Flugwindkraftwerk

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Ein Flugwindkraftwerk ist eine bisher nicht realisierte theoretische Möglichkeit der Energiegewinnung. Es befindet sich anders als eine konventionelle Windkraftanlage nicht fest auf einem Mast, sondern fliegt oder schwebt in der Luft und ist nur durch ein oder mehrere Halteseile am Boden verankert. Flugwindkraftwerke können ähnlich wie ein Ballon leichter als Luft sein und daher schweben, oder wie ein Drachen oder Surfkite schwerer als Luft sein und durch den Auftrieb des Windes in der Höhe gehalten werden.

Flugwindkraftwerke könnten in größere Höhen als konventionelle Windkraftwerke vorstoßen. Winde in diesen Höhen von mehreren hundert Metern bis zu mehreren Kilometern sind stärker und stetiger, und ihr Energiegehalt beträgt ein Vielfaches desjenigen bodennaher Winde. Die Höhenwinde sind als die am stärksten konzentrierte Form von weltweit verfügbarer regenerativer Energie bezeichnet worden.[1] Das für Flugwindkraftwerke bestehende Windpotential reicht theoretisch aus, um den gesamten Primärenergiebedarf der Menschheit mehr als hundertfach zu befriedigen.[2]

Durch die hohen Windgeschwindigkeiten und das große Windpotential, das mit Flugwindkraftwerken erschlossen werden kann, können diese möglicherweise erheblich günstiger Strom produzieren als andere regenerative Energiequellen, nach einigen Ansichten auch günstiger als fossile Energiequellen.

Flugwindkraftwerke müssten aus leichten Materialien gebaut werden und könnten im Vergleich zu konventionellen Windkraftwerken gleicher Ausgangsleistung mit viel geringerem Materialaufwand realisiert werden. Viele Typen von Flugwindkraftwerken sind grundsätzlich skalierbar, so dass die Größenbeschränkungen konventioneller Windkraftwerke von wenigen Megawatt Leistung nicht gelten. Flugwindkraftwerke könnten daher prinzipiell als Leistungseinheiten von mehreren hundert Megawatt wie fossile Großkraftwerke gebaut werden.

Trotz dieser möglichen Vorteile existieren im Jahr 2010 nur einzelne experimentelle Prototypen. Insbesondere die Schwierigkeiten der automatischen Steuerung im Flug sowie bei Start und Landung verhinderten bislang eine Serienfertigung. Daneben gibt es Unsicherheiten bezüglich der optimalen Bauart sowie der zu verwendenden Materialien. Zur Realisierung von Flugwindkraftwerken sind zwar viele praktischer Fragen zu lösen, aber es bestehen nach Aussage der Forschergruppen und Unternehmen, die sich mit der Entwicklung von Flugwindkraftwerken beschäftigen, keine grundsätzlichen technischen oder physikalischen Hindernisse.

Vom Drachen zum Flugwindkraftwerk - Geschichte der Flugwindkraftwerke[Bearbeiten]

Bereits in früher Zeit wurden Höhenwinde vereinzelt durch Drachen zur Lasthebung genutzt. Der Drachen wurde in Asien entwickelt. Dabei wurden auch Menschen mit Drachen gehoben. Dies erfolgte als Vergnügung, aber auch für militärische Beobachtungen.[3] Erst über Marco Polo kam das Prinzip des Drachens nach Europa.[3] Leonardo da Vinci schlug einen Drachen vor, um einen Fluss zu überqueren, Fahrzeuge zu ziehen und um die Energie von Blitzen abzuleiten.

