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Flugwindkraftwerk

Ein Flugwindkraftwerk ist ein Windkraftwerk, das im Gegensatz zu einem konventionellen Windrad nicht fest auf einem Mast, sondern nur durch ein Halteseil am Boden verankert ist und ansonsten in der Luft fliegt. Flugwindkraftwerke können dabei ähnlich wie eine Ballon leichter als Luft sein und frei schweben, oder wie ein Drachen bzw. Surfkite schwerer als Luft sein und durch den Auftrieb des Windes in der Luft gehalten werden. Flugwindkraftwerke können in größere Höhe als konventionelle Windkraftwerke vorstoßen. Winde in diesen Höhen von mehreren hundert Metern bis zu mehreren Kilometern sind stärker und stetiger und der Energiegehalt beträgt ein Vielfaches dessen von bodennahen Winden. Die Höhenwinde stellen die am stärksten konzentrierte Form von weltweit verfügbarer regenerativer Energie dar.[i] Das für Flugwindkraftwerke bestehende Windpotential reicht theoretisch aus, um den gesamten Primärenergiebedarf der Menschheit mehr als hundertfach zu befriedigen.[ii] Durch die hohen Windgeschwindigkeiten und das große Windpotential, das mit Flugwindkraftwerken erschlossen werden kann, sollten Flugwindkraftwerke erheblich günstiger Strom produzieren können als andere regenerative Energiequellen, nach einigen Ansichten auch günstiger als fossile Energiequellen. Flugwindkraftwerke werden aus leichten Materialien gebaut und können im Vergleich zu konventionellen Windkraftwerken mit weitaus geringerem Materialaufwand pro Leistungseinheit realisiert werden. Zudem sind viele Typen von Flugwindkraftwerken grundsätzlich skalierbar, so dass die Größenbeschränkungen konventioneller Windkraftwerke von wenigen Megawatt Leistung nicht gelten. Flugwindkraftwerke können daher prinzipiell in Leistungseinheiten fossiler Großkraftwerken von mehreren hundert Megawatt vorstoßen. Trotz dieser Vorteile und des damit verbundenen Potentials von Flugwindkraftwerken 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 von Flugwindkraftwerken. Daneben gibt es Unsicherheiten bezüglich der optimalen Bauart von Flugwindkraftwerken sowie der zu verwendenden Materialien. Weltweit beschäftigen sich jedoch eine wachsende Anzahl von Forschergruppen und Unternehmen an der Lösung dieser Fragen und der Entwicklung von Flugwindkraftwerken. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass zur Realisierung von Flugwindkraftwerken eine Vielzahl praktischer Fragen zu lösen sind, aber keine grundsätzlichen technischen oder physikalischen Hindernisse bestehen.

Vom Drachen zum Flugwindkraftwerk - Geschichte der Flugwindkraftwerke

Bereits in früher Zeit wurden Höhenwinde vereinzelt durch Drachen zur Lasthebung genutzt. Der Drachen wurde nach unseren Erkenntnissen in Asien entwickelt. Dabei wurden auch Menschen mit Drachen gehoben. Dies erfolgte als Vergnügung, aber auch für militärische Beobachtungen.[iii] Erst über Marco Polo kam das Prinzip des Drachens nach Europa.[iv] Leonardo DaVinci 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.[v] Der Drachenpionier Samuel F. Cody überquerte 1903 mit einem von einem Drachen gezogenen Boot den Ärmelkanal und stellte in selben Jahr den einen Rekord für den höchsten Drachenflug mit 14000 Fuß (ca. 4200 m) auf.[vi] Durch die Erfindungen des Motorflugs sowie 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.[vii] Durch die in den 80er und 90er Jahren gesunkenen Ölpreise wurden diese Projekte jedoch gemeinsam mit anderen Forschungsprojekten im Bereich der alternativen Energien, wie etwa thermische Solarkraftwerke, experimentellen Windgeneratoren wie die GROWIAN etc. weitgehend aufgegeben. Ab den 90er Jahren des 20 Jahrhunderts 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 AG, 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 auf bislang (2010) auf etwa 10 Schiffen installiert und befindet sich in einem sehr weit fortgeschrittenen Erprobungsstadium, ohne dass bislang die Serienreife erreicht worden wäre.[viii] Ab etwa dem Jahr 2005 zeigt sich von verschiedener Seite erhöhtes Interesse an Flugwindkraftwerken zur Elektrizitätserzeugung. Gründe hierfür scheinen zum einen die sich abzeichnenden Grenzen konventioneller Windkraftanlagen zu sein. So werden in Ländern wie Deutschland erstklassige Flächen für Windkraftwerke knapp. Zudem stößt auch das Größen- und Leistungswachstum konventioneller Windkraftanlagen an Grenzen. Mit einer Leistung von 5-7,5 MW scheint eine technische und wirtschaftliche Grenze erreicht zu sein. Zum anderen fehlten bis in jüngster Zeit verschiedene Technologien für die Entwicklung von Flugwindkraftwerken. Erst durch Entwicklungen im Bereich von Sensoren, Materialien, computergesteuerter Autopiloten etc. erscheint der Bau und Betrieb von Flugwindkraftwerken realisierbar.[ix] Eine Vielzahl von universitären Forschungsgruppen sowie außeruniversitäre Start-ups beschäftigen sich seit dieser Zeit mit der Entwicklung von Flugwindkraftwerken. Dabei werden auch vermehrt private Geldgeber 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 einsammeln können.[x] Neben einer Vielzahl von Patenten[xi] und Publikationen in diesem Bereich werden ab 2009 auch jährliche internationale Konferenzen zu Flugwindkraftwerken abgehalten.[xii] Zudem wurde mit dem Airborne Wind Energy Consortium eine internationale Organisation der in diesem Bereich tätigen Unternehmen gegründet. Trotz dieser Bemühungen und Erfolge ist bis 2009 der völlig autonome Flugbetrieb eines Flugwindkraftwerks über mehrere Tage mit autonomem Starts und Landung nicht gelungen.[xiii]

