Windenergieanlagen werden immer größer, schwerer und aufwändiger. Ein neuer Ansatz ist, Windenergie über vergleichsweise kleine Anlagen per Lenkdrachen „zu ernten". Kleinstantriebe unterstützen dabei die vollautomatische Steuerung des Flugdrachens namens Kite.
Ökologisch erzeugter Strom ist ein gefragter Energieträger. Doch wie definiert sich der Begriff ökologisch? Wird er nur auf die Erzeugung bezogen oder schließt er die Anlagenherstellung in die Berechnung ein? Große Fundamente und Stahltürme für Windkraftanlagen beispielsweise kosten bereits ökologische Punkte, bevor die erste Kilowattstunde fließt. Die Firma EnerKite schlägt daher einen neuen Weg ein: Ein lenkbarer Flugdrachen überträgt die Energie des Windes per Seilzug auf einen Generator, eine vollautomatische Steuerung hält den Nutzteil, das heißt den Drachen, in großer Höhe im besten Windfenster. So ist eine hohe Effektivität sichergestellt. Um schnell auf Windböen reagieren zu können, helfen Antriebe von Faulhaber bei der Steuerung des Kites.
Der Flugdrache nutzt den Wind zwar nach einem uralten Prinzip, verfeinert die Technik jedoch mit moderner Material- und Steuerungstechnik. Um Strom zu erzeugen ist ein Generator notwendig, bei dem sich ein Magnetfeld in einer Spule dreht. Die Drehbewegung wird nicht wie herkömmlich durch schwere, starre Stangen und Wellen übertragen, sondern durch leichte, leistungsfähige Zugseile aus Hochleistungsfasern. „So wie man beim Rad durch dünne Speichen unter Zug Material gegenüber Vollrädern einspart, können per Seilzug große Kräfte mit geringem Materialeinsatz übertragen werden", verdeutlicht Peter Kövesdi, Konstrukteur und Spezialist für Windensysteme bei EnerKite, die Kräfteübertragung.
WKA versus Flugdrache
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 Drachen wird dann vollautomatisch von 100 auf 300 m vom Wind hinaufgezogen und erzeugt so die Nutzleistung. Danach wird der Drachen gesteuert aus dem Wind gedreht und die Seile werden zügig eingeholt, wozu nur wenig Energie nötig ist. Danach beginnt der Aufstieg und die Stromgewinnung erneut.
„Vorteil des Drachens gegenüber Windrädern ist die bessere Windnutzung, da es keine Verwirbelungen durch vorhergehende Rotorblätter beziehungsweise durch den Turm gibt. Auch ist der Drachen immer auf über 100 m Höhe und nicht wie die Rotoren mal näher am Boden und mal überragen sie den Turm. Die Technik kann daher auf eine gleichmäßigere Belastung ausgelegt werden, bei Sturm wird der Kite eingeholt. Die langsame Seilbewegung in Bodennähe vermeidet Zusammenstöße mit Vögeln und die weiche Matte eliminiert die Eiswurfgefahr, da kleine Eisansätze schnell abplatzen", fasst Peter Kövesdi die aerodynamischen Eigenschaften des Drachens zusammen.
Auf dem Meer reichen einfache Ankerbojen, um den Generatorponton zu fixieren. Auf dem Land kann die Anlage sowohl stationär als auch mobil aufgebaut werden. Große Zufahrtsschneisen für Rotorblätter und Turmelemente sind nicht notwendig, ein Kite kann wie ein Zelt zusammengerollt werden, gleiches gilt für die Seile.
Exakte Steuerung im Wind
Neben dem Zugseil sind am Drachen noch zwei sogenannte Lenkseile angebracht, das heißt der Enerkite ist ein sogenannter Dreileiner. Die vollautomatische Steuerung war eines der Hauptprobleme, um die neue Technik praxistauglich zu machen. Inzwischen haben die Experten die Programmierung umgesetzt. Doch die beste Steuerung ist nur so gut, wie der ausführende Aktor es zulässt. Hier setzen die Kleinstantriebe von Faulhaber an. Die Seile lassen sich nur unter Zug exakt auf Seiltrommeln aufspulen - doch der Wind ist ein „dynamisches System" mit kurzfristigen Schwankungen. Sogenannte Negativböen können die Steuerseile kurzfristig durchhängen lassen, für die Flugeigenschaften kein Problem, für die Seiltrommeln hingegen schon. Die Entwickler setzten daher einen Seilspanner vor die Wickeltrommel, der stets für einen definierten Zug des Seils an der Trommel sorgt. Mit 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 dynamisch angefordert werden. Hier kommt ein elektronisch kommutierter Standardmotor mit rund 200 W Abgabeleistung zum Einsatz. Der Motor ist mit einem robusten Planetengetriebe mit 32 mm Durchmesser in Ganzmetallausführung verbunden. So ist das notwendige hohe Drehmoment für den Andruck sichergestellt. Ein auf die Motoren optimal abgestimmter Motion Controller entlastet die Enerkite-Steuerung vom Motormanagement und erlaubt, die Dynamik der Kleinstantriebe optimal zu nutzen. Die Kleinstantriebe übernehmen eine wesentliche Aufgabe bei der Steuerung des neuen Windenergiegenerators. Sie sorgen dafür, dass der Kite zeitnah den Änderungen des Windes folgen kann und das System in der Praxis sicher funktioniert.