Noch vor der Erfindung des Kraftfahrzeuges wurden Drachen zum Ziehen von Kutschen verwandt, etwa von Benjamin Franklin, der auch Boote mit Hilfe von Drachen antrieb.[3] Der Drachenpionier Samuel F. Cody überquerte 1903 mit einem von einem Drachen gezogenen Boot den Ärmelkanal und stellte im selben Jahr den einen Rekord für den höchsten Drachenflug mit 14000 Fuß (ca. 4200 m) auf.[3] Durch die Erfindungen des Motorflugs und der Nutzung von fossilen Brennstoffen erlahmte das Interesse an der Höhenwindnutzung bis zu den Ölkrisen der 70er Jahre, die zu einem erneuten Interesse und verschiedenen Forschungsprojekten führten. So hat etwa der Ingenieur M. L. Loyd die Energiegewinnung durch Flugdrachen detailliert untersucht.[4] Wegen der in den 80er Jahren gesunkenen Ölpreise wurden diese Projekte jedoch gemeinsam mit anderen Forschungsprojekten im Bereich der alternativen Energien, wie etwa thermische Solarkraftwerke, experimentellen Windgeneratoren wie Growian etc. weitgehend aufgegeben. Ab den 1990er Jahren konzentrierte sich die Forschung und Entwicklung auf konventionelle Windkraftanlagen. Erst mit der Jahrtausendwende kam es zu einem erneuten Interesse an Flugwindkraftwerken. Hervorzugeben ist hierbei die deutsche SkySails, die seit der Jahrtausendwende mit erheblichem Aufwand ein System zur Einsparung von Treibstoff auf Schiffen mit Hilfe von autark manövrierenden Flugmatten entwickelt hat. Dieses System wurde bislang (2010) auf etwa 10 Schiffen installiert und befindet sich in einem weit fortgeschrittenen Erprobungsstadium, ist aber bislang nicht serienreif.[5]

Ab etwa dem Jahr 2005 zeigt sich von verschiedener Seite erhöhtes Interesse an Flugwindkraftwerken zur Elektrizitätserzeugung. Durch Entwicklungen im Bereich von Sensoren, Materialien, computergesteuerten Autopiloten etc. erscheint der Bau und Betrieb von Flugwindkraftwerken realisierbar.[6] Universitäre Forschungsgruppen und außeruniversitäre Start-ups beschäftigen sich seitdem mit der Entwicklung von Flugwindkraftwerken. Auch private Geldgeber werden vermehrt auf das Potential dieser Technologien aufmerksam. So hat die Firma Makani ca. USD 30 Mio. von einer Tochtergesellschaft des Google-Konzerns zur Entwicklung eines Flugwindkraftwerkes erhalten.[7] Neben vielen Patenten[8] und Publikationen in diesem Bereich werden ab 2009 auch jährliche internationale Konferenzen zu Flugwindkraftwerken abgehalten.[9] Das Airborne Wind Energy Consortium, eine internationale Organisation der in diesem Bereich tätigen Unternehmen, wurde gegründet.

Trotzdem ist bis 2009 der völlig autonome Flugbetrieb eines Flugwindkraftwerks über mehrere Tage mit autonomem Starts und Landungen nicht gelungen.[10]

Potential von Flugwindkraftwerken[Bearbeiten]

Konventionelle Windkraftanlagen sind durch die Nabenhöhe der Windkraftanlage und den Rotordurchmesser auf die Nutzung des bodennahen Windes beschränkt. Die im Jahr 2010 existierenden konventionellen Windkraftwerke können Winde bis rund 200 m über dem Boden nutzen.

Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit steigt mit dem Abstand vom Boden, denn der Wind in Bodennähe wird durch die Reibung am Boden abgebremst. Bei rauen Bodenoberflächen wie etwa Hügeln, Wäldern oder hohen Gebäuden ist die Bremswirkung stärker als bei glatten Bodenoberflächen (See, Meer, Flachland mit niedrigem Bewuchs). Der Einfluss dieser Bremswirkung der Bodenoberfläche auf den Wind verringert sich mit dem Abstand von der Bodenoberfläche. Die Windgeschwindigkeit nimmt bis zu etwa 10km Höhe zu. In dieser Höhe treten in den gemäßigten Breiten die sogenannten Jetstreams mit Spitzenwindgeschwindigkeiten von bis mehreren hundert km/h auf. Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit am Boden beträgt etwa 5 m/s, während sie in den Jetstreams 40 m/s beträgt.[10]

Für die Windenergienutzung ist die Windgeschwindigkeit von grundsätzlicher Bedeutung. Die nutzbare Leistung steigt dabei nicht linear, sondern mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit.[11] Dies bedeutet, dass bei einer Verdoppelung der Windgeschwindigkeit sich die im Wind enthaltene Leistung verachtfacht, bei Verdreifachung auf das 27-fache zunimmt. Die durchschnittliche Energiedichte in den Jetstreams bei 40 m/s Windgeschwindigkeit ist somit nicht nur achtmal, sondern 512mal so hoch wie am Boden bei 5 m/s Windgeschwindigkeit. Dieses Potential lässt sich mit Hilfe eines kürzlich veröffentlichten globalen Atlasses zur Energiedichte der Höhenwinde in verschiedenen Höhen zwischen 80 m und 12000 m abschätzen.[12]. Zu berücksichtigen ist allerdings, dass in größeren Höhen die Luftdichte abnimmt, was die nutzbare Leistung wieder reduziert, und dass die höheren Windgeschwindigkeiten die mechanischen Belastungen der Anlagen steigern.

