Flugwindkraftanlagen 02.10.2023, 11:38 Uhr

Wann kommen Flugdrachen für die Stromerzeugung?

Bereits seit vielen Jahren werden Flugdrachen zur Stromerzeugung erforscht, doch noch gibt es keine kommerziellen Projekte. Flugwindkraftanlagen haben zahlreiche Vorteile, doch an der Bürokratie könnten sie scheitern.

Flugdrachen

Mit einem Flugdrachen möchte die Firma SkySails Strom aus Wind in großen Höhen gewinnen.

Foto: Skysails Power GmbH

Bereits vor ziemlich genau 10 Jahren berichteten wir von der Firma Enerkite und ihren Bemühungen, Strom aus fliegenden Drachen zu erzeugen. Noch immer gibt es keine kommerziellen Projekte, dabei klingen Zahlen vielversprechend, von Verdoppelung des Stromertrags gegenüber konventionellen Windrädern ist die Rede. Inzwischen arbeiten mehrere Unternehmen an dem Thema, ganz aktuell auch RWE in Irland. Grund genug für uns, einmal zu schauen, wann denn nun Flugdrachen zur Stromerzeugung kommen und warum es nach wie vor keine kommerziellen Anlagen gibt.

Vorteile von Flugwindkraftanlagen

Um das Potenzial des Windes optimal zu nutzen, muss man in größere Höhen steigen. Dies ist nicht nur Kindern bewusst, die ihre selbstgemachten Drachen in den Himmel steigen lassen, sondern auch den Entwicklern von Windkraftanlagen, die die Effizienz des Windes berechnen. In mehreren hundert Metern Höhe gibt es selten Windstille; hier herrscht fast ständig eine beständige Brise. Das Prinzip „Je höher, desto windiger“ trifft auch auf Flugdrachen zu.

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Flugdrachen können in Höhen operieren, in denen herkömmliche Windräder aus technischen und wirtschaftlichen Überlegungen nicht mehr praktikabel sind. Flugwindkraftanlagen können erneuerbare Energie aus den starken Winden in Höhen von 200 bis 400 Metern generieren, wodurch sich ganz neue Möglichkeiten der Stromerzeugung eröffnen. Zudem sind Flugdrachen auch in Gebieten einsetzbar, in denen herkömmliche Windkraft nicht realisierbar ist, und bieten den Vorteil der mobilen Energiegewinnung.

Sarah Barber, Leiterin des Fachbereichs Windenergie an der Ostschweizer Fachhochschule sagte gegenüber der Süddeutschen Zeitung: „Die Leistung wächst mit der Geschwindigkeit in Dreierpotenz. Eine doppelte Windgeschwindigkeit bedeutet also achtfache Leistung. Deshalb ist es bei der Windenergie generell wichtig, in die Höhe zu gehen“.

Blick 10 Jahre zurück

Im Herbst 2013 ließ die Firma Enerkite einen Flugdrachen auf dem Tempelhofer Feld in den Berliner Himmel steigen. Das Ziel Stromerzeugung aus Windkraft. Ein Jahr zuvor wurde die vom Luftfahrtingenieur Alexander Bormann und dem Drachendesigner Christian Gebhard entwickelte Technik auf der wichtigsten Messe für Windenergietechnik, der „Windenergy“ in Husum vorgestellt. Das Interesse am Prototypen soll groß gewesen sein, die vorgelegten Zahlen waren rekordverdächtig.

Neben der Verdoppelung des Strom-Jahresertrags gegenüber herkömmlichen Windrädern wurden zudem 4400 Volllast-Stunden auch im Binnenland versprochen. Dazu kamen eine Materialersparnis von 95 Prozent gegenüber Windrädern und ein um 75 Prozent geringerer CO2-Fußabdruck der Flugdrachen-Technologie.

So funktioniert die Technik

Die im Jahr 2013 vorgestellte Flugdrachen-Technik funktionierte so: Seile ersetzen die Türme der Windkraftanlagen, die pro installierten Megawatt an Leistung 1000 Tonnen Stahl brauchen, um stetige und stärkere Winde zu nutzen. Das Maschinenhaus, der Generator, musste nicht in luftiger Höhe aufwändig in einer Gondel montiert werden, sondern steht fest auf dem Boden.

Der Prozess der Stromerzeugung ist als Zwei-Stufen-Prozess zu verstehen. In der ersten Stufe steigt der Drachen am Seil in eine Höhe von bis zu 300 Metern. Er segelt dabei quer zum Wind und beschreibt Achten. Die hohen auftretenden Flügelkräfte werden durch das Halteseil zum Boden auf eine Generatorwinde übertragen.  Der Generator wandelt das Drehmoment beim Rauslassen des Seils und Flügels kontrolliert in elektrische Energie um.