Potential von Flugwindkraftwerken

Konventionelle Windkraftwerke sind auf die Nutzung des bodennahen Windes beschränkt, wobei die Nabenhöhe der Windkraftanlagen sowie der Rotordurchmesser die maximale Höhe des nutzbaren Windes beschränkt. Die im Jahr 2010 existierenden konventionellen Windkraftwerke können Winde bis zu maximal 200 m über dem Boden zu nutzen (größte Windkraftanlage Enercon E-126 mit Nabenhöhe 135 m, Rotordurchmesser 63,5 m, Gesamthöhe 198,5 m). Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit steigt mit dem Abstand vom Boden. Durch die bodennahe Reibung wird der Wind in Bodennähe 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. Diese Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe 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.[xiv] verachtfacht, bei einer Verdreifachung der Windgeschwindigkeit nimmt sie um das 27-fache zu. Die durchschnittliche Energiedichte in den Jetstreams bei 40 m/s Windgeschwindigkeit ist somit nicht nur achtmal so hoch ist wie am Boden mit bei 5 m/s Windgeschwindigkeit, sondern beträgt das 512-fache der Energiedichte des bodennahen Windes. Dieses Potential lässt sich mit Hilfe eines kürzlich veröffentlichten globalen Atlasses zur Energiedichte der Höhenwinde in verschiedenen Höhen zwischen 80 m und 12,000 m gut ermessen.[xvi] Flugwindkraftwerke können zudem innerhalb ihrer bauartbedingten Maximalhöhe in verschiedenen wechselnden Höhen betrieben werden. Hierdurch kann bei Schwachwind in einer gewissen Höhe die Höhe gewechselt werden. Zudem kann von einem Ort aus die Windenergie aus verschiedenen Höhen genutzt werden, so dass sich die im Gegensatz zu konventionellen Windenergieanlagen nutzbare Windenergie pro Flächeneinheit vervielfacht. Damit könnten auf kleiner Bodenfläche erheblich höhere Energiemengen erzeugt werden, der Flächenverbrauch sowie der Einfluss auf das Landschaftsbild wären somit geringer. Die höhere Windgeschwindigkeit in größeren Höhen bedeutet auch geringere Stillstandszeiten der Windkraftanlagen. So produzieren konventionelle Windenergieanlagen durch Windstille je nach Standort im Durchschnitt nur 30-40% ihrer Nennleistung.[xvii] Dagegen gehen Projektionen für Höhenwindenergieanlagen von bis zu 80% Auslastung aus. [xviii] Dieser Effekt würde die Stetigkeit der Windenergie verbessern und damit ein bedeutendes Problem der Windenergienutzung mildern. Der damit verbundene Zwang zum Vorhalten von alternativen Stromquellen, zumeist aus fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Gas, würde entschärft. Zudem sinken die Stromerzeugungspreise durch die höhere Auslastung der Kraftwerke. 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. Dieser erfordert etwa in Deutschland den Transport von Windstrom aus den windstarken Erzeugergebieten in Norden in die Verbrauchszentren in der Mitte und im Süden Deutschlands. Abschätzungen von verschiedener Seite gehen davon aus, dass die Erzeugerpreise von unter 1 Eurocent pro kWh Strom bis zu 2 Cent pro kWh Strom realistisch sein könnten.[xix] Dies bedeutet, dass Flugwindkraftwerke bis zu 10-20mal günstigeren Strom erzeugen könnten als konventionelle Windkraftwerke.[xx] Sollte sich diese Einschätzung als richtig erweisen, wären Flugwindkraftwerke nicht nur die mit Abstand günstigste regenerative Energiequelle, sondern auch zumindest ebenso günstig wie fossile Kraftwerke, selbst ohne Berücksichtigung externer Effekte wie der CO2- Belastung.[xxi] Für die Windenergienutzung ist die Windgeschwindigkeit von grundsätzlicher Bedeutung. Die nutzbare Energie steigt dabei nicht nur linear mit der Windgeschwindigkeit, sondern nimmt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu. [xv] Dies bedeutet, dass bei einer Verdoppelung der Windgeschwindigkeit sich die im Wind enthaltene Energie