Flugwindkraftwerke könnten innerhalb ihrer bauartbedingten Maximalhöhe in verschiedenen wechselnden Höhen betrieben werden, d. h., bei Schwachwind in einer bestimmten Höhe könnte man die Höhe wechseln. Auch kann am gleichen Standort die Windenergie aus verschiedenen Höhen genutzt werden, so dass sich die nutzbare Windleistung pro Boden-Flächeneinheit gegenüber konventionellen Windenergieanlagen vervielfacht. Damit könnten auf kleiner Bodenfläche erheblich höhere Energiemengen erzeugt werden, der Flächenverbrauch sowie der Einfluss auf das Landschaftsbild wären somit geringer.

Die dauerhafte Windgeschwindigkeit in größeren Höhen bedeutet auch höhere Auslastung der Windkraftanlagen. So liegt der Kapazitätsfaktor konventionelle Onshore-Windenergieanlagen je nach Standort im Durchschnitt bei ca. 30-40%,[1] während Projektionen für Höhenwindenergieanlagen von bis zu 80% Auslastung ausgehen.[1] Dieser Effekt würde die Stetigkeit der Windenergie verbessern und damit ein bedeutendes Problem der Windenergienutzung mildern. Der Zwang zum Vorhalten alternativer Stromquellen, zumeist mit fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdgas arbeitend, würde entschärft. Auch könnten möglicherweise die Stromgestehungskosten durch die höhere Auslastung der Kraftwerke sinken. Da bisher noch keine kommerziellen Flugwindkraftwerke existieren, sind jedoch noch keine realen Daten verfügbar.

Durch die höheren durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten und die geringere Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit und der Stärke der bodennahen Winde können Höhenwindkraftwerke auch an für konventionelle Windkraftwerke ungeeigneten Standorten, etwa im windschwachen Binnenland, betrieben werden. Orte für Windkraftwerke könnten sich damit nach dem Stromverbrauch in der Region und weniger nach der Windgeschwindigkeit am Boden richten. Dadurch könnte sich der für die Umstellung der Energieversorgung auf Windenergie erforderliche Aufwand für den Netzausbau verringern, der etwa in Deutschland für den Transport von Windstrom aus den windstarken Erzeugergebieten in Norden in die Verbrauchszentren in der Mitte und im Süden Deutschlands nötig ist. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass fliegende Windkraftanlagen deutlich größere Auswirkungen auf das Flugwesen hätten, so dass diese Anlagen nicht überall errichtet werden könnten.

Abschätzungen gehen davon aus, dass die Erzeugerpreise von unter 1 Eurocent pro kw/h Strom bis zu 2 cent pro kw/h Strom realistisch sein könnten.[13] Sollte sich diese Einschätzung als richtig erweisen, wären Flugwindkraftwerke nicht nur die mit Abstand günstigste regenerative Energiequelle, sondern auch günstiger als fossile Kraftwerke, selbst ohne Berücksichtigung externer Effekte wie der CO2-Belastung.[13]

Konstruktionsprinzipien von Flugwindkraftwerken[Bearbeiten]

Zur Erreichung der Höhenwinde wird das Flugwindkraftwerk im Gegensatz zu konventionellen Windkraftanlagen nicht auf einem Turm oder Mast befestigt. Die Tragfläche wird lediglich von Seilen oder Kabeln gehalten. Das Flugwindkraftwerk „fliegt“, weil es entweder leichter als Luft ist oder durch den Auftrieb des Windes in der Luft gehalten wird.

  • Ballonartige, mit leichten Gasen gefüllte Flugwindkraftwerke wären leichter als Luft, würden also ohne dynamischen Auftrieb schweben. Ein Beispiel für ein solches Konzept ist das Flugwindrad der Firma Magenn. Dies ist ein um die Längsachse drehbar gelagerter länglicher Ballon, der sich dank an der Längsseite angebrachter gewölbter Lamellen ähnlich wie ein Anemometer oder ein Savoniusrotor um die Längsachse dreht und so einen Generator antreibt.
  • Flugwindkraftwerke, die schwerer als Luft sind, wandeln einen Teil der Windenergie in dynamischen Auftrieb um, der das Flugwindkraftwerk wie einen Drachen oder ein Kitesurfsegel in der Luft hält. Diese Systeme stellen einen erheblich höheren Anspruch an die Steuerung, da ein Steuerungsfehler leicht zum Absturz führen könnte.

