Benutzer:Uwe Ahrens/Artikelentwürfe/Höhenwindkraftwerk

Höhenwindenergie

Begriffsdefinition, Einleitung und wesentliche Merkmale

Ein Höhenwindkraftwerk ist eine Windkraftanlage, die mit Flugkörpern am Boden befindliche bewegliche Gegenstände zum Zwecke der Energieerzeugung antreibt. Die beweglichen Gegenstände am Boden verfügen über eigene Antriebseinheiten und können deshalb die Flugkörper auch bei zu geringem Wind am Boden starten bzw. bei zu geringem Höhenwind die Flugkörper in der Luft halten.

Zur Zeit gibt es Entwicklungen mit:

Höhenwindantrieben, die Schiffsmotore unterstützen um fossilen Treibstoff zu sparen: (Airseas, Tochter von Airbus Industries bzw. (Skysails) und Höhenwindantrieben zum Ziehen von Generatoren auf dem Boden um Strom zu erzeugen (X-Wind Powerplants) .

Allen gemeinsam ist eine nahezu konstante Arbeitshöhe.

Im Gegensatz zu Flugwindkraftanlagen nutzen Höhenwindkraftwerke die Energie des Windes immer in der optimalen Höhe bis zu ca. 500 Metern und ziehen am Boden bewegliche Objekte um die kinetische Energie des Windes zu nutzen.

Bei den Flugwindkraftwerken gibt es unterschiedliche Ansätze zur Nutzung der Windenergie:

Makani hat eine Hubhöhe von ca. 50m bis 400m bei einer installierten Leistung von 600 kW und fliegt im Kreis. Enerkite und Twingtec arbeiten zwischen 80m und 300m. Ampyxpower gibt eine Arbeitshöhe von 200m bis 450m an und nutzen das sogenannte Jo-Jo Konzept. Mehr und ausführliche Details auf Wikipedia Flugwindkraftwerk.

Potential

Da der Energiegehalt des Windes mit der 3. Potenz der Geschwindigkeit steigt ist die optimale Erntehöhe von entscheidender Bedeutung. Dieser Erkenntnis folgend werden auch moderne konventionelle Windkraftanlagen immer höher gebaut. Eine Windkraftanlage mit z.B. 8 MW installierter Leistung hat heutzutage eine Nabenhöhe von bis zu 160 Metern.
Die Windgeschwindigkeit in Bodennähe (bis 500m) variiert im Laufe des Tages und hat auch eine erhebliche jahreszeitliche Schwankung (z.B. Dänemark zwischen 68 und 149 bei einem Jahresmittel von 100). Darüber hinaus ändert sich die Windgeschwindigkeit besonders über die Höhe bis ca. 500m und bleibt dann nahezu konstant.
Erst in deutlich größeren Höhen steigt sie dann weiter auf über 40 m/Sek.
Nach den Untersuchungen des Fraunhofer Institutes IWES variiert die Windgeschwindigkeit über die Höhe gemäß dem dargestellten Diagramm.

Vergleicht man nach den Erkenntnissen von IWES an einem beliebigen Standort die mögliche Energieproduktion, so arbeitet eine konventionelle 8 MW Windkraftanlage mit einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von ca. 6 m/Sek.
Flugwindkraftwerke bewegen sich zwischen 80m und 400m. Damit liegt die durchschnittliche nutzbare Windgeschwindigkeit bei ca. 7 m/Sek.
Höhenwindkraftwerke können die jeweils optimale Höhe nutzen. Deshalb liegt die nutzbare Windgeschwindigkeit am selben Standort bei ca. 10,5 m/Sek. Demgemäß ist die Energieproduktion im Vergleich
Konventionelle Windenergie: 6*6*6 = 216
Flugwindkraftwerke: 7*7*7 = 343 entspricht Faktor 1,6
Höhenwindkraft: 10,5*10,5*10,5 = 1157 entspricht Faktor 5,4

Ein weiterer entscheidender Vorteil der Flug- und Höhenwindkraftwerke liegt in der Tatsache, dass nicht nur die Windgeschwindigkeit überproportional, sondern auch noch die Häufigkeit höherer Windgeschwindigkeiten mit der Höhe zunimmt (siehe Grafik rechts) und genutzt werden kann. Dieser Aspekt ist wesentlich für die Energielieferzeit im Laufe des Jahres. Die Formel für die senkrechte Auftriebskraft eines horizontal angeströmten Körpers lautet:

1. $F_{\mathrm {A} }=c_{\mathrm {A} }\,{\frac {\rho }{2}}\,v^{2}\,A_{\mathrm {senkr} }$ (siehe auch Dynamischer Auftrieb)
   

Dabei bedeuten:

$c_{\mathrm {A} }$ der Auftriebsbeiwert,

$c_{\mathrm {W} }$ der Widerstandsbeiwert,

$\rho$ die Dichte des Mediums,

$v$ die Anströmgeschwindigkeit des Mediums,

$A_{\mathrm {senkr} }$ der senkrecht zur Strömung stehende Anteil des Flächeninhalts der Tragfläche.

Die Fläche A und der Auftriebsbeiwert $c_{\mathrm {A} }$ gehen deshalb linear in die erzeugbare Kraft zur Energieerzeugung ein. Bei konventionellen Windkraftanlagen kann die Fläche und der Auftriebsbeiwert durch Veränderung des Anstellwinkels leicht verbessert werden
Sie können die sich ständig ändernden Windverhältnisse deshalb nur sehr eingeschränkt durch Veränderung des Anstellwinkels der Rotorblätter nutzen. Damit kann die Leistung um +/-4% verbessert werden
Höhenwindkraftwerke (wie auch Flugwindkraftwerke) bieten neben der erheblich größeren Veränderung des Anstellwinkels noch die Möglichkeit, kurzfristig das Fluggerät zu wechseln und damit die Fläche den jeweilig herrschenden Windverhältnisse optimal anzupassen. Wenn in der Zukunft der gesamte Energiebedarf Erneuerbar abgedeckt werden soll, ist der Kapazitätsfaktor im Wesentlichen verantwortlich für die Energiekostenentwicklung, da entsprechend der lieferbaren Vollaststunden der Speicherbedarf proportional sinkt. Aufgrund der zuvor genannten Fakten bezüglich Windgeschwindigkeit und -häufigkeit erreichen deshalb Höhenwindkraftwerke laut einer durch das BMWI in Auftrag gegebenen Studie je nach Standort 60 - 75 Prozent Vollastsunden im Jahr
Zum Vergleich die Kapazitätsfaktoren (Energielieferzeit bzw. Prozentsatz der Vollaststunden pro Jahr) verschiedener Erneuerbarer Energieproduzenten

Photovoltaik ca. 10,0 % entsprechend ca. 880 Stunden
Onshore Windkraft ca. 18,8 % entsprechend ca. 1.750 Stunden
Offshore Windkraft Mittelwert 40,0 % entsprechend ca. 3.400 Stunden
Makani ca. 70,0 % entsprechend ca. 6.130 Stunden
Enerkite ca. 57,0 % entsprechend ca. 5.000 Stunden
NTS X-Wind Powerplants bis zu 75% entsprechend ca. 6.570 Stunden

Nimmt man z.B. die Photovoltaik mit 10% Kapazitätsfaktor, würden zur Abdeckung des primären Stromenergiebedarfs 90% Speicherkapazität notwendig. Sinngemäß würde der Speicherbedarf gemäß der obigen Tabelle sinken.
Zur Abdeckung des Gesamtprimärenergiebedarfs benötigen wir aber nicht nur Strom sondern auch noch Energie für die Mobilitäts- und Wärmeversorgung.

Zur Zeit werden in Deutschland noch über 80% des Energiebedarfs aus fossilen Brennstoffen abgedeckt (Siehe Grafik)

In 2017 betrug der Primärenergiebedarf rund 3760 TWh (3580 TWh in 2018). Ziel der Bundesregierung für 2020 ist ein Bedarf von 3200 TWh und bis 2050 soll er auf unter 2000 TWh gesenkt werden.
Geht man von der Zielvorstellung der Bundesregierung und der Annahme, dass der Anteil des Stromverbrauchs gleich bleibt, aus, werden 2050 noch 500 TWh an elektrischer Primärenergie (ohne den wachsenden Bedarf der E-Mobilität zu berücksichtigen) benötigt. 2018 war in Deutschland eine Leistung von 120 GW Erneuerbare Energiequellen (Wasserkraft, Geothermie, Biomasse, Photovoltaik, on- und offshore Windkraft installiert.
Daraus wurden im selben Jahr 229 TWh elektrische Energie erzeugt. Das bedeutet einen mittleren Kapazitätsfaktor von entsprechend rund 22% oder 1.900 Vollaststunden. Beim jetzigen Mix der Erneuerbaren Energiequellen fehlen bis 2050 also noch die Produktionskapazitäten für einen Bedarf von rund 270 TWh/Jahr.
Flugwindkraftwerke und Höhenwindkraftwerke könnten also einen erheblichen Beitrag zur Umstellung auf Erneuerbare Energien leisten.

