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Fliegende Kraftwerke: Strom von Drachen und Drohnen

Windenergie ist sauber, praktisch unerschöpflich und neuerdings auch nicht mehr teurer als althergebrachte Stromerzeugungstechnologien. Doch ihr Potenzial ist noch lange nicht ausgeschöpft. Mit fliegenden Windkraftanlagen wollen Firmen nun die bisher ungenutzten Ressourcen in höheren Luftschichten anzapfen.

Leonid LeivaLeonid Leiva7 min

Die Windkraft wächst und wächst: Windkraftanlagen mit insgesamt mehr als 52 Gigawatt an neuer Erzeugungsleistung wurden im Jahr 2017 gemäss Daten des Global Wind Energy Council (GWEC) weltweit installiert. Damit beträgt die globale Erzeugungskapazität der Windkraft laut GWEC 539 Gigawatt. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) steuerten Windräder im Jahr 2017 rund 4 % der globalen Stromproduktion bei. In der EU betrug der Anteil der Windkraft laut Wind Energy Europe gar 11.6 %. Gemäss Prognosen der IEA könnte die Erzeugungskapazität der Windenergie bis 2023 um weitere 324 Gigawatt auf insgesamt 839 Gigawatt anwachsen. Damit wäre die Windkraft hinter der Photovoltaik die Stromerzeugungstechnologie mit der zweitstärksten Wachstumsrate. 

Doch parallel zum Aufschwung der erneuerbaren Stromproduktion deuten Trends wie die Digitalisierung und die zunehmende Elektrifizierung der Mobilität und der Wärmeversorgung auf einen starken Anstieg des weltweiten Stromverbrauchs hin. Sollte dieser wachsende Strombedarf in Zukunft primär mit sauberen Energieträgern abgedeckt werden, so gilt es, alle verfügbaren Ressourcen abzuschöpfen. 
Im Fall der Windenergie zeichnet sich eine Verlagerung der Anlagen auf küstenferne Meergebiete ab. Windräder sind schon heute selten in der Nähe von dicht besiedelten Gebieten anzutreffen: Lärm und die Störung des Landschaftsbildes erschweren die Akzeptanz der Technologie. Die meisten Experten sind sich einig, dass Offshore-Anlagen unerlässlich für das weitere Wachstum der Branche sind. 

Die Flugwindkraft erschliesst bisher unzugängliche Ressourcen 

Eine neue Option hat sich jedoch in den letzten Jahren aufgetan: Das Wachstum in die Höhe. Mit Hilfe von am Boden befestigten Flugkörpern wie Lenkdrachen oder Drohnen versuchen zurzeit rund 50 Firmen weltweit, eine völlig neue Generation von Windkraftanlagen (in der Fachliteratur als Airborne Wind Energy Systems bezeichnet) zu entwickeln, die den Wind in höheren Schichten der Atmosphäre einfangen und in Strom umwandeln soll.

Dafür gibt es gute Gründe: In höheren Lagen, also konkret zwischen rund 200 und 1000 Metern Höhe, weht der Wind mit höheren Geschwindigkeiten als in Bodennähe. Eine im September 2018 veröffentlichte Analyse eines hochauflösenden Datensatzes der Windgeschwindigkeiten über Europa kommt zu dem Schluss,  dass die Stromausbeute, die mindestens in 95 % der Zeit über dem grössten Teil von Europa zur Verfügung steht, für Flugwindkraftanlagen in einer variablen Betriebshöhe bis zu 500 Meter doppelt so hoch wäre wie für konventionelle Windkraftanlagen gleicher Nennleistung in einer fixen Arbeitshöhe von 100 Metern. Diese Verdoppelung der Ausbeute geht laut dem Autorenteam um Philip Bechtle von der Universität Bonn und Roland Schmehl von der TU Delft auf zwei Faktoren zurück: Die im Durchschnitt höheren Windgeschwindigkeiten im genannten Höhenbereich und die Fähigkeit der fliegenden Kraftwerke, ihre Flughöhe jederzeit der schwankenden Windstärke anzupassen. «Den Wind dort einzufangen, wo er am stärksten weht, ist von kapitaler Bedeutung, denn die Leistung einer Windkraftanlage steigt kubisch mit der Windgeschwindigkeit an», sagt Sarah Barber, Leiterin Windenergie an der Hochschule für Technik Rapperswil. «Das heisst: Bei einer Verdoppelung der Geschwindigkeit ergibt sich eine Verachtfachung der Leistung», erläutert Barber. 

