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FLUGWINDTURBINEN

Windstrom

dank Höhenflug Nicht alle Standorte eignen sich für stationäre Windturbinen. Deshalb gehen verschiedene ­ Start-ups in die Luft: Autonome Flugwindturbinen sollen die starken Höhenwinde ernten. Zu den Pionieren dieser Technik gehören drei Firmen aus der Schweiz, Deutschland und den USA.

B Text: Michael Staub

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Fotos: zvg

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Schwungvoller Start: Ein Enerkite-Fesseldrachen steigt nur mit einem Seilsystem mit seiner Basisstation verbunden in die Höhe.

Bei Seglern und Windparkbesitzern sind Flauten nicht sonderlich beliebt. Doch bei bodennahen Winden gehören die Pausen einfach dazu. Nicht so in der Höhe: Ab 200 bis 300 Metern über dem Boden wehen die Winde deutlich stärker und vor allem konstanter (siehe Infobox). Diese Vorteile wollen verschiedene Start-ups für die Windstromerzeugung nutzen. Zum Beispiel das Schweizer Start-up Skypull. Die Firma entwickelt Drohnen, die in Zielhöhen bis 600 Metern selbstständig navigieren. Ein Seil verbindet die Drohne mit einer Bodenstation, an die Seiltrommel ist ein Generator gekoppelt. «Je stärker der Hö­hen­wind die Drohne bewegt, desto stärker ist der Zug auf dem Seil und desto grös­ ser ist die Stromproduktion», sagt Nicola Mona, CEO von Skypull. Ihr Konzept hat die Firma bereits erfolgreich getestet: Von 2016 bis 2018 erprobte sie einen skalenreduzierten Prototypen gemeinsam mit dem EVU Azienda

Elettrica di Massagno (AEM). Für diesen «proof of concept» erteilte das Bundesamt für Zivilluftfahrt (BAZL) eine spezielle Bewilligung. Der nächste Prototyp heisst SP 2, wird zwischen 150 und 200 Kilogramm wiegen und 6 auf 6 Meter messen. Er besitzt zwei Tragflächen, die nach dem sogenannten Boxwing-Prinzip übereinander angeordnet und an den Stirnseiten miteinander verbunden sind. Daraus resultiert ein sehr stabiles Flugverhalten, und laut Angaben der Firma verhält sich die Drohne im Realbetrieb genau so, wie es die Computersimulationen prophezeiten. Als mögliche Einsatzgebiete sieht man vor allem wenig besiedelte Gegenden mit akutem Strombedarf. «Wir denken an Rohstoffminen, Forschungsstationen oder abgelegene Stützpunkte. Also genau jene Situationen, die man bisher mit Dieselgeneratoren abgedeckt hat. Dort ist unser System kostengünstiger, denn es braucht __//


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tung von 30 Kilowatt. Bereits für 2019 sind erste Flüge mit dem EK200 vorgesehen, einem Funktionsprotoypen mit einer Flügelfläche von 35 Quadratmetern und einer Leistung von 100 Kilowatt. Anlagen mit Leistungen von 500 Kilowatt bis zu zwei Megawatt folgen in der Planung. Die Bodenstation ist als Container ausgeführt und kann problemlos mit einem gängigen LKW transportiert werden. Ein spezieller Schwungarm bringt den Drachen mit wenigen Rotationen auf die nötige Startgeschwindigkeit und entlässt ihn sodann in die Luft. Sobald der Drachen seine Einsatzhöhe von derzeit etwa 300 Metern erreicht hat, fliegt er bei maximaler Seilkraft quer zum Wind. Wie bei Skypull wird durch den Zug auf dem Seil ein Generator angetrieben. Um den Drachen wieder zur Basisstation zurückzuholen, wickelt man das Seil auf. Diese Rückholphase benötigt jedoch nur wenig Zeit und Energie, der Saldo fällt positiv aus. Laut Enerkite soll die Stromproduktion während 90 Prozent der Einsatzzeit möglich sein und die Anlage bei gleicher Leistung bis zu doppelt so viel Strom produzieren wie eine stationäre Windturbine.

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«Durch die Nutzung der Höhenwinde steigt der Kapazitätsfaktor.» Po-Wen Cheng, Professor am Lehrstuhl für Windenergie (SWE), Stuttgart Der «M600» von Makani besitzt acht Windturbinen, die auf einem Karbonfaserflügel montiert sind. Einmal gestartet, macht die fliegende Windfarm einen Looping nach dem anderen.

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keinen Brennstoffnachschub, der mit hohen Kosten herantransportiert werden muss», sagt Mona. DEUTSCHER DRACHE Die Stromproduktion der Drohne fluktuiert, weil nur in den Sinkflugphasen Strom erzeugt wird. Danach muss das Gerät wieder aufsteigen, um einen neuen Zyklus zu starten. Deshalb sucht man bei Skypull noch eine geeignete Pufferlösung. Denkbar sind unter anderem Kondensatoren, Batterien, Elektrolyseure oder ein Schwungrad,

wobei man eine Lösung mit minimalem CO2-Footprint bevorzugt. Geprüft wird auch der parallele Betrieb mehrerer Drohnen. Auch der deutsche Hersteller Enerkite will Höhenwinde für die Windstromproduktion nutzen, setzt jedoch auf ultraleichte Fesseldrachen. Gestartet und gesteuert werden die passiven Drachen mit Hilfe von drei Leinen von der Bodenstation aus. Das Modell EK30, derzeit im Testbetrieb, besitzt eine Flügelfläche von acht Quadratmetern und eine Leis-

HELIKOPTER UND KRAFTWERK Noch mehr Leistung will Makani liefern. Das US-Unternehmen bringt mit seinen motorisierten Lenkdrachen gewissermassen eine Windfarm in die Luft. Auf einem langen, schlanken Flügel aus Karbonfasern sitzen elektrisch angetriebene Turbinen, die zwei Funktionen übernehmen. Um den Drachen zu starten, funktionieren sie als Rotoren. So kann das Fluggerät wie ein Helikopter senkrecht starten. Hat es seine Zielhöhe erreicht, liefern die Turbinen einige Sekunden lang den nötigen Schwung, um einen ersten Looping zu beginnen. Danach werden die Propeller- zu Rotorblättern und erzeugen über Permanentmagnet-Generatoren Strom. Diesen leitet man über das Zugseil zur Bodenstation. Der Energiedrachen fliegt danach voll­ automatisch einen Looping nach dem anderen. Vor zwei Jahren hat Makani das Modell M600 an den Start gebracht. Mit einer Spannweite von 26 Metern und acht Turbinen kommt es auf eine Leistung von 600 Kilowatt, was zur Versorgung von etwa 300 US-Haushaltungen ausreichen sollte. Im Gegensatz zu den europäischen Windkraftd r o h n e n i s t d i e B o d e n s ta t i o n stationär. Makani eignet sich deshalb nicht für mobile Einsätze. An Kapital

mangelt es dem 2006 gegründeten Unternehmen nicht: Es wurde 2013 von Google X übernommen, der sogenannten «Moonshot Factory» von Google. Diese investiert in ambitionierte, auf den ersten Blick unmögliche Projekte, darunter etwa die Stratosphären-Ballons von «Project Loon», die Internetverbindungen in abgelegene, konventionell nicht erschliessbare Erdteile bringen sollen. STATIONÄRE KONKURