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Jet-Streamer - neue energie / Juli 2011

Seit Jahren sorgen fliegende Windkraftwerke, hoch am Himmel stehend, für Gesprächsstoff. Rund 60 Unternehmen und Hochschulen arbeiten an Konzepten. Serienreif ist keine einzige Anlage.


Eine fantastische Vorstellung: An einem zentimeterdicken Seil hängt ein riesiger Flugdrachen und malt eine Acht in den Himmel. Am Boden sind Seil und Drachen mit einem Generator gekoppelt. Während der Drachen fliegt, zerrt er kräftig am Seil und wickelt es ab – der Generator erzeugt Strom. In der Pause gleitet der Drachen rasch hinab, das Seil wickelt sich auf. Dieses Spiel wiederholt sich wieder und wieder.

So soll Windenergie in hohen Luftschichten genutzt werden. Dort bläst es beständiger und stärker als in Bodennähe. An Bord haben die „Kites“ ausgeklügelte Steuersysteme, die sie wochenlang in der Luft halten. Diese Theorie klingt viel versprechend. Man könnte auf einfache Art massenweise grünen Strom gewinnen. Und das zu Preisen, von denen bislang niemand zu träumen wagt. Von wenigen Cent ist die Rede. Alles Hirngespinste?

Pilotprojekte am Himmel

Auf der Airborne Wind Energy Conference im belgischen Leuven trafen sich Ende Mai mehr als 100 Flugwindkraft-Experten aus 15 Nationen. Eines Tages, prophezeien Forscher wie Peter Engel von der Technischen Universität (TU) Darmstadt, könnten Himmelswindkraftwerke auf Augenhöhe mit traditionellen Dreiflüglern stehen: „Auf lange Sicht haben gute neue Ideen eine Chance. Die Dreiflügler werden aber noch sehr lange Zeit dominieren.“

Als Meilenstein gilt die Arbeit von Wubbo Ockels von der TU Delft. Seine Laddermill, übersetzt: Leitermühle, besteht aus mehreren hintereinander angeordneten Kites. Nach Ankündigungen im Multimegawattbereich hat sich die niederländische Universität auf einen kleineren Prototyp besonnen. Der 25 Quadratmeter große Kite ist als Versuchsaufbau auf einem Lkw installiert und hat 18,5 Kilowatt (kW) mechanische Nennleistung. Im Flug auf 150 bis 300 Metern Höhe leistet er sechs kW, berichtet Roland Schmehl, der die sechsköpfige Forschungsgruppe leitet. Geflogen ist das System allerdings maximal vier Stunden am Stück – länger halten die Batterien der Steuereinheit nicht durch. „Unser System ist eine Erprobungsplattform“, beschwichtigt Schmehl.

Auch andere sind nicht weiter. Kitegen aus Italien testete eine 40-kW-Pilotanlage, die in bis zu 800 Metern Höhe flog. Hier kommt ebenfalls ein Drachen zum Einsatz, der einen Generator am Boden antreibt. 2013 soll dann eine Drei-MW-Demo-Anlage aufsteigen. Wie bei der Laddermill liefert dieses System unstetig Strom, da der Kite immer wieder in geringere Höhen absteigen muss, Fachleute sprechen vom Jo-Jo-Effekt. „Hier könnten viele, im Verbund arbeitende Anlagen Abhilfe schaffen“, rät Peter Engel.

Das erste Kraftwerk zum Fliegen brachte der Australier Bryan Roberts. Er forschte vor über 30 Jahren an kontinuierlich arbeitenden Höhenwindkraftwerken und will bewiesen haben, dass seine Idee funktioniert. Allerdings ließ Roberts keine gewöhnlichen Drachen steigen, sondern eine Kreuzung aus Kite und Hubschrauber mit vier einzelnen Rotoren, die Generatoren antreiben. Dieses Gerät sollte sogar den Jetstream anzapfen – um den Erdball tosende Stürme in mehr als zehn Kilometern Höhe. Eine Idee, die selbst Engel „sehr skeptisch“ beurteilt.

Gleichwohl arbeitet die US-Firma Sky Windpower an deren Umsetzung. Ein Demonstrator von etwa zwei mal zwei Meter Größe wurde am Boden getestet. „Im Sommer soll das Gerät autonom fliegen und zeigen, was es kann“, sagt Geschäftsführer PJ Shepard. Auf eine endgültige Größe und Markteintrittsdaten möchte er sich nicht festlegen. Nachteilig an diesem Konzept könnte sein, dass die Generatoren an Bord sind. Das macht das Kraftwerk schwer, die Risiken in der Start- und Landephase steigen. Allerdings könne das Kraftwerk, so Shepard, steht es erst einmal am Himmel, wochenlang Strom liefern. Wie es aus luftiger Höhe verlustarm auf der Erde landen soll, ist hingegen offen.

Entwicklungsbedarf wird unterschätzt

Stephan Wrage hat dazu eine klare Meinung: „Ich halte das per heute für nicht durchführbar.“ Der Gründer von Skysails, dem Pionierunternehmen in Sachen Drachennutzung, sollte es wissen. Skysails baut Systeme, um große Schiffe per Drachen, die bis zu 300 Meter hoch steigen, über die Meere zu ziehen. Das entlastet den Motor und spart Treibstoff. Vier Schiffe fahren mit den bis zu 320 Quadratmeter großen Kites. Eigentlich sollten es längst viel mehr sein, doch die Käufer zieren sich. Immerhin konnte Skysails Erfahrung mit Kites sammeln, gerade was Start und Landung angeht, und gilt in der Szene nun als das Vorbild. Erfahrung hat man auch was das Zugseil angeht. Dieses Know-how prädestiniert für mehr: Es heißt, Skysails halte Patente für Offshore-Höhenwindkraft und wolle selbst in den Markt einsteigen. „Wir werden unsere Technologie auch für andere Anwendungen einsetzen“, erklärt Wrage. Wie sein System aussehen wird, verrät er nicht. Nur so viel: „Der 320-Quadratmeter-Kite ersetzt problemlos zwei MW Antriebsleistung“. Der Markt sei zwar hoch attraktiv, aber der Entwicklungsbedarf werde „massiv unterschätzt“, warnt Wrage. Ein Appell zur rechten Zeit: Weltweit arbeiten rund 60 Institutionen und Firmen an Flugwindkraftwerken.

Nicht nur Drachen sollen den Strom vom Himmel holen, auch flugzeugähnliche Modelle. Vorteil: Das aerodynamische Verhalten starrer Tragflächen ist gut erforscht, die Konstruktionen fliegen schnell und erzeugen dabei hohe Kräfte. Nachteil: Sie sind schwer, teurer und bei einem Absturz gefährlich. Zwei Unternehmen arbeiten dennoch an solchen Systemen: Die niederländische Ampyx Power hat einen zehn kW starken Prototypen getestet. Man sei finanziell gut aufgestellt, was die weitere Erprobung sichere, heißt es. Finanzstark ist auch das US-Unternehmen Makani Power, Google ist mit 15 Millionen US-Dollar beteiligt. Bei Makani sind die Generatoren direkt an der Tragfläche installiert – das soll den Ertrag erhöhen. Vorteil des Entwurfs: Die Generatoren mit den Propellern können das Gebilde gleichzeitig in die Luft bringen. Offen ist hingegen, wie der Strom übertragen werden soll und wann ein größerer Prototyp startet.

Neben Drachen- und Flugzeugkraftwerken werden Ballone in den Himmel geschickt. Das kanadische Unternehmen Magenn Power konzentriert sich gleich auf kleine Systeme. Die sollen in netzfernen Gegenden Strom erzeugen. Der Helium befüllte Ballon hat die Form einer liegenden Tonne und arbeitet ähnlich wie ein Wasserrad: In Schaufeln in der Hülle greift der Wind und dreht das Gebilde. Links und rechts an der Drehachse sind die beiden Generatoren befestigt, genauso die Halteseile die gleichzeitig den Strom nach unten führen. Das Minikraftwerk „Mars“ steigt maximal 300 Meter hoch, der Serienstart ist für 2012 angekündigt.

Laut Roland Schmehl eignen sich Flugwindkraftwerke besonders für den Offshore-Einsatz. Ihre Fundamente müssten viel weniger Belastung aushalten als die gewöhnlicher Windturbinen mit ihrem langen, als Hebel fungierenden Turm und kämen „mit einem Bruchteil des Materials“ aus. Fachmann Engel sieht das anders: „Das sind zwei neue Dinge, Offshore und Flugwindkraftwerke, die ich kombiniere. Ich rate davon ab.“
Viele weitere Fragen sind zu klären: Wie reagieren die Kraftwerke auf Blitzschlag und Vereisung? Kaum auszumalen was passiert, wenn ein tonnenschwerer Eisklumpen aus 800 Metern zu Boden klatscht. Was ist mit dem Schattenwurf? Wie ist ein fliegender Körper, der unter Hochspannung steht, einzuordnen? Wie kommen Flugzeuge mit den Konstruktionen klar? Für Peter Engel sind das keine Totschlagargumente. Er ist überzeugt: „Die Flugwindkraft bietet auch Chancen.“



Flugwindkraftwerke – Top oder Flop

Top
-geringer Materialbedarf bei hoher Energieausbeute
-geringe optische Beeinträchtigung, stehen in großer Höhe
-günstige Fundamente für Offshore-Einsatz

Flop
-grundlegende Entwicklungsarbeit vonnöten
-Gefahrenpotenzial durch Abstürze
-komplizierte Regularien im Luftraum


Dieser Beitrag erscheien im Juli 2011 in: neue energie

© 2011 Daniel Hautmann