Die vorgeschlagenen Systeme unterscheiden sich weiter darin, ob der Strom in der Luft erzeugt und dann über Kabel oder auch kabellos zum Boden übertragen wird oder ob die Energie mechanisch, etwa über Seile oder Ketten, zu dem Generator an der Bodenstation übertragen wird. Weiterhin ist zu unterscheiden zwischen Kraftwerken, die stationär über einem Ort fliegen oder schweben, und solchen, die die Energieausbeute erhöhen, indem sie möglichst schnell quer zum Wind fliegen (Cross-Wind Power), etwa in Kreisbewegungen oder in Form einer 8. Diese Flugmanöver, welche auch beim Kitesurfen verwendet werden, erhöhen die von der Tragfläche überstrichene Fläche, die relative Windgeschwindigkeit an der Tragfläche und die von dem Kraftwerk nutzbare Windleistung. Das zugrunde liegende Prinzip lässt sich gut durch einen Vergleich mit konventionellen Windkraftanlagen erläutern. Bei diesen erzeugen die Spitzen der Flügel den größten Teil derLeistung, weil sie sich am schnellsten bewegen und somit eine große Fläche überstreichen. Der Wind wird auf der gesamten überstrichenen Fläche abgebremst und nicht nur auf dem Kreisausschnitt, auf dem sich der Flügel gerade befindet. Konstrukteure solcher schnell fliegenden Flugwindkraftwerke haben das Ziel, das Windkraftwerk auf diese effektiven, dann fliegenden Teile, zu reduzieren und die schweren und teuren restlichen tragenden Teile wie die Blattmitten, die Nabe und den Mast entbehrlich zu machen.

Konstruktive Unterschiede von Flugwindkraftwerken zu konventionellen Windkraftwerken[Bearbeiten]

Bauart und Materialien[Bearbeiten]

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Der Drachen von Kitegen fliegt in „8“-Form herum
Die luftballonbasierte Bauform im Beispiel des TWIND-Systems, das die senkrechte Kraft nutzt und mithilfe des Fallschirms den Luftwiderstand reguliert

Der fliegende Teil eines Flugwindkraftwerks muss leicht gebaut werden. Um dies zu ermöglichen, sind neben der Wahl von textilen und flexiblen Baustoffen auch Konstruktionen zu wählen, die das Material in seiner vorteilhaftesten Art belasten. Dies bedeutet, dass möglichst nur Zugkräfte und Druckkräfte aber möglichst kaum Schwerkräfte auf die einzelnen Komponenten einwirken sollten. In konventionellen Windkraftanlagen herrschen aber gerade diese seitlichen Kräfte vor, so dass die Türme, Rotorblätter etc. äußerst stabil dimensioniert sein müssen, um diesen seitlichen Kräften standhalten zu können. Damit erhöht sich die erforderliche Masse dieser Komponenten um ein Vielfaches.

Schwerkräfte können durch Seilabspannungen, wie dies etwa bei Kites der Fall ist, nahezu vollständig vermieden werden. Abspannungen erhöhen jedoch den Luftwiderstand erheblich. Soweit durch schnellen Flug die Leistungsausbeute erhöht werden soll, ist jedoch auf einen geringen Luftwiderstand bei hohem Auftrieb also einer hohen Gleitzahl zu achten. Daher besteht eine der Herausforderungen des Baus darin, bei dem Aufbau der Tragfläche ausreichend Stabilität bei geringem Gewicht und trotzdem geringem Luftwiderstand zu erreichen. Dafür können etwa aufblasbare Strukturen mit innenliegenden Seilabspannungen wie etwa Tensairity® verwandt werden.[14]

Allerdings sind selbst mit handelsüblichen Surfkites, die aerodynamisch nicht optimal sind, beachtliche Leistungen von 30[15] bzw. 40 kW[13] errechnet bzw. erzielt worden.