Ist das Seil am Ende angelangt, wird der Flügel in den kurzen Rückholmodus gebracht, der Kreis schließt sich. Dann beginnt der Prozess von neuem. Da die gewonnene Energie in der ersten Prozess-Stufe etwa das Zehnfache der benötigten Energie für die Rückholphase  beträgt, liefert die Anlage kontinuierlich Strom.

Blick in die Gegenwart

Die Firma Enerkite gibt es noch immer und noch immer lebt sie den Traum von der kommerziellen Stromerzeugung mit Flugdrachen. Die Technik wurde weiterentwickelt, sichtbar vor allem am Flugdrachen. War er im Jahr 2013 noch eher ein Gleitschirm, ähnelt er heute eher einem Boomerang. Auf der Firmenwebsite erklärt der Mitbegründer und Chef Alexander Bormann: „Eine einzige Anlage im Container-Format mit 100 KW versorgt 200 Haushalte und kann 50 Elektroautos am Tag mit einer Reichweite von 200 km tanken“.

Zusammen mit der Volkswagen Group Charging GmbH, dem Anbieter von Energie- und Ladelösungen aus dem Volkswagen-Konzern, hat das Unternehmen im Frühjahr eine Machbarkeitsstudie für mobile E-Tankstellen gestartet. In der Studie soll ermittelt werden, inwieweit es mit Flugdrachen möglich ist, eine ortsflexible und unabhängig von bestehender Infrastruktur E-Tankstelle zu betreiben. Ergebnisse sind jedoch nicht vor Ende 2024 zu erwarten.

Blick nach Irland

Wie eingangs bereits kurz erwähnt, beschäftigt sich RWE ebenfalls seit Kurzem mit Flugdrachen und der Möglichkeit, damit Strom zu erzeugen. Technologiepartner für die Versuchsanlage in Irland ist das niederländische Startup Kitepower. Laut Johannes Peschel, dem CEO von Kitepower, funktioniert das System mit einem speziell gestalteten Drachen, der an einem ultrastarken Dyneema-Seil hängt.

Der aufblasbare Drache ist rund 60 Quadratmeter groß und lediglich 80 Kilogramm schwer. Das Dynamee-Seil hat die gleiche Festigkeit wie Stahl, wiegt aber nur rund 10 Prozent davon. Alles ist also auf Leichtbauweise ausgelegt. Befestigt ist das Seil an einer Bodenstation mit einem Generator.

Der Strom wird in der „Reel-Out-Phase“ erzeugt, wenn der Drachen in einer kreuzweisen Acht geflogen wird und dabei eine hohe Zugkraft erreicht, die das Seil aus der Winde in der Bodenstation herauszieht. Während dieser Reel-Out-Phase produziert der Kitepower Strom.

Wenn die Leine ihr Maximum erreicht hat, wird der Drachen wieder direkt über die Bodenstation gelenkt, und die Leine wird mit einer geringen Energiemenge aufgerollt. Dies wird als „Einrollphase“ bezeichnet. Wenn die Einrollphase abgeschlossen ist, beginnt die Ausrollphase. Normalerweise dauern diese beiden Phasen 100 Sekunden, 80 Sekunden für die Reel Out- und 20 Sekunden für die Reel In-Phase. Technik funktioniert also ähnlich wie Enerkite. Wann es zu einem kommerziellen Betrieb des Flugdrachens kommt, ist auch bei dieser Technik nicht sicher, noch handelt es sich in Irland um eine reine Versuchsanlage.

Blick nach Nordfriesland

Zwischen 2019 und 2021 haben Skysails Power, EnBW, Omexom (ehemals EWE) und die Leibniz Universität Hannover den Prototyp einer Flugwindkraftanlage in Klixbüll getestet, im Jahr 2023 wurde der Abschlussbericht veröffentlicht. Die Tests der Anlage hatten primär das Ziel, die Stromproduktion zu validieren und zu optimieren. Damit sollte das Potenzial der Technologie bestätigt und die Wirtschaftlichkeit zukünftiger Megawatt-Anlagen eingeschätzt werden. Des Weiteren war es wichtig, im Langzeitbetrieb die Robustheit und Lebensdauer der eingesetzten Komponenten und Materialien zu überprüfen.

