Über große Teile der Nordhalbkugel, nur wenige 100 m über der Erde, weht eine noch unangetastete Energiequelle, die so viel Leistung liefert wie die besten herkömmlichen Windparks der Welt: In der zehnmal höher gelegenen Troposphäre findet sich die weltweit größte Dichte an erneuerbaren Energiequellen. Die Nutzung der Höhenwindenergie steckt noch in den Kinderschuhen. Die Höhenwinde über der Erde können nutzbar gemacht werden. Dafür sind keine neuen Technologien nötig.

Bei der Höhenwindkraft werden bereits etablierte Technologien übernommen und teilweise sogar die gleichen Generatoren, Getriebe und Einspeiseumrichter verwendet. Hauptsächlich unterscheiden sich Höhenwindturbinen dadurch, wie sie die Windenergie nutzbar machen. Statt einer großen Stahlturmkonstruktion verbindet ein Verankerungsseil das System mit der Erde. Im Aufbau integriert sind keine Rotorblätter, sondern eine speziell entwickelte Tragfläche, die sich durch die Luft bewegt und dabei Energie erzeugt. Die Fähigkeit, sich in einem größeren Himmelsquerschnitt bewegen zu können, zählt zu den ausschlaggebenden Merkmalen der Höhenwindkraft. So wird auch mit einer Tragfläche von geringer Größe viel Energie aus den stärkeren, beständigeren Winden höherer Regionen gewonnen. Ähnlich der Spitze eines herkömmlichen Rotorblattes bewegt sich die Tragfläche quer zur Windrichtung in Kreisform oder in Form einer Acht mit einer um ein Vielfaches höheren Geschwindigkeit als der Wind (siehe Abb. 1). Höhenwind- und herkömmliche Windturbinen funktionieren nach denselben aerodynamischen Prinzipien. Ähnlich der Spitze eines herkömmlichen Rotorblattes bewegt sich auch die Tragfläche mit hoher Geschwindigkeit durch die Luft und gewinnt aus dem aerodynamischen Auftrieb effizient Energie. Bei einer Spannweite, deren Länge mit der eines Rotorblattes vergleichbar ist, kann sich eine Höhenwindturbine in einer größeren Himmelsregion bewegen, um etwa zehnmal so viel Energie zu erzeugen.

Einsatz in luftiger Höhe

In einer Höhe von knapp über 600 m wehen Winde mit Geschwindigkeiten von mehr als 8 m/s in über 40 % der Zeit, und das in den meisten Regionen der Nordhalbkugel. Die Leistungsdichte (kW/m2) ist den weltweit besten herkömmlichen Windenergiegebieten ebenbürtig. Die am besten verwertbaren Winde sind jedoch in der Troposphäre zu finden. In über 10.000 m Höhe beträgt die durchschnittliche Leistungsdichte mehr als 20 kW/m2, während die insgesamt verfügbare Energiemenge im Terawatt-Bereich (TW) liegt - hunderte Male über dem weltweiten Energiebedarf.

Überwinden technischer Hindernisse

Die Idee, eine mit einem Seil im Boden verankerte Tragfläche für die Energieerzeugung zu nutzen, ist nicht neu. Die zugrunde liegenden Konzepte wurden in den späten 70er-Jahren patentiert und sind mittlerweile lizenzfrei zugänglich.

Warum wird Höhenwindenergie bisher noch nicht in großem Maße kommerziell genutzt? Die Antwort liegt in der Komplexität, den Kosten und auch im mooreschen Gesetz. Noch vor 10 Jahren waren die Kosten für die Verarbeitung, Messgeräte, Sensoren, Regel- und Steuersoftware extrem hoch. Heute können Unternehmen im Bereich Höhenwindkraft dank exponentieller Steigerungen bei der integrierten Rechenleistung und der Messgerätetechnologie sowie der Verfügbarkeit von anspruchsvollen, leistungsstarken Softwarewerkzeugen und robusten, integrierten Rechenplattformen die verschiedensten Prototypen erstellen und prüfen. Dafür verwenden sie unmittelbar auf dem Markt verfügbare Standardtechnologien, mit denen die Zeit von Entwurf, Prototypenerstellung und dem Einsatz vor Ort verkürzt wird. Die Firma Windlift entwickelt mobile Höhenwindturbinen. Dabei setzt sie auf die grafische Programmiersprache NI Labview und integrierte Messgerätesysteme der Reihe NI CompactRio für Steuer-, Regel- und dynamische Überwachungsanwendungen, wie dies anhand der Benutzeroberfläche für das 12-kW-Prototypensystem zu sehen ist (siehe Abb. 2).

Stromerzeugungstechnologie

Die Technik der einzelnen Stromerzeugungsansätze bei Höhenwindturbinen ist sehr unterschiedlich - von im Boden verankerten Drehflüglern bis hin zu luftschiffähnlichen Gebilden, die leichter als Luft sind. Die einfachsten funktionieren auf einem dieser beiden Grundprinzipien: zum einen als im Boden verankerter Generator, der an einer Seilwinde hängt. Dabei wird Strom erzeugt, wenn der Gleitschirm an dem Kabel zieht. Zum anderen als mit hoher Windgeschwindigkeit betriebene Propeller, die auf der Tragfläche sitzen und kleine Bord-Generatoren antreiben. Im Boden verankerte Generatorsysteme, wie sie von Windlift in den USA und Kitenergy in Europa entwickelt werden, erzeugen Strom, wenn die Tragfläche an einem Kabelseil zieht. Mit dem Drehmoment und der Geschwindigkeit des Kabelseils wird Strom erzeugt, indem ein Generator angetrieben wird, der an einer sich drehenden Seilwinde befestigt ist. Wie in Abbildung 3 zu erkennen ist, gibt es zwei Phasen der Stromerzeugung - die Zugphase und die Rückholphase. Während der Zugphase zieht die Tragfläche langsam das Verankerungsseil heraus, wodurch Strom erzeugt wird. Dies geschieht so lange, bis das Kabel maximal herausgezogen ist oder die maximale Höhe erreicht wurde. Dann setzt die Rückholphase ein, in der die Tragfläche eingezogen wird und sich das Kabelseil aufwickelt. Dabei ist eine geringe Strommenge nötig, um mit dem Generator als Motorantrieb das Kabel einzuholen. Dann beginnt der Vorgang erneut.

Die Tragfläche überträgt drahtlos die GPS-Koordinaten sowie Informationen über Wank-, Nick- und Gierbewegungen von einem Trägheitsnavigationssystem in der Luft an eine Drachensteuereinheit am Boden. Kitenergy verwendet die PXI-Plattform von National Instruments als Steuereinheit am Boden, mit der die Sensorsignale erfasst und verarbeitet sowie anspruchsvolle Steuer- und Regelalgorithmen ausgeführt werden, um den Motor bzw. Generator der Seilwinde und somit die Tragfläche zu steuern.

Ausblick

Es überrascht nicht, dass in einem so aufstrebenden Bereich der Windindustrie noch nicht entschieden ist, welcher Entwicklungsansatz am besten eingesetzt werden kann und dabei am kosteneffizientesten ist. Für Spekulationen ist es noch zu früh, doch vermutlich wird es sich um ein in der Grenzschicht einsetzbares System mit robuster, aerodynamisch auf besten Wirkungsgrad optimierter Tragfläche handeln.(gro)