Für die Seile wird zumeist Dyneema® verwandt.[16] Neue Materialien wie etwa Nanotubes könnten die Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten von Flugwindkraftwerken noch erheblich erweitern.

Steuerung und Kontrolle[Bearbeiten]

Die autonome Steuerung der Flugwindkraftwerke sowie die Tatsache, dass diese im Gegensatz zu konventionellen Windkraftwerken frei im Raum fliegen, stellt eine der zentralen Herausforderungen bei der Entwicklung von Flugwindkraftwerken dar.[17] Bisherige Entwicklungen sind primär an dieser Problematik gescheitert. Vielfältige Sensoren zur Messung möglichst vieler Parameter (Windgeschwindigkeit und Richtung, Lage, Geschwindigkeit relativ und absolut, Bewegungsrichtung, Seilspannung, Vibrationen etc.) müssen an einen Autopiloten weitergeleitet werden, der dann über eine Steuerungssoftware die richtigen Lenkmanöver durchführt. Die Software muss so beschaffen sein, dass sie einen möglichst sicheren Flug ermöglicht und dabei eine möglichst große Energieproduktion fördert. Dabei stellen plötzliche und unvorhergesehene Änderungen der Windgeschwindigkeit und -richtung ein besonderes Problem dar. Herausforderungen bestehen auch in der Start- und Landephase, wobei eventuell eine gänzlich unterschiedliche Flugbewegung zum Normalbetrieb erforderlich ist.

Fehlende Möglichkeiten im Bereich der Sensorik und Rechnerkapazitäten stellten in früherer Zeit eines der größten Hindernisse beim Bau von Flugwindkraftwerken dar. In den letzten Jahren wurden in diesem Feld jedoch vielfältige Fortschritte gemacht, so dass nunmehr geeignete Sensoren preiswert zur Verfügung stehen. Mittlerweile werden selbst Mobiltelefone standardmäßig GPS Sensoren bzw. sogar Lagesensoren (etwa IPhone und Wii-Controller) ausgestattet.

Die eigentliche Flugsteuerung erfolgt dabei entweder wie bei einem Flugzeug durch verschiedene am Flugwindkraftwerk angebrachte (Höhen-, Seiten-, Quer-) Ruder, oder entsprechend der Steuerung bei Lenkdrachen und Kites durch die Verkürzung der Lenkschnüre und –seile und damit durch eine veränderte Anstellung der Tragfläche oder des Kites. Bei letzterer Variante können entweder jeweils alle Steuerseile von der Tragfläche zur Bodenstation geführt werden, wobei dann bei entsprechender Seillänge mit erhöhtem Luftwiderstand und mit verzögertem Ansprechen und weniger präzise Lenkanweisungen zu rechnen ist. Als Alternative bietet sich an, die Lenkseile an einem Lenkmodul unterhalb der Tragfläche zusammenzuführen. Die weitere Verbindung zur Bodenstation würde dann über ein einziges Seil erfolgen. Das Lenkmodul müsste dann aber zur Ausführung der Lenkbewegungen über eine Energiequelle verfügen. Diese müsste etwa über Akkumulatoren, ein in das Seil eingebautes Stromkabel[18] oder durch kleine Windturbinen an dem Tragflügel, die den Arbeitsstrom erzeugen, erfolgen.

Stromerzeugung[Bearbeiten]

Grundsätzlich kann die Stromerzeugung in der Luft erfolgen oder an der Bodenstation.

Stromerzeugung in der Luft[Bearbeiten]

Zur Stromerzeugung in der Luft müssen grundsätzlich die schweren Stromgeneratoren in der Luft mitgeführt werden. Zum anderen muss eine Stromableitung zur Bodenstation erfolgen. In der Regel erfolgt die über ein in das Seil eingearbeitete Stromleitung.

Denkbar wäre die Stromerzeugung in der Luft durch fliegende Windturbinen. Die fehlende Verankerung kann durch zwei gegenläufige Windräder auf einer Welle oder etwa durch mehrere kleinere Windräder ersetzt werden, die von einem Rahmen gehalten werden. Letzteres Konzept wird von Skywindpower verfolgt, deren Prototyp vier hubschrauberartige Rotoren aufweist.

