Windenergie effektiv nutzen

Ein innovativer Ansatz, der Windenergie über vergleichsweise kleine Anlagen per Lenkdrachen erntet, setzt neue Maßstäbe. Kleinstantriebe unter­stützen dabei die vollauto­­matische Steuerung des auch Kite genannten Drachens.

Ökologisch erzeugter Strom ist heute ein gefragter Energieträger. Nur wie definiert sich der Begriff „ökologisch“? Wird er nur auf die Erzeugung bezogen oder schließt die Berechnung die Anlagenherstellung ein? Zement- und Stahlwerke stehen mit an vorderster Stelle beim industriellen Energieverbrauch. Große Fundamente und riesige Stahltürme kosten ökologische Punkte, bevor auch nur die erste kWh fließt. Die Firma EnerKite geht deshalb einen neuen Weg, weg von den Dinosauriern der Windtechnik hin zu schlanken Lösungen, die sich auf die wesentlichsten Komponenten für Windkraftnutzung konzentrieren. Ein lenkbarer Flugdrachen überträgt die Energie des Windes per Seilzug auf einen Generator, eine vollautomatische Steuerung hält den Nutzteil, also den Drachen, in großer Höhe im besten Windfenster. So ist eine hohe Effektivität sichergestellt. Um schnell auf Windböen reagieren zu können, helfen Antriebe von FAULHABER bei der Steuerung des Kites.

Neue Denkmuster für neue Technik

Um die Energiewende zu erreichen, wird innovative Technik zur Stromgewinnung gefördert. Leider beruhen viele alternative Konzepte aber auf Erfindungen, die eher an das Zeitalter der Dampfmaschine erinnern als an moderne Lösungen. Zweifellos funktioniert auch diese Technik, aber wie bei der Dampflok, deren Aufwand an Ressourcen gegenüber modernen Drehstromlokomotiven bei Bau und Betrieb enorm ist, widerspricht das eigentlich einem ökologischen Vorgehen. So müssen Windräder unter großem Materialeinsatz erstellt werden, da der Rotor und der schwere Generator mit Biegemomenten wie auch enormer statischer Belastung auf den Turm einwirken. Überlastfälle vergrößern das Dilemma, einen Turm kann man bei Orkan schließlich nicht einfahren. Um die Kräfte sicher abzuleiten, sind daher riesige Beton- oder Pfahlfundamente nötig, die einen erheblichen Kostenfaktor und großen Energieaufwand erfordern. Die unterirdischen Bauten erinnern von ihrer Masse und ihrem Aufwand her eher an die 2 m dicken Stahlkuppeln von Atomreaktoren als an ökologische Bauten. Besonders vor der Küste ist die Herstellung der Fundamente besonders aufwändig und der Rückbau nach der Nutzung eher fraglich.
Der Flugdrachen arbeitet zwar auch nach einem uralten Prinzip den Wind zu nutzen, verfeinert die Methode jedoch mit moderner Material- und Steuerungstechnik. Um Strom zu erzeugen, ist ein Generator notwendig, bei dem sich ein Magnetfeld in einer Spule dreht. Die Drehbewegung herkömmlich zu übertragen, erfordert normalerweise schwere, starre Stangen und Wellen. Die Entwickler aus Berlin nutzen statt dessen leichte, leistungsfähige Zugseile aus Hochleistungsfasern zur Kraftübertragung. Peter Kövesdi, Konstrukteur und Spezialist für Windensysteme bei EnerKite hat dazu einen bildhaften Vergleich: „So wie man beim Rad durch dünne Speichen unter Zug Material gegenüber Vollrädern einspart, können per Seilzug große Kräfte mit geringstem Materialeinsatz übertragen werden.“