Konstruktionsprinzipien von Flugwindkraftwerken

Zur Erreichung der Höhenwinde wird das Flugwindkraftwerk im Gegensatz zu konventionellen Windrädern nicht auf einem Turm oder Mast befestigt. Bauwerke mit der Höhe von mehreren hundert Metern oder gar Kilometern sind nicht oder nicht mit vertretbarem Aufwand zu erstellen. Flugwindkraftwerke basieren darauf, dass die Tragfläche lediglich von einem Seil oder Kabel gehalten wird. Das Flugwindkraftwerk fliegt an diesem Seil weil es leichter als Luft ist oder durch den Auftrieb des Windes in der Luft gehalten wird. Dabei ist einerseits zu unterscheiden zwischen ballonartigen, mit leichten Gasen gefüllten und damit ohne dynamischen Auftrieb schwebenden Flugwindkraftwerke, die leichter als Luft sind. 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. Die Alternative hierzu sind Flugwindkraftwerke, die schwerer als Luft sind. Diese 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 zumeist zu einem Absturz führt. Die vorgeschlagenen Systeme unterscheiden sich weiter darin, ob die Stromerzeugung in der Luft erfolgt und dann über Kabel oder auch kabellos zum Boden übertragen wird oder ob die Energie mechanisch zu dem Generator an der Bodenstation übertragen wird. Andere Typen leiten die Bewegungsenergie etwa über Seile oder Ketten zum Boden. Der Generator erzeugt den Strom dann am Boden. Weiterhin ist zwischen Kraftwerken zu unterscheiden, die stationär über einem Ort fliegen oder schweben, sowie zwischen Kraftwerken, die dadurch die Energieausbeute erhöhen, dass 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 Windenergie. Das dahinter liegende Prinzip lässt sich gut durch einen Vergleich mit konventionellen Windrädern erläutern. Bei diesen erzeugen die Spitzen des Windrades einen Großteil der gesamten Energie eines Windrades. Dies liegt daran, dass sich diese Spitzen extrem schnell im Kreis drehen 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 dabei auf die schweren und teuren restlichen tragenden Teile wie die Blattmitten, die Nabe und den Mast, zu verzichten.

Konstruktive Unterschiede von Flugwindkraftwerken zu konventionellen Windkraftwerken

Bauart und Materialien

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 Windrädern 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.[xxii] Allerdings sind selbst mit handelsüblichen Surfkites, die aerodynamisch nicht optimal sind, beachtliche Leistungen von 30[xxiii] bzw. 40 kw[xxiv] errechnet bzw. erzielt worden. Für die Seile wird zumeist Dyneema® verwandt[xxv], wobei neue Materialien wie etwa Nanotubes die Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten von Flugwindkraftwerken erheblich erweitern könnten.

Steuerung und Kontrolle

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.[xxvi] 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 Energieerzeugung 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[xxvii] oder durch kleine Windturbinen an dem Tragflügel, die den Arbeitsstrom erzeugen, erfolgen.

Stromerzeugung

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

Stromerzeugung in der Luft

Zur Stromerzeugung in der Luft müssen grundsätzlich die potentiell 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 auch die Übertragung ohne Stromleitung etwa über Mirkowelle etc. 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 eines konventionellen Windrades. Einzig die Abbremsung erfolgt nicht durch Antrieb der zentralen Nabe eines Windrades, 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

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[xxviii] 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

Neben den genannten derzeit ungelösten technischen Fragestellungen, bestehen auch weitere Konfliktfelder für die Realisierung von Flugwindkraftwerken.

