gleiche Prinzip. Sie wandeln einen Teil der Windenergie in Auftrieb um und halten sich durch Segel in der Luft. Aber nicht nur der stationäre Einsatz ist möglich. Die Drachen können auch in Kreisbewegungen fliegen, um die Energieausbeute zu erhöhen. Diese Flugbewegungen erfordern  zwar den Einsatz von Steuerungssystemen, haben aber neben der besseren Auslastung einen weiteren, wichtigen Vorteil: Schwere und teure Bauteile wie die Nabe, der Mast oder die Mitte des Rotorblattes entfallen. Diese Bauteile bremsen den Wind normalerweise aus. Die Flugdrachen sind somit leichter, günstiger und effektiver, da sie die Windenergie optimal nutzen – wie die Rotorblattspitzen einer konventionellen Windenergieanlage. Gleichzeitig entfällt auch das Problem der Flächenversiegelung dank der mobilen Bauweise.

Der Drachen fliegt in Form einer Acht. Das Seil treibt den Generator an.
So sieht die Computeranimation des Flugverlaufs aus

Mit einem Halteseil sind die Flugdrachen an der Bodenstation gesichert, in der auch der Generator untergebracht ist.

Der Auftrieb zieht das Seil auf Spannung. Dabei entsteht mechanische Energie, die den Generator antreibt und Strom erzeugt.

Trotz des einfachen Prinzips steckt eine Menge Technik in den fliegenden Kraftwerken. Denn für einen sicheren Flug und eine optimale Ausbeute der Windenergie müssen Sensoren permanent eine Vielzahl von Parametern überprüfen. Dazu gehören beispielsweise Daten zur Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lage und Bewegungsrichtung des Drachens sowie zur  Seilspannung. Start und Landung sind vollständig automatisiert. Sie richten sich nach den Wetterbedingungen. Vor allem extreme Witterungsverhältnisse wie Sturm, Kälte oder starke Niederschläge werden die Belastbarkeit der noch jungen Technologie auf die Probe stellen. 

Also alles heiße Luft?

Denkste!

Dass fliegende Windkraftanalagen keine Zukunftsmusik sind, sondern schon heute einen Beitrag zur Energiewende leisten können, zeigt unser aktuelles Projekt in Irland.

Auch Onshore kann die Technologie eingesetzt werden

Gemeinsam mit Ampyx Power, einem führenden Unternehmen im Flugwindenergiesektor, machen wir die Technologie fit für den Energiemarkt. Ein Team aus fünfzig Ingenieuren widmet sich derzeit dem Bau eines Offshore-Teststandortes auf der grünen Insel. Das Projekt mit einer Kapazität von zwei Megawatt soll die Wirtschaftlichkeit der Flugwindenergie bestätigen und den Weg für weitere Standorte ebnen.

Chancen und Herausforderungen auf einen Blick

Vorteile
  • Sehr günstige Erzeugerpreise
  • Geringere Kosten durch 90% geringeren Materialverbrauch
  • Kaum Leistungsschwankung dank konstanter Windgeschwindigkeit
  • Mindestens 6000 Vollaststunden pro Jahr -  selbst im Binnenland (Konventionelle Offshore-Anlagen schaffen ca. 4000 Vollaststunden, Onshore-Anlagen erreichen 2000)
  • Flexible Einsatzmöglichkeiten, Anpassung der Flughöhe je nach Windgeschwindigkeit
  • Geringerer Flächenverbrauch und geringerer Einfluss auf das Landschaftsbild. Es ist kein Rückbau erforderlich und es gibt weniger Probleme beim Vogelschutz
Nachteile
 
  • Hohe Windgeschwindigkeiten sorgen für größere Materialbelastung
  • In größeren Höhen nimmt die Luftdichte ab. Das mindert die nutzbare Leistung
  • Mögliche Auswirkung für den Luftverkehr, Definition von Flugverbotszonen erforderlich
  • Eventuelle Probleme bei extremer Witterung durch Materialermüdung oder Vereisung
  • Hohe Anforderungen an die Automatisierungstechnik (Permanente Überwachung der Flugparameter, Autopiloten, Automatische Start- und Landevorgänge)
Felix Schmidt
Autor
Felix Schmidt
Digitale Kommunikation und Social Media

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