Effizienz im Vordergrund

Beim Enerkite wird ein flexibler Drachen, eine sogenannte Matte, auf eine Höhe von rund 150 m gebracht. Dort weht der Wind im Gegensatz zum Boden stetig, weitgehend verwirbelungsfrei und mit höherer Geschwindigkeit. Ein Last- und zwei Steuerseile übertragen die Zugkraft des Drachens auf drei Generatortrommeln. Der Drachen wird dann vollautomatisch von 100 m bis auf 300 m vom Wind „aufgezogen“ und erzeugt so die Nutzleistung. Danach wird der Drachen gesteuert aus dem Wind gedreht und die Seile werden schnell eingeholt. Dazu ist nur wenig Energie nötig. Danach beginnt der Aufstieg und damit Stromgewinnung erneut.
Die guten aerodynamischen Eigenschaften des Drachens gegenüber „bodenständigen“ Lösungen beschreibt Peter Kövesdi so: “Vorteil des Drachens gegenüber Windrädern ist die bessere Windnutzung, da es keine Verwirbelungen durch vorhergehende Rotorblätter bzw. durch den Turm gibt. Auch ist der Drachen immer auf über 100 m Höhe und nicht wie die Rotoren mal näher am Boden und mal den Turm überragend. Die Technik kann daher auf eine gleichmäßigere Belastung ausgelegt werden, bei Sturm wird der Kite eingeholt, auch das spart Bauaufwand. Die langsame Seilbewegung in Bodennähe vermeidet Zusammenstöße mit Vögeln und die weiche Matte eliminiert die Eiswurfgefahr, da kleine Eisansätze schnell abplatzen.“
Auf dem Meer reichen einfache Ankerbojen, um den Generatorponton zu fixieren und auf dem Land kann die Anlage sowohl stationär als auch mobil aufgebaut werden. Große Zufahrtsschneisen für riesige Rotorblätter und Turmelemente sind nicht notwendig, einen Kite kann man ja wie ein Zelt zusammenrollen, gleiches gilt für die Seile.

Exakte Steuerung im Wind

Neben dem Zugseil sind am Drachen noch zwei sogenannte Lenkseile angebracht. In der Drachensprache ist der Enerkite also ein Dreileiner. Die vollautomatische Steuerung war eines der Hauptprobleme, um die neue Technik praxistauglich zu machen. Die Experten haben die Programmierung inzwischen im Griff. Die beste Steuerung ist jedoch nur so gut, wie der ausführende Aktor es zulässt. Hier kommen die Kleinstantriebe aus Schönaich ins Spiel. Seile lassen sich nur unter Zug exakt auf Seiltrommeln aufspulen, der Wind ist jedoch ein sehr „dynamisches System“ mit kurzfristigen Schwankungen.Sogenannte Negativböen können die Steuerseile kurzfristig durchhängen lassen, für die Flugeigenschaften kein Problem, aber für die Seiltrommeln ein „no go“. Die Entwickler setzten daher vor die Wickeltrommel einen Seilspanner, der immer für einen definierten Zug des Seils an der Trommel sorgt. Bei Zuggeschwindigkeiten von 20 bis 30 m/s und einer Andruckrolle mit ca. 30 mm Durchmesser sind dabei beim Seilspannmotor hohe Drehzahlen bis über 10.000 U/min nötig, die noch dazu sehr dynamisch angefordert werden. Hier konnte ein elektronisch kommutierter Standardmotor mit rund 200 W Abgabeleistung punkten. Der Motor ist verbunden mit einem 32 mm durchmessenden, sehr robusten Planetengetriebe in Ganzmetallausführung. So ist das nötige hohe Drehmoment für den Andruck sichergestellt. Ein auf die Motoren optimal abgestimmter Motion Controller entlastet die Enerkitesteuerung vom Motormanagement und erlaubt, die Dynamik der Kleinstantriebe optimal zu nutzen.
Klein aber fein ist bei dieser Anwendung die Devise, denn die Kleinstantriebe übernehmen einen wesentlichen Part bei der Steuerung des neuen Windenergiegenerators. Sie sorgen dafür, dass der Kite zeitnah den Änderungen des Windes folgen kann und das neue materialsparende System in der Praxis sicher funktioniert. Auch in diesem Fall konnten Antriebe von der Stange die Vorgaben der Entwickler sicher umsetzen. Bei schwierigeren Fällen erlauben oft einfache, kleine Änderungen an Komponenten einen optimalen Betrieb. Der Einsatz von Kleinstantrieben wird eher durch die Fantasie als durch die Technik eingeschränkt. Die beschriebene Anwendung zeigt, auch ausgefallene Ideen lassen sich praxistauglich umsetzen.

Der Kite-Generator arbeitet mit 50 % weniger CO2-Fußabdruck und rund doppelter Auslastung gegenüber 140 m Windmühlen
Schema des Flugkonzepts: Im 8er Flug wird aufgestiegen und Strom erzeugt, dann folgt schneller Sinkflug und neuer Aufstieg