Airborne Wind Energy: Effizienzsteigerung durch Ressourceneinsparung bei Flugwindkraftwerken

Dass Kohle und Öl besser früher als später durch alternative Energiequellen, wie Wind und Sonne, ersetzt werden müssen, fordern aktuell nicht nur jeden Freitag junge Menschen bei den „Fridays for Future“ in aller Öffentlichkeit, sondern sieht auch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) der Bundesregierung vor; um den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid zu verringern, aber auch, da der Vorrat fossiler Brennstoffe auf lange Sicht begrenzt ist.

Während Sonnenlicht, Wind und Wasser zwar versprechen, Energiequellen zu sein, die grundsätzlich überall auf der Erde vorkommen, sind sie gleichzeitig sehr volatil: Weder ist es ständig windig noch ist die Intensität des Sonnenlichts immer gleich.

Wind ist vor allem in Bodennähe – im wahrsten Sinne des Wortes – flüchtig; doch je höher man steigt, desto kräftiger und beständiger ist die Luftbewegung. Ein Prinzip, das vom Drachensteigen bekannt ist, denn selbst an einem sehr windigen Tag muss der Drachen erst in einen gewissen Abstand zum Boden gebracht werden, um von höheren Winden derart erfasst zu werden, dass er sich stabil in der Luft halten und vom Wind bewegt werden kann.

Windenergieanlagen werden aus dem gleichen Grund möglichst hoch gebaut, allerdings limitiert die schiere Masse des Materials die Höhe einer solchen Anlage. Die immer noch als bodennah verstandenen Winde, die von Windenergieanlagen in Strom übersetzt werden, können bis zu 400 Terrawatt Leistung produzieren, doch würde das große Potenzial von Höhenwinden genutzt werden, könnten sogar bis zu 1.800 Terrawatt Leistung erreicht werden¹.

Zu den Grenzen, die die Konstruktion von Windenergieanlagen setzt, kommen Klagen hinzu, die die Nutzung der Ressource Wind behindern. So gehörten zu den Hauptklagegründen, wie die Fachagentur Windenergie an Land analysierte, der Artenschutz, aber auch Anwohner und das Militär gingen gerichtlich gegen sie vor². Während einerseits die Notwendigkeit, Energie mittels Wind zu gewinnen, anerkannt ist, stellen herkömmliche Windenergieanlagen aktuell also ein Problem hinsichtlich ihrer baulichen Möglichkeiten und Akzeptanz seitens der Bevölkerung dar.

Eine vielversprechende und innovative Alternative scheinen Airborne Wind Energy-Systeme (Flugwindkraftwerke) zu sein, da sie bedeutend kleiner sind, somit weniger Material benötigen, um Höhenwinde zu erreichen, und zudem vergleichsweise weniger invasiv in die Umwelt von Mensch und Tier eindringen.

Expertengremium DKE/K 383 Windenergieanlagen

Das DKE/K 383 ist zuständig für die Normung von Windenergieanlagen (WEA). Europäisch werden diese Arbeiten in CLC/TC 88 und international in IEC/TC 88 gespiegelt.

Die Normen für WEA befassen sich neben den Anforderungen an die elektrische Sicherheit auch mit der mechanischen Sicherheit, sowie mit Leistungsanforderungen und Umweltanforderungen.

Derzeit gibt es verschiedene Prototypen von Airborne Wind Energy-Systemen, die aber auf dem gleichen Grundprinzip beruhen: Ein aerodynamisches Flugobjekt wird in Höhen bis zu 500 Meter gebracht, um die kinetische Energie der dortigen beständigen und schnellen Winde zu erreichen, wo es dann in zirkulären Bahnen entweder frei fliegt oder mit Hilfe einer Art Kabel mit einem am Boden befindlichen Generator verbunden ist.

Die Umsetzung variiert jedoch: Einige Konzepte erzeugen Energie an Bord des Flugobjekts, andere am Boden; es werden Kites, kleine Segelflieger oder Drohnen zum Fliegen eingesetzt, deren Tragflächen steif oder beweglich sein können. Während diese Konzepte schwerer als Luft sind, gibt es aber auch Airborne Wind Energy-Systeme, die sogar leichter als Luft sind, beispielsweise mit Helium gefüllte, zylinderförmige Ballons, durch deren Mitte der Wind strömt.

Insbesondere Flugwindkraftwerke, die über ein Kabel mit einem Bodengenerator verbunden sind, profitieren vom Phasenübergang kinetischer zu mechanischer Energie, da sie der relativen Geschwindigkeit zwischen Luftmasse und Boden eine starke Kraft entgegensetzen können³. Dafür steigt eine flugzeugähnliche Drohne in die Luft und kann so auf zwei Arten den Wind nutzen:

Herkömmliche Windenergieanlagen gewinnen die Hälfte des Stroms lediglich mittels der dünnen und leichten Spitzen der Rotorblätter. Airborne Wind Energy-Systeme greifen diese Tatsache auf, indem sie sich, wie die äußeren Enden der Rotorblätter, kreisförmig in der Luft bewegen, jedoch werden der massive Turm und schwere Rest der Rotorblätter durch das Kabel und eine Drohne ersetzt werden.

Flugwindkraftwerke unterscheiden sich daher von herkömmlichen Anlagen vor allem hinsichtlich des Verhältnisses von Energie zu Masse: Sie benötigen nur einen Bruchteil der Materialmenge, die für Turm, Fundament, Turbine, Rotorblätter etc. verwendet wird, und sind auf diese Weise deutlich effizienter.

Gleichzeitig handelt es sich bei Airborne Wind Energy-Systemen aber auch um relativ instabile Konstrukte: Eine Windenergieanlage kann bei einem Defekt angehalten werden; bei Airborne Wind Energy-Systemen besteht hingegen das Risiko, dass sie bei einem ungeplanten Stopp abstürzen und zerstört werden. Daher ist es erforderlich, nicht nur eine sichere Elektronik, sondern ebenfalls zuverlässige Software für den autonomen Flug der Drohnen zu entwickeln.

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Diverse Unternehmen und Forschungseinrichtungen arbeiten derzeit an der Entwicklung ihrer jeweiligen Airborne Wind Energy-Systeme, um Wind für die Energieversorgung optimal auszunutzen. Die Realisierung dieser Systeme hängt aber nicht zuletzt davon ab, dass ihre Sicherheit und die Anschlussfähigkeit an bestehende Stromnetze garantiert sind.

An der Schnittstelle zwischen Idee und Umsetzung nimmt DKE Energy eine zentrale Rolle ein, um Normen und Standards zu entwickeln, die es letztendlich ermöglichen, Airborne Wind Energy-Systeme in eine flexible und umweltverträgliche Energieversorgung der Zukunft zu integrieren. Die DKE unterstützt bereits Forschung und Politik beim Umbau der Elektrizitätsversorgung in Richtung intelligenter Stromnetze, der mit der Nutzung Erneuerbarer Energien einhergeht.

Die Vielzahl der Firmen und jeweiligen Prototypen zeugt zwar einerseits von dem Potenzial der Airborne Wind Energy-Systeme, offenbart andererseits aber die Notwendigkeit, mit regulatorischen Hindernissen umzugehen, wenn es beispielsweise darum geht, ein Flugobjekt als Drohne oder als Flugzeug zu klassifizieren. Aus diesem Grund ist es in Bezug auf die Interoperabilität – also die Anschlussfähigkeit neuer Systeme – unerlässlich, dass, aufgrund der Arbeit von VDE DKE, nicht nur die Handhabung von Airborne Wind Energy-Systemen gesichert ist, sondern dass sie darüber hinaus internationalen elektrotechnischen Standards und allgemeingültigen Regularien entsprechen.

Nur so können ein globaler Markt erschlossen und weltweit Alternativen zur Energiegewinnung jenseits der Ausbeutung fossiler Brennstoffe angeboten werden.

Weiterführende Inhalte:

¹ https://www.nature.com/articles/nclimate1683

² https://www.fachagentur-windenergie.de/aktuell/detail/tausende-windraeder-in-deutschland-blockiert.html

³ Vgl.: Diehl, Moritz: „Airborne Wind Energy: Basic Concepts and Physical Foundations“, S. 1.

In der alltäglichen und gesellschaftlichen Diskussion ist sie ein ebenso großes Thema wie in der DKE – die Rede ist von der Energie. Unsere Normungsexperten bringen ihr Wissen aber nicht nur ein, um die Energieversorgung und -verteilung zukünftig „smart“ und dezentral zu machen, sondern leisten einen ebenso hohen Beitrag für den Betrieb elektrischer Anlagen und bei der flächendeckenden Verbreitung erneuerbarer Energien. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im