90 % weniger Materialaufwand

Die Flugwindkraft hat einen weiteren wichtigen potenziellen Vorteil: Der Materialaufwand würde wesentlich kleiner ausfallen als bei konventionellen Pendants. Auf einen 100 Meter hohen, tonnenschweren Turm sowie auf ebenfalls riesige Rotorblätter kann hier verzichtet werden. Das ist wichtig, denn heutige Windkraftanlagen am Boden oder im Meer bestehen zum grossen Teil aus einer Tragestruktur aus Beton, Stahl und anderen Materialien, die nötig ist, damit die Anlagen in rund 100 Metern Höhe den Wind «ernten» können, ohne dabei unter den grossen mechanischen Belastungen zu versagen. «In Wirklichkeit wird aber die meiste Windenergie im letzten Drittel des Rotorblattes eingefangen», sagt Barber.

Die Entwickler der fliegenden Windkraftanlagen werben mit dem Argument, dass dank der neuartigen Technik das Gewicht der Stromerzeugungsanlage um ganze 90 % reduziert wird.  Davon erhoffen sie sich drastisch tiefere Materialkosten für ihre Anlagen im Vergleich zu den konventionellen Windturbinen. 

Generator am Boden oder an Bord

Es gibt im Prinzip zwei Ansätze, um die Höhenwinde in Strom umzuwandeln. Die eine Variante besteht aus einem gefesselten Drachen oder sonstigem Flugkörper und einem am Boden platzierten Generator. Das angeleinte Flugobjekt muss zuerst auf seine Betriebshöhe steigen. Einmal oben angekommen, wird der Flugkörper vom Wind angetrieben und zieht am gespannten Seil. Dadurch wird der Generator an der Bodenstation in Rotation versetzt, wodurch Strom erzeugt wird. Während der Rückholphase wird der Flugkörper unter einem kleinen Energieaufwand zum Boden zurückgebracht. 

Beim anderen Ansatz trägt das ebenfalls am Boden verankerte Flugobjekt einen Generator mit an Bord, der durch eine Windturbine zum Rotieren gebracht wird. Die Seile dienen hier zur Steuerung und als Kabel zur Übertragung des generierten Stroms zur Bodenstation. 

Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile. Fliegt der Generator mit, so werden dadurch die Verluste durch mechanische Übertragung der Energie über das Seil auf den Generator beseitigt. Gleichzeitig jedoch steigt das Fluggewicht, was ebenfalls Energie kostet.

Der starre Flügel scheint sich durchzusetzen

Welcher der beiden Ansätze sich letztendlich durchsetzen wird, oder ob beide nebeneinander weiter bestehen könnten, ist noch offen. Bei der Bauweise zeichnet sich jedoch bereits ein Gewinner ab: «Es ist ein klarer Trend zu beobachten: Weg von textilen Drachen, hin zu starren Flugkörpern», sagt Sarah Barber.

Neben den Hardware-Aspekten bereitet den Pionieren der Flugwindkraft vor allem die Software zur Steuerung der Drachen noch Kopfzerbrechen. «Es ist nämlich eine sehr komplexe Aufgabe, im chaotisch wechselnden Höhenwind stets so zu fliegen, dass die grösstmögliche Leistung abgeschöpft werden kann», sagt Barber. Die Steuerung muss in der Lage sein, den Anstellwinkel des Drachen bzw. des starren Flügels so zu wählen, dass möglichst viel Energie erzeugt wird. Für herkömmliche Windräder, die in einer fixierten Höhe von bis zu rund 100 Metern betrieben werden, gebe es inzwischen genügend Erfahrung und Messwerte, um den Ertrag einer Anlage ziemlich präzise vorauszuberechnen. Für die höheren Luftschichten, die bei der Flugwindkraft relevant sind, müssen diese Erfahrungswerte noch gewonnen werden. 

Eine weitere Frage, die vor der Kommerzialisierung der Flugwindkraft geklärt werden muss, ist die der Flugsicherheit. Die fliegenden Kraftwerke müssten entweder in einem Höhenbereich fliegen, der für die Flugfahrt gesperrt ist oder ihr Betrieb muss mit dem von Flugzeugen kompatibel werden. 

Ansätze verschiedener Firmen in der Entwicklung von Flugwindkraftanlagen

Das Schweizer Unternehmen verwendet in ihrem Konzept einen drohnenähnlichen Flugkörper. Die Rotoren dieses «Multicopters» sorgen für Start und Landung der Anlage. Die Kompaktheit könnte sich als eine der grossen Stärken der TwingTec-Technologie herausstellen. Die Bodenstation aus Seilwinde und Generator soll in einem gewöhnlichen 20-Fuss-Container Platz finden und somit für die mobile Anwendung in abgelegenen Standorten geeignet sein. In dicht besiedelten Gebieten könnte das fliegende Kraftwerk hingegen seine Stärken nicht ausspielen. Vielmehr peilt TwingTec mittel bis langfristig den Einsatz bei der Versorgung von abgelegenen Ortschaften, Minen oder auf künstlich angelegten «Inseln» im Meer an. Dort könnten sie den starken Offshore-Wind nutzen, um die grossen Ballungszentren entlang der Küsten via Unterseekabel mit Strom zu versorgen.

