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Höher, kleiner, effektiver: Drachen fliegen höher als die Flügel von Windrädern reichen und nutzen dort die höhere Windgeschwindigkeit. Bild: Faulhaber
Erneuerbare Energien

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Mit Drachen Windräder überflügeln

Text: Andreas Zeiff und Dietrich Homburg für Faulhaber Fotos: Enerkite, Faulhaber
Immer größere Windkraftanlagen liefern immer mehr Energie. Das frisst Rohstoffe und geht auf Kosten der Gesamteffizienz. Per Lenkdrachen lässt sich Windenergie dagegen über vergleichsweise kleine Anlagen ernten. Kleinstantriebe unterstützen die vollautomatische Steuerung des Drachens.

Während Verbraucher immer effektivere, recyclingfähige Produkte fordern, entwickeln sich Windkraftanlagen eher gegensätzlich: Immer größer, schwerer und aufwendiger werden die Konstruktionen. Effizienz bedeutet Nutzen im Verhältnis zum Aufwand - im Fall von Windkraftanlagen geht es um das Verhältnis von erzielter Lebensleistung zu Energieaufwand und Rohstoffen für den Bau. Viel Stahl, glasfaserverstärkter Kunststoff oder Fundamentbeton sind da kontraproduktiv. Um die Energiewende zu schaffen, ist innovative Technik zur Stromgewinnung nötig. Leider beruhen aber viele alternative Konzepte auf Erfindungen, die eher an das Zeitalter der Dampfmaschine erinnern als an moderne Lösungen. Wie bei der Dampflok, die gegenüber modernen Drehstromlokomotiven enorm viele Ressourcen verschlingt, widerspricht das einem ökologischen Vorgehen. Auch Windräder entstehen unter großem Materialeinsatz, da der Rotor und der schwere Generator mit Biegemomenten und enormer statischer Belastung auf den Turm einwirken. Überlastfälle vergrößern das Dilemma, einen Turm kann man bei Orkan schließlich nicht einfahren. Um die Kräfte sicher abzuleiten sind daher riesige Beton- oder Pfahlfundamente nötig, die einen erheblichen Kosten- und Energieaufwand fordern. Besonders vor der Küste ist die Herstellung der Fundamente aufwendig und der Rückbau nach der Nutzung eher fraglich.

Neue Denkmuster für neue Technik

Unternehmen wie Enerkite untersuchen daher schlanke Lösungen, die sich auf die wesentlichen Komponenten für Windkraftnutzung konzentrieren. Ein lenkbarer Flugdrachen, auch Kite genannt, überträgt die Energie des Windes per Seilzug auf einen Generator. Eine vollautomatische Steuerung hält den Nutzteil, also den Drachen, in großer Höhe im besten Windfenster. So ist eine hohe Effektivität sichergestellt. Um schnell auf Windböen reagieren zu können, helfen Antriebe bei der Steuerung des Kites. Zwar nutzt auch der Flugdrachen den Wind nach einem uralten Prinzip, er verfeinert jedoch die Technik mit moderner Material- und Steuerungstechnik. Den Strom erzeugt ein Generator, bei dem sich ein Magnetfeld in einer Spule dreht. Die Drehbewegung herkömmlich zu übertragen, erfordert normalerweise schwere, starre Stangen und Wellen. Die Entwickler aus Berlin nutzen stattdessen leichte, leistungsfähige Zugseile aus Hochleistungsfasern zur Kraftübertragung. Per Seilzug lassen sich große Kräfte mit geringstem Materialeinsatz übertragen, ähnlich wie man beim Rad mit dünnen Speichen unter Zug Material gegenüber Vollrädern einsparen kann.

Mehr Aerodynamik, weniger Platz

Beim Enerkite wird ein flexibler Drachen, eine sogenannte Matte, auf eine Höhe von rund 150 m gebracht. Dort weht der Wind im Gegensatz zum Boden stetig, weitgehend verwirbelungsfrei und mit höherer Geschwindigkeit. Ein Last- und zwei Steuerseile übertragen die Zugkraft des Drachens auf drei Generatortrommeln. Der Wind zieht den Drachen dann vollautomatisch von 100m bis auf 300 m und erzeugt so die Nutzleistung. Danach wird der Drachen gesteuert aus dem Wind gedreht und die Seile werden schnell eingeholt. Das erfordert nur wenig Energie. Anschließend beginnnen Aufstieg und damit Stromgewinnung erneut. Gegenüber „bodenständigen“ Lösungen hat der Drache gute aerodynamische Eigenschaften. Er nutzt den Wind besser, da es keine Verwirbelungen durch vorhergehende Rotorblätter oder den Turm gibt. Zudem befindet sich der Drachen immer auf über 100 m Höhe und nicht wie die Rotoren mal näher am Boden und mal den Turm überragend. So ist es möglich, die Technik auf eine gleichmäßigere Belastung auszulegen. Bei Sturm wird der Kite eingeholt - auch das spart Bauaufwand. Die langsame Seilbewegung in Bodennähe vermeiden Zusammenstöße mit Vögeln, und die weiche Matte eliminiert die Eiswurfgefahr, da kleine Eisansätze schnell abplatzen. Auf dem Meer reichen einfache Ankerbojen, um den Generatorponton zu fixieren und auf dem Land kann die Anlage sowohl stationär als auch mobil aufgebaut werden. Große Zufahrtsschneisen für riesige Rotorblätter und Turmelemente sind nicht notwendig - ein Kite lässt sich wie ein Zelt zusammenrollen, gleiches gilt für die Seile.

Vollautomatische Steuerung

Neben dem Zugseil sind am Drachen noch zwei sogenannte Lenkseile angebracht. In der Drachensprache ist der Enerkite also ein Dreileiner. Die vollautomatische Steuerung war eines der Hauptprobleme, um die neue Technik praxistauglich zu machen. Die Experten haben die Programmierung inzwischen im Griff. Die beste Steuerung ist jedoch nur so gut, wie der ausführende Aktor es zulässt. Hier kommen die Kleinantriebe von Faulhaber ins Spiel. Seile lassen sich nur unter Zug exakt auf Seiltrommeln aufspulen, der Wind ist jedoch ein sehr dynamisches System mit kurzfristigen Schwankungen. Sogenannte Negativböen können die Steuerseile kurzfristig durchhängen lassen. Für die Flugeigenschaften ist das kein Problem, wohl aber für die Seiltrommeln. Die Entwickler setzten daher vor die Wickeltrommel einen Seilspanner, der immer für einen definierten Zug des Seils an der Trommel sorgt. Bei Zuggeschwindigkeiten von 20 bis 30 m/s und einer Andruckrolle mit rund 30 mm Durchmesser sind beim Seilspannmotor hohe Drehzahlen bis über 10.000 U/min nötig, die noch dazu sehr dynamisch angefordert werden. Hier hilft ein elektronisch kommutierter Standardmotor mit rund 200 W Abgabeleistung. Er ist verbunden mit einem robusten Planetengetriebe (32 mm Durchmesser) in Ganzmetallausführung. So ist das nötige hohe Drehmoment für den Andruck sichergestellt. Ein auf die Motoren abgestimmter Motion Controller entlastet die Enerkite-Steuerung vom Motormanagement und erlaubt die Dynamik der Kleinstantriebe optimal zu nutzen.

Die Rolle der Antriebe

Die Kleinstantriebe übernehmen einen wesentlichen Part bei der Steuerung des neuen Windenergiegenerators. Sie sorgen dafür, dass der Kite sofort den �?nderungen des Windes folgen kann und das materialsparende System in der Praxis sicher funktioniert. Dabei konnten Antriebe von der Stange die Vorgaben der Entwickler sicher umsetzen. In schwierigeren Fällen erlauben oft einfache, kleine �?nderungen an Komponenten einen optimalen Betrieb. Der Einsatz von Kleinstantrieben wird eher durch die Fantasie als durch die Technik eingeschränkt. Die beschriebene Anwendung zeigt aber: Auch ausgefallene Ideen lassen sich praxistauglich umsetzen.

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