Luftraumnutzung und Kollisionsgefahren mit Luftfahrzeugen

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.[xxix]

Blitzschlag und extreme Wetterlagen

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

Es ist durch die komplexe Steuerung der 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.[xxx]

Rechtslage und Betriebsgenehmigung

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. Flugwindkraftwerke sollten allerdings ohne Unterschied zu konventionellen Windkraftwerken die Einspeisevergütung nach dem Erneuerbaren Energien Gesetz (EEG) erhalten.

Interessante Links:

Kite Energy Systems community (http://energykitesystems.net)
Höhenwindatlas

(http://www.aweconsortium.org/public/downloads/resources/atlas_of_airborne_wind_energy.pdf)

www.Makani.com
Kongress zu Flugwindkraftwerken 2010 (http://www.awec2010.com)

Endnoten

[i] High Hopes; Erik Vance in Nature 2009, Vol 460, Seite 564. [ii] 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. [iii] Past, Present and Future of Kites and Energy Generation; J. Breukels, Wubbo Ockels. [iv] Past, Present and Future of Kites and Energy Generation; J. Breukels, Wubbo Ockels. [v] Past, Present and Future of Kites and Energy Generation; J. Breukels, Wubbo Ockels. [vi] Past, Present and Future of Kites and Energy Generation; J. Breukels, Wubbo Ockels. [vii] M. L. Loyd, Crosswind Kite Power in Journal of Energy, 4 (3), Seite 106 ff. [viii] Beluga Skysails: Trainingslager auf hoher See . Eckhard Stengel in Frankfurter Rundschau online vom 13. Februar 2009, zuletzt abgerufen am 14. Januar 2010. [ix] High Hopes; Erik Vance in Nature 2009, Vol 460, Seite 564 (566). [x] 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). [xi] Siehe eine Auflistung von Patenten in der englischensprachigen Wikipedia. [xii] Siehe die Seite der Konferenz des Jahres 2010 http://www.awec2010.com. [xiii] Windenergienutzung mit schnell fliegenden Flugdrachen: eine Herausforderung für die Optimierung und Regelung; D. Diehl, B. Houska in Automatisierungstechnik 2009, Seite 525 (531). [xiv] 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. [xv] Windenergienutzung mit schnell fliegenden Flugdrachen: eine Herausforderung für die Optimierung und Regelung; D. Diehl, B. Houska in Automatisierungstechnik 2009, Seite 525 (527). [xvi] 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. [xvii] High Hopes; Erik Vance in Nature 2009, Vol 460, Seite 564. [xviii] High Hopes; Erik Vance in Nature 2009, Vol 460, Seite 564. [xix] Power Kites for Wind Energy Generation, M. Canale, L. Fagiano, M. Milanese in IEEE Control Systems Magazine Seite 25 (27, 28). [xx] Power Kites for Wind Energy Generation, M. Canale, L. Fagiano, M. Milanese in IEEE Control Systems Magazine Seite 25 (27). [xxi] Power Kites for Wind Energy Generation, M. Canale, L. Fagiano, M. Milanese in IEEE Control Systems Magazine Seite 25 (27). [xxii] 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. [xxiii] Mit 5 gestackten Surfkites wurden bei 7 Bft in Jo-Jo Konfiguration für 4 Minuten Betrieb 2 kWh Energie errechnet. Dies entspricht einer Durchschnittsleistung von 30KW, vgl. An inflatable wind using the principle of Tensairity, J. Breuer, W. Ockels, R. Luchsinger. [xxiv] Power Kites for Wind Energy Generation, M. Canale, L. Fagiano, M. Milanese in IEEE Control Systems Magazine Seite 25 (27). [xxv] 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. [xxvi] High Hopes; Erik Vance in Nature 2009, Vol 460, Seite 564 (565). [xxvii] Die Skysail technologie arbeitet mit dieser Variante. www.skysails.com [xxviii] Design of a 100 MW Laddermill, B. Landsdorp, W.J. Ockels in proceedings of the 7th World Congress on Recovery, Recycling and Reintegration, 2005 [xxix] http://www.spiegel.de/wirtschaft/unternehmen/0,1518,659361,00.html. [xxx] High Hopes; Erik Vance in Nature 2009, Vol 460, Seite 564 (566).

Wikipedia:Zedler-Preis/Zedler-Medaille 2010/Flugwindkraftwerke

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