Die Stromerzeugung in der Luft kann alternativ durch einen kleinen, wie bei einem Flugzeug senkrecht zur Tragfläche eingebauten Propeller mit angeschlossenem Generator erfolgen. Die Tragfläche fliegt dabei schnelle kreisförmige Bewegungen und wird durch den Antrieb von Propeller und Generator abgebremst. Dieses Konzept entspricht weitestgehend der Umsetzung der autarken Blattspitzen einer konventionellen Windkraftanlage. Einzig die Abbremsung erfolgt nicht durch Antrieb der zentralen Nabe einer Windkraftanlage, sondern durch die kleinen Propeller am Tragflügel. Sowohl Makani als auch Joby Energy verfolgen dieses Prinzip.

Ein Vorteil der meisten dieser Konstruktionen besteht darin, dass der Generator bei Flaute und für Start und Landungen als Motor genutzt werden kann. Der Vorschlag von Makani und Joby Energy sieht Start und Landung wie bei einem Hubschrauber vor, wobei Energie aufgewandt wird. Durch diese Möglichkeit ist bei diesen Varianten der Start und die sichere Landung bei Flaute autark möglich. Zudem erhöht sich bei manchen Varianten durch die Möglichkeit der Ansteuerung verschiedener Motoren eine erhöhte Manövrierbarkeit ähnlich einem mehrrotorigen Hubschrauber. In der Luft wird dann die beschriebene kreisförmige Bewegung zur Stromerzeugung durchgeführt.

Durch die Stromleitung zum Boden ist zudem die Energieversorgung der Sensoren und Steuerung des Tragflügels gesichert.

Stromerzeugung am Boden[Bearbeiten]

Bei der Stromerzeugung am Boden befindet sich der Generator in der Bodenstation. Die Energie wird mechanisch, zumeist über Seile, von dem Tragflügel zur Bodenstation übertragen.

Die am meisten favorisierte Variante ist dabei die sogenannten Jo-Jo Konfiguration. Dabei wird der von dem Tragflügel erzeugte Auftrieb dazu verwandt, an dem Halteseil zu ziehen. Das Halteseil wird langsam freigelassen und treibt dabei an der Bodenstation über eine Seiltrommel einen Generator an. Sobald die Endposition erreicht ist, muss das Seil unter Aufwendung von Energie wieder eingezogen werden. Dabei wird der Tragflügel so gestellt, dass er einen möglichst geringen Luftwiderstand aufweist und somit nur wenig Zeit und Energie zum Einholen des Seils benötigt wird. Dann beginnt der Zyklus von vorne.

Andere Alternativen sehen vor, dass die Bewegungsenergie durch ein schnell drehendes Halteseil, welches somit als Welle dient, zum Boden übertragen wird.

Der Laddermill[19] genannte Vorschlag des ehemaligen Space Shuttle-Astronauten Wubbo Ockels, sieht für eine Kraftübertragung ähnlich einer Fahrradkette ein kreisförmiges Halteseil vor, an dem gleichmäßig mehrere Tragflügel verteilt sind. Während die an der dem Wind zugewandten Seite des Seils befindlichen Tragflügel so gestellt werden, dass sie Auftrieb erzeugen und das eine Ende des Seile nach oben ziehen, werden die anderen Tragflügel neutral eingestellt, so dass sie bei dem Absinken möglichst geringen Widerstand erzeugen. An der Bodenstation genannten Apparatur treibt das ständig drehende Seil wiederum einen Generator an.

Die Vorteile der Stromerzeugung am Boden sind das potentiell geringere Gewicht sowie die potentiell geringere Komplexität und Kosten des Tragflügels. Abstürze und Verschleiß würden somit geringere Kosten verursachen. Die Bodenstation mit dem Generator einer Jo-Jo Konfiguration könnte auch bei neuen Technologien im Tragflügelbau weiter verwendet werden. Eventuell wäre auch denkbar, je nach Windsituation Tragflügel mit verschiedener Größe oder aerodynamischen Eigenschaften zu verwenden oder bei Schwachwind den Generator mit mehreren Tragflächen anzutreiben. Die Nachteile sind in der für die Tragfläche benötigte Energieversorgung sowie die fehlende Möglichkeit des autonomen Starts und der Landung nach Hubschrauberprinzip zu sehen.

Herausforderungen bei Entwicklung und Betrieb von Flugwindkraftwerken[Bearbeiten]

Neben den angeführten konzeptionsbedingten technischen Herausforderungen, bestehen weitere generelle Konfliktfelder für die Realisierung von Flugwindkraftwerken.

