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Fliegende Windkraftanlagen produzieren bald billigen Strom

Die Idee, Windkraftanlagen dort aufzustellen, wo es viel Wind gibt, ist ja weder dumm noch neu. In der Folge befassen wir uns schon seit Jahrzehnten mit der Offshore-Technik. Doch starke Winde gibt es auch in höheren Schichten der Atmosphäre. Lassen diese sich möglicherweise zur Energieausbeute anzapfen?

Drachen und Segelflieger sind gerade auf bestem Wege, die Wind-Branche zu revolutionieren. Erste Modelle fliegen bereits der Marktreife entgegen und Strompreise um fünf Cent pro Kilowattstunde geraten so in greifbare Nähe. Eine Umfrage zu diesem Thema ergab, dass mehr als 70 Unternehmen und Forschungsinstitutionen mit Elan und Eifer an stromerzeugenden Gleitern, Flugdrachen und Segel arbeiten. Insofern könnte sich die Nutzung der Windenergie in einigen Jahren grundlegend verändern.

Windenergieanlagen werden dann keine Türme und Rotoren mehr haben, sondern sie erklimmen als Drachen und Segelflieger ungeahnte Höhen. Aber es gibt auf dem Weg nach oben noch Hürden zu überwinden. Dies betrifft Aspekte der technischen Entwicklung, aber auch juristische, genehmigungsrechtliche Verfahren.

Es mangelt nicht an Verstand

Die technischen Konzepte sind aufgrund der Ideenvielfalt recht unterschiedlich. Als besonderer Favorit gilt hier der Flugdrachen (Kite), aber es sind auch Flügelsysteme, Gleiter oder Segel im Gespräch. Die Firma Altaeros schwört auf einen Heliumring, in dem mittig ein Windrad rotiert. Avisiert wird von allen Systemen der Höhenbereich zwischen 300 und 500 Meter, wo in etwa doppelt so viel Windenergie zur Verfügung steht wie in Bodennähe.

Kinder, die einmal am Strand einen Lenkdrachen führten, wissen um die unbändige Kraft des Windes. Um diese zur Stromerzeugung nutzen zu können, lässt man den Drachen Höhe gewinnen, wobei die Drachenschnur eine Spule mit Generator antreibt. Wenn die Schnur komplett ausgerollt ist, wird der Drachen so in den Wind gestellt, dass zum Einrollen sehr wenig Kraft erforderlich ist. Die großen Energiemengen von Höhenwinden sind schon lange bekannt und im Visier der Forschung. Die feingliedrige digitale Steuerungstechnik, die zu deren Nutzung dringend gebraucht wird, stand aber erst nach der Jahrtausendwende zur Verfügung.

Zukunftsmusik

Photovoltaikanlage auf dem HausdachDie Kennziffern der Ingenieure für die fliegenden Windkraftanlagen können sich echt sehen lassen. Pro Quadratmeter Flügelfläche erzeugen sie so viel Strom wie eine 800 Quadratmeter große Fotovoltaik-Fläche, argumentiert der Professor für Regelungstechnik Moritz Diehl von der Universität Freiburg. Andererseits würden im Vergleich zu einer heute üblichen Windenergieanlage ungefähr 95 Prozent des Materials eingespart, da die massiven Türme entfielen und die Flügel deutlich kleiner wären. Diehl drückt es salopp so aus: Das Windrad würde auf seine Flügelspitzen reduziert.

Die Wissenschaftler des Freiburger Instituts für Mikrosystemtechnik arbeiten zurzeit an den Algorithmen, die die Fluggeräte automatisch auf einer optimalen Flugbahn halten. Angesichts der bekannten Luftturbulenzen ist dies ein nicht ganz triviales Unterfangen. Das dafür favorisierte Verfahren wird als prädiktive Regelung bezeichnet. Mit der schnellen Rate von 100 Hertz berechnet das Computerprogramm das Bewegungsverhalten des Fluggeräts eine Sekunde in der Zukunft immer wieder neu, um stets rechtzeitig gegensteuern zu können mit dem Ziel, das Objekt immer in die optimale Position bei maximaler Energieausbeute zu bringen.

Auch das brandenburgische Unternehmen Enerkite aus Kleinmachnow stellt ein Projekt vor, das sich nahezu schon im Endstadium befindet. Hierbei geht es um den bereits oben erwähnten Flugdrachen, der mit dem Winddruck Höhe gewinnt und dabei mithilfe einer Seilwinde einen am Boden befindlichen Generator antreibt. Nach dem Absinken beginnt dann der Zyklus erneut. Die Schweizer Firma Twingtec verwendet einen Flieger, der etwas an eine Drohne erinnert und ebenfalls vom Wind angetrieben aufsteigt, um schließlich wieder nach unten gezogen zu werden.

Ein neues Eldorado für Investoren?

Trotz der hohen Kosten der Windräder liefern diese nicht einmal in 25 Prozent ihrer „Arbeitszeit“ ihre Nennleistung, die nämlich einen moderaten Wind mit 10 Metern pro Sekunde (36 km/h) voraussetzt. Dies ist ein Grund dafür, dass die Gondeln so weit oben angebracht werden müssen. Die Windkraftanlagen im Offshore-Bereich sind aus guten Gründen besonders teuer: Dort geht es um die Netzanbindung, also um den Transport der elektrischen Energie quer durchs ganze Land sowie die stabile Gründung und Wartung der vorgelagerten Anlagen. Geht man aber in die Höhe, so weht dort oben auch im Binnenland eine verlässliche steife Brise.

Die Befürworter der hohen Winde haben beim Wirtschaftsrechnen gut aufgepasst. Sie wissen zu schätzen, dass dort oben die Energieerträge lukrativ sind, gleichzeitig kosten die Fluggeräte deutlich weniger Geld als eine herkömmliche Windkraftanlage mit Turm und Rotor. Das ist auch nicht verwunderlich, besteht doch solch eine Windkraftanlage aus ungefähr 5.000 Tonnen Stahl und Beton. Ein großes Höhenwind-System wiegt keine 500 Tonnen und kann daher flexibler zu jenen Orten transportiert werden, wo elektrische Energie gebraucht wird, zum Beispiel in dünn besiedelte Gebiete oder nach einer Naturkatastrophe.

Modellrechnungen lassen hoffen, dass der Strom aus dem Höhenwind nur gut vier Cent pro Kilowattstunde kosten wird. Damit ist er günstiger zu produzieren als bei der Verstromung der Kohle. Während die Orte, wo heute Windenergieanlagen errichtet werden können, bestimmte Kriterien erfüllen müssen und daher relativ begrenzt vorhanden sind, können fliegende Windkraftmaschinen bezogen auf ihre Positionierung, abgesehen vom direkten Umfeld von Flughäfen, deutlich beliebiger in die Höhe steigen.

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