Konstruktionsprinzipien

Da Höhenwindkraftwerke im Gegensatz zu Flugwindkraftwerken mobile Bodenstationen haben, können sie zur Erreichung der Höhenwinde auch ohne Antriebsgeräte im Flugkörper (Makani, Twingtec) bei zu geringen Bodenwinden gestartet werden, indem die Bodenstationen die Flugkörper bis zu einer Höhe ziehen, in der eine für die Energieerzeugung notwendige Windgeschwindigkeit herrscht.

Weitere Merkmale der Höhenwindkraftwerke zur Stromerzeugung:

• Gefesselte Flugkörper ziehen am Boden befindliche Fahrzeuge auf einer schienengeführten Bahn.
• Die Flugkörper setzen die vom Wind aufgebrachte Leistung in mechanische Vortriebsleistung der Fahrzeuge um.
• Als Flugkörper werden aerodynamisch betriebene Kites aus flexiblen halbstarren oder starren Materialien verwendet.
• Die Arbeitshöhe der Kites kann zwischen 100 und ca. 500 m liegen.
• Die Höhe der Flugkörper ist im Betrieb kurzfristig änderbar.
• Start, Flug und Landung der Flugkörper erfolgen automatisch.
• Die Fahrzeuge geben die vom Kite übertragene Vortriebsleistung über den Rad-Schiene Kontakt oder ein mit ihnen verbundenes Bodenseil an einen Generator ab, der die mechanische Leistung in elektrische Leistung wandelt.
• Die wesentlichen Komponenten des Gesamtsystems können von Standard Komponenten aus dem Industriebereich abgeleitet werden.
• Die Leistung einer Fahrzeug-Kite Kombination liegt in der Größenordnung von einem bis zu 8 MW.
• Die erzeugte Energie einer Höhenwindkraft Großanlage liegt im dreistelligen GWh-Bereich (25 GWh bis 2000 GWh)

Materialverbrauch bei Höhenwindkraftwerken zur Stromerzeugung

Konventionelle Windkraftanlagen benötigen im Gegensatz zu Höhenwindkraftwerken (bei vergleichbarer Energieproduktion) deutlich größere und vor allem wenig recyclingfähige Materialmengen (Beton, Faserverbundbauwerkstoffe). Die folgende Tabelle (siehe auch Grafik rechts) stellt die vergleichbaren Komponenten gegenüber:

Die Energiebilanz betrachtet die sinnvolle Nutzung und den Verbrauch von Energie, im Vergleich zur Produktion von Energie besonders im Hinblick auf die ökologischen Auswirkungen

Ressourcen Wuppertalinstitut

--Uwe Ahrens (Diskussion) 13:11, 9. Jan. 2020 (CET)

Energiebilanz (Ressourceneffizienz)

Die Energiebilanz betrachtet die sinnvolle Nutzung und den Verbrauch von Energie, im Vergleich zur Produktion von Energie besonders im Hinblick auf die ökologischen Auswirkungen. Eine grobe Abschätzung der Ressourceneffizienz lässt natürlich schon mal der Einsatz der notwendigen Ressourcen zu. Ein genaueres Ergebnis erzielt man bei der Betrachtung, ab wann sich eine positive Energiebilanz ergibt. Die folgende Tabelle (siehe auch Grafik rechts) stellt die vergleichbaren Energieaufwendungen der notwendigen Komponenten gegenüber:

Ressourcen Wuppertalinstitut

Einfach ausgedrückt: nach rund 6 Monaten fängt eine konventionelle Windkraftanlage an, positive Energie zu erzeugen. Aufgrund des deutlich geringeren Materialverbrauchs und der energieärmeren Produktionsmöglichkeit der Komponenten produziert ein Höhenwindkraftanlage schon nach 2 Monaten positive Energie. Bei dieser Betrachtung wurde die Wiederverwendbarkeit des eingesetzten Materials nicht betrachtet. Würde der langfristige Ressourcenverbrauch einbezogen würde die Bilanz zugunsten der Höhenwindkraftwerke noch günstiger ausfallen, da die Materialien (Beton und Faserverbundwerkstoffe) der konventionellen Windkraft im Gegensatz zur Höhenwindkraft nur schwer bis gar nicht recycelt werden können. Auch die Dauerfestigkeit ist bei der Höhenwindkraft bedeuten besser. Sowohl der Turm als auch das Fundament und die Rotorblätter von Windkraftanlagen haben, je nach Material und Belastungen am Standort. Siehe auch Schwingfestigkeit. Bei Höhenwindkraftanlagen haben die vergleichbaren Komponenten erheblich höhere Lebenserwartungen. Die mit dem Fundament vergleichbaren verschleißbelasteten Schienen können nachgeschliffen bzw. ausgetauscht werden. Schotter und Schwellen halten mehr als 50 Jahre bevor sie ersetzt bzw. ausgetauscht werden müssen. Siehe auch Bahnschwelle. Insgesamt gilt: alle Komponeneten sind vollständig recyclingfähig. Die Seile übernehmen die Funktion des Turmes und müssen ca. alle 3 Jahre ausgetauscht werden. Sie sind aber recyclingfähig. Vergleichbares gilt für die Kites (vergleichbar mit den Rotorblättern). Nach den Angaben von Segeltuchherstellern kann von einer minimalen Lebenserwartungen von 1 Jahr ausgegangen werden (Erfahrungen aus den Hochseeregattawettbewerben). Das Material für die Kites ist ebenfalls aus recyclingfähigem Material.
Aufgrund des jeweiligen geringeren Materialbedarfs fällt die 20 Jahresbilanz für die Höhenwindkraft sehr günstig aus (siehe folgende Tabelle):

Ressourcen Wuppertalinstitut

--Uwe Ahrens (Diskussion) 13:09, 9. Jan. 2020 (CET)

Steuerung und Kontrolle

Die Steuerung und Kontrolle eines Kites zur Energieerzeugung ist nur unwesentlich aufwendiger als die automatische Steuerung eines Verkehrsflugzeuges. Auch bei einer Kitesteuerung findet ein ständiger Abgleich zwischen Soll- und Istposition statt. Aufgrund der eher turbulenten Strömung in Bodennähe muss dieser Abgleich mit einer höheren Frequenz stattfinden. Durch die Verbesserungen der Steuerungs- und Sensortechnik sind aber die notwendigen Voraussetzungen geschaffen worden, diese Aufgaben sicher zu erledigen (siehe auch Flugwindkraftwerk). Bei der Schiffsantriebstechnik mit Höhenwindkrafttechnologie (Skysails) sind bereits Fahrten zwischen Europa und Südamerika durchgeführt wurden. Ein wichtiger Faktor, die Sicherheit gegen Absturz kann relativ einfach kontrolliert werden. Bei der X-Wind Technologie wird mit einer Frequenz von 100 Hz die vorgeschriebene Höhe überprüft. Bei einem zwar höchst unwahrscheinlichen aber grundsätzlich nicht auszuschließendem Seilriss stürzt ein Kite nach Tests ab wie ein fallendes Bettlaken.

Weitere Vorteile der Höhenwindenergie (Zusammenfassung)

• Reduktion des Bedarfs an fossilen Brennstoffen für den Schiffsantrieb um ca. 20 bis 30% bzw. Stromgestehungskosten geringer als bei fossilen Energieträgern (<2 Cent/kWh)
• Netzerweiterung im Wesentlichen überflüssig da für Höhenwindtechnologien auch in Süddeutschland genügend Wind vorhanden ist (Skalierung der Kitegröße, siehe auch Potential weiter oben)
• Deutlich geringerer Flächenbedarf als bei allen anderen Erneuerbaren Energieerzeugern
• Enorme Ressourceneinsparung (90% weniger als bei konventioneller Windkraft)
• Geringe bis keine Rückbaukosten (< 1% des Investments)
• Nahezu unsichtbar in der Landschaft
--Uwe Ahrens (Diskussion) 13:10, 9. Jan. 2020 (CET) --Uwe Ahrens (Diskussion) 13:13, 9. Jan. 2020 (CET)