Makani begann 2008 mit dem Bau eines recht gewöhnlich aussehenden Stoffdrachens mit einer Leistung von 2 Kilowatt. Nach ersten Tests entschied sich das junge Unternehmen jedoch für den Umbau auf ein System mit einem starren Flügel. Die Firma führte ausführliche Tests durch und konnte bereits wenige Jahre später eine Demonstrationsanlage mit einer Nennleistung von 20 Kilowatt bauen, die vollautomatisiert betrieben werden konnte. Daraufhin wurde Makani im Jahr 2013 von Google aufgekauft. Zurzeit konzentriert sich Makani auf die Entwicklung und Testung eines Prototyps mit 600 Kilowatt Nennleistung. Der M600, wie der Prototyp genannt wird, verfügt über einen Leichtbau-Flügel aus Carbonfasern mit einer Spannweite von 60 Metern. Entlang des Flügels sind paarweise insgesamt 8 Rotoren angebracht. Diese funktionieren in der Aufstiegsphase als Antrieb, bis der Flugkörper an seine Startposition für die Stromerzeugung gebracht worden ist. Dann fliegt der M600 vom Wind angetrieben in Kreisbahnen, die von der Steuerung am Boden so verändert werden, dass die Stromausbeute maximiert wird. Die Rotoren fungieren in dieser Phase als Turbinen, die an Permanentmagnet-Generatoren angeschlossen sind. Sinkt die Windgeschwindigkeit unterhalb des für die Stromerzeugung erforderlichen Minimums, wechselt die Maschine in die Rückholphase und wird zurück auf den Boden gebracht. Der Energieverbrauch für Aufstieg und Landung beträgt nur einen Bruchteil der in der Kreisflugphase produzierten Strommenge. Besteht der M600 die Tests erfolgreich, will Makani Power als nächsten Schritt den Bau einer kommerziellen 2-Megawatt-Anlage anpacken.

Die «Himmelssegel» der gleichnamigen Firma aus Hamburg wurden bereits im Jahr 2002 als ergänzende Antriebe für Frachtschiffe entwickelt. Doch nach der Pleite des grössten Kunden, einer deutschen Reederei, musste auch die SkySails GmbH Insolvenz anmelden. Nach einer Neugründung hat die Firma nun den Yachtmarkt im Visier. Die gefesselten Flugdrachen von SkySails dienten als Teilantrieb der Yacht Race for Water, die im Jahr 2017 ausschliesslich mit Solar- und Windkraft den Atlantik überquerte. Aktuell arbeitet Sky-Sails mit zwei grossen deutschen Energieversorgern und der Leibniz Universität Hannover an einem Forschungsprojekt zusammen, um ihre Kites für die Stromerzeugung zu nutzen. Bis 2020 soll der 100-Kilowatt-Prototyp über mehrere Monate in vollautomatischem Testbetrieb laufen. Das heisst, dass die Anlage ohne menschliches Zutun gestartet, gelandet und verstaut werden soll. Das Vorhaben wird vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie finanziell unterstützt.

Die Technologie von Ampyx Power basiert auf Forschungsarbeiten an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden. Es handelt sich um eine Flugmaschine mit starrem Flügel, die an einen Bodengenerator gebunden ist. Der stromerzeugende Flieger im derzeitigen Prototyp-Stadium zieht achtförmige Bahnen in einer Höhe zwischen 200 und 450 Metern. Da die Maschine nicht senkrecht, sondern schräg aufsteigt, wird das Befestigungskabel bis zu einer Länge von 750 Metern ausgespult. Anschliessend beginnt die Maschine automatisch eine Sinkflugphase, worauf wieder eine neue Aufstiegsphase zur Stromerzeugung folgt. Diese Zyklen vollzieht der Flugkörper mit Hilfe von Sensoren und Steuerungssoftware, gänzlich ohne menschlichen Eingriff. Besteht der Prototyp alle Tests, will Ampyx im nächsten Schritt eine kommerzielle 2-Megawatt-Anlage bauen. Diese würde einen Flugkörper mit einer Spannweite von 36 Metern und einem Gewicht von 3,5 Tonnen aufweisen. Ampyx hat finanzielle Unterstützung unter anderem von der EU im Rahmen des Programms Horizon 2020 erhalten, aber auch durch Crowdfunding-Kampagnen.

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