Die Stromerzeugung erfolgt bei dem als „SkyPower100“ benannten Projekt ähnlich wie bei Kitepower und Enerkite: Die testweise eingesetzte Flugwindkraftanlage verfügt über eine Bodenstation mit einer integrierten Seilwinde und Generator. Wenn der am Seil befestigte Drachen in höhere Luftschichten aufsteigt, zieht er das Seil von der Winde und dabei wird durch den Generator Strom produziert.

Sobald das Seil vollständig ausgezogen ist oder der Drachen die optimal windige Höhe erreicht hat, beginnt die Rückholphase. Hierbei navigiert die Anlage den Drachen automatisch in eine Position mit minimaler Zugkraft. Im Motorbetrieb wird das Seil dann vom Generator wieder eingezogen, wobei nur ein geringer Anteil der zuvor gewonnenen Energie verbraucht wird. Nachdem der Drachen wieder in Nähe der Bodenstation ist, kann der Vorgang der Stromgewinnung erneut starten.

Blick nach Bayern

Während SkyPower100, Kitepower und Energkite die von Flugdrachen erzeugte Energie am Boden mit Hilfe von Generatoren in Strom umwandeln, geht Kitekraft anders vor. Die Ausgründung aus der TU München hat einen Drachen aus Aluminium und Karbon entwickelt, in den mehrere Mini-Windräder eingebettet sind.

Während der Drachen durch den Himmel gleitet, produzieren diese Windräder direkt Strom. Leiterbahnen im Führungsseil leiten die erzeugte Energie zur Erdoberfläche. Interessanterweise ist die elektrische Einheit des Kitekraft-Systems so gestaltet, dass die Rotoren auch als Propeller fungieren können, um den Drachen starten und landen zu lassen.

Vor einigen Wochen konnte das Forschungsteams bei Tests im Windkanal zeigen, dass der Drachen auch bei starkem Wind stabil schweben kann. In den nächsten Schritten soll die Technik hochskaliert werden. Zunächst soll ein Drache mit 2,5 Metern Spannweite in den Dauerbetrieb gehen, dann eine Zehn-Meter-Anlage mit einer Leistung von 100 Kilowatt. Perspektivisch sind Spannweiten mit weit über 20 Metern angedacht. Dann sind Leistungen im Megawattbereich möglich.

Welche Herausforderungen sind noch zu bewältigen?

Ob sich das Konzept mit den Flugdrachen durchsetzt, ist trotz aller Vorzüge noch längst nicht ausgemacht. Noch gibt es einige Hürden zu überwinden. Sarah Barber erläuterte gegenüber der Süddeutschen Zeitung: „So müssen die Hersteller erst noch nachweisen, dass die Anlagen den wechselnden mechanischen Belastungen dauerhaft standhalten können.“

Laut der Wissenschaftlerin gäbe es auch hinsichtlich der Steuerung noch einige Hausaufgaben zu bewältigen. Es sei nämlich keineswegs einfach, die Flugdrachen auf Kurs zu halten und sie sicher zu starten und zu landen. Als größte Herausforderung sieht Barber jedoch die Genehmigung für den Betrieb der Energiedrachen. So gibt es bislang noch nicht einmal Regelwerke, nach denen die Behörden grünes Licht geben könnten.

Braucht es überhaupt Flugdrachen für die Energiewende?

Windräder und Solarparks können bereits heute grünen Strom zu niedrigen Preisen liefern, braucht es da überhaupt noch Flugwindkraftanlagen? Florian Bauer, Geschäftsführer von Kitekraft ist der Ansicht, dass Windkraftanlagen mit einer Leistung von 100 Kilowatt in Zukunft Energie zu Kosten ähnlich denen von herkömmlichen Windrädern produzieren können. Dies liegt unter anderem an ihrem geringeren Materialverbrauch.

Zusätzlich betont er gegenüber der Süddeutschen Zeitung zwei besondere Vorteile der fliegenden Windkraftanlagen: Erstens, sie sind kaum sichtbar, wodurch sie an Orten eingesetzt werden können, an denen herkömmliche Anlagen aufgrund von Landschaftsschutzbestimmungen nicht zulässig sind. Zweitens, diese Anlagen können ohne den Einsatz von Schwertransportern zum Installationsort gebracht werden.

Laut Philip Bechtle, der an der Universität Bonn unter anderem zu Drachenkraftwerken forscht, geht es allerdings auch ohne. Gegenüber der Süddeutschen betont er allerdings, dass Flugdrachen in einigen Nischen durchaus eine Option sein könnten. Es bleibt somit spannend, wann und ob wir irgendwann Flugdrachen am Himmel finden werden, die grünen Strom aus Windkraft für uns erzeugen.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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