Luftraumnutzung und Kollisionsgefahren mit Luftfahrzeugen[Bearbeiten]

Flugwindkraftwerke können weit über den Luftraum von 100m Höhe hinaus betrieben werden, für den eine Konkurrenz und Kollisionsgefahr mit Luftfahrzeugen besteht. Für die Nutzung in Höhe von bis zu 1000 m besteht dabei vor allem eine Konkurrenz mit der Privatfliegerei. Um die Sicherheit der Privatfliegerei zu gewährleisten sollten über dem Standort von Flugwindkraftwerken Flugverbotszonen eingerichtet werden, wie sie jetzt schon über Kernkraftwerken und anderen bebauten Gebieten bestehen. In der relativ geringen Betriebsdauer der installierten Skysail-Antriebe ist bereits eine Beinahe-Kollision mit einem Hubschrauber erfolgt.[20]

Blitzschlag und extreme Wetterlagen[Bearbeiten]

Die langen Halteseile stellen hervorragende Stromleiter dar, so dass bei Gewitter mit vermehrten Blitzeinschlägen zu rechnen ist. Dabei scheint es allerdings möglich zu sein, entsprechende Isolierungen von Tragflügel und Bodenstation gegen Blitzeinschlag vorzunehmen. Zudem können die Flugwindkraftwerke bei entsprechenden Wetterlagen auch gelandet werden.

Es stellt sich weiterhin die Frage, ob bei kalter Witterung die Tragflächenvereisung eine größere Problematik darstellt. Weiterhin stellt sich die Frage, wie schnell die leichten Materialien sowie die verwendete Seile im Dauerbetrieb verschleißen und erneuert werden müssen.

Abstürze[Bearbeiten]

Es ist durch die komplexe Steuerung von Flugwindkraftwerken, die schwerer als Luft sind, zumindest in der Testphase mit vermehrten Abstürzen zu rechnen. Auch bei ausgereiften Systemen lassen sich Abstürze wohl nicht mit letzter Sicherheit ausschließen. Daher dürften Flugwindkraftwerke lediglich an solchen Standorten in Frage kommen an denen eine Gefährdung von Menschen ausgeschlossen ist.[6]

Rechtslage und Betriebsgenehmigung[Bearbeiten]

Für die Errichtung und den Betrieb von Flugwindkraftwerken bestehen im Jahr 2010 für Deutschland noch keine spezifischen rechtlichen Regelungen. Bau(planungs)rechtliche sowie luftrechtliche Genehmigungen dürften nur mit erheblichem Aufwand durch Einzelfallentscheidungen zu erlangen sein.

Projekte[Bearbeiten]

Während weitere Varianten der Fliegenden Windenergieanlagen zunehmend an technischer Reife gewinnen, scheint eine Nutzung des Jetstreams nach obigem Prinzip nicht greifbar. Heutige Systeme operieren mit Seillängen von einigen hundert Metern und Flughöhen von 300 - 500 m.[21]

Die europäischen Entwicklungen, wie die brandenburgische EnerKite[22], die ebenfalls brandenburgische Firma NTS, die Universität von Delft in den Niederlanden, und die italienische Firma Kitegen befassen sich mit Lenkdrachen, welche am Boden befindliche Generatoren antreiben.[23][24] EnerKite hat am 23. März 2012 eine mobile Flugwindkraftanlage mit einer Nennleistung von 30 kW in Betrieb genommen, welche der Technologieentwicklung und Demonstration dient [25].

Ein weiteres, ebenfalls einem Lenkdrachen ähnliches Konzept, wurde von der kalifornischen Firma Joby Energy entwickelt.[26]. Diese Entwicklungen setzt die ebenfalls aus Kalifornien stammende Firma Makani fort und präsentiert inzwischen ein 30 kW System mit einem propellierten 8 Meter weitem Flügel. Hier wird die Energie durch Windgeneratoren am Flügel in der Luft gewandelt und mit Hochspannung durch ein Seil konstanter Länge zum Boden geleitet.[27].

Ein Leichter-als-Luft-Konzept hat Atena Engineering entwickelt. Dabei handelt es sich um Anlagen, die relativ niedrig in einer Höhe von einigen hundert Metern schweben. Die Anordnung der Rotoren ähnelt dabei der einer konventionellen Windkraftanlage, was einen vergleichsweisen hohen Wirkungsgrad bedeutet. Der Hauptvorteil gegenüber solchen Anlagen besteht in der Reduktion von kritischen Lasten bei großen bis sehr großen Durchmessern von 100 bis 300 Metern.[28]

Auch die NASA erforscht die Möglichkeit fliegender Windenergieanlagen.[29][30]

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Anmerkungen[Bearbeiten]

  1. a b c High Hopes; Erik Vance in Nature 2009, Vol 460, Seite 564.
  2. C. Archer, K. Caldeira, Global Assessment of High-Altitude Wind Power in Energies 2009, 2 Seite 307 http://www.aweconsortium.org/public/downloads/resources/archer_caldeira.pdf.
  3. a b c d Past, Present and Future of Kites and Energy Generation; J. Breukels, Wubbo Ockels.
  4. M. L. Loyd, Crosswind Kite Power in Journal of Energy, 4 (3), Seite 106 ff.
  5. Beluga Skysails: Trainingslager auf hoher See. Eckhard Stengel in Frankfurter Rundschau online vom 13. Februar 2009, zuletzt abgerufen am 14. Januar 2010
  6. a b High Hopes; Erik Vance in Nature 2009, Vol 460, Seite 564 (566).
  7. USD 15 Millionen in 2007 und später nochmals eine Finanzierung “in dieser Größenordnung”: High Hopes; Erik Vance in Nature 2009, Vol 460, Seite 564 (566).
  8. Siehe eine Auflistung von Patenten in der englischensprachigen Wikipedia.
  9. Konferenz des Jahres 2010
  10. a b Windenergienutzung mit schnell fliegenden Flugdrachen: eine Herausforderung für die Optimierung und Regelung; D. Diehl, B. Houska in Automatisierungstechnik 2009, Seite 525 (531).
  11. Modeling, Simulation, and Testing of Surf Kites for Power Generation, P. Williams, B. Lansdorp, R. Ruiterkamp, W. Ockels in AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibits 2008, Honolulu, Hawaii, Seite 2.
  12. Atlas of High Altitude Wind Power, C.L. Archer, K. Caldeira, 2008, http://www.aweconsortium.org/public/downloads/resources/atlas_of_airborne_wind_energy.pdf.
  13. a b c M. Canale, L. Fagiano, M. Milanese Power Kites for Wind Energy Generation. IEEE Control Systems Magazine Seite 25 (27, 28).
  14. Mit dem Tensairity Prinzip aufgebaute Tragflügel mit innen liegenden Abspannungen können doppelt so hohe Gleitzahlen erreichen wie herkömmliche Kites, vgl. An inflatable wind using the principle of Tensairity, J. Breuer, W. Ockels, R. Luchsinger.
  15. vgl. An inflatable wind using the principle of Tensairity, J. Breuer, W. Ockels, R. Luchsinger.
  16. Mit konventionellen Dyneema®-Seilen sind nach Berechnungen Flugwindkraftwerke mit einer Leistung von bis zu 100 MW realisierbar: Flight control of the high altitude wind power system, A.R. Podgaets, W.J. Ockels in Proceedings of the 7th Conference on Sustainable applications for Tropical Island States, 2007.
  17. High Hopes; Erik Vance in Nature 2009, Vol 460, Seite 564 (565).
  18. Die SkySails technologie arbeitet mit dieser Variante.
  19. Design of a 100 MW Laddermill, B. Landsdorp, W.J. Ockels in proceedings of the 7th World Congress on Recovery, Recycling and Reintegration, 2005.
  20. http://www.spiegel.de/wirtschaft/unternehmen/0,1518,659361,00.html.
  21. http://www.vdi-nachrichten.com/artikel/Drachen-sind-scharf-auf-Windenergie/57997/1
  22. http://www.enerkite.de
  23. http://www.guardian.co.uk/environment/2008/aug/03/renewableenergy.energy
  24. http://www.vdi-nachrichten.com/artikel/Drachen-sind-scharf-auf-Windenergie/57997/1
  25. http://www.enerkite.de/de/Produkte.html
  26. http://www.jobyenergy.com
  27. http://www.makanipower.com
  28. http://www.airborne-wind-turbine.com
  29. NASA untersucht Möglichkeit für Windfarmen in luftigen Höhenderstandard.at, 21. Dezember 2010
  30. An Answer to Green Energy Could Be in the Air nasa.gov, 10. Dezember 2010, abgerufen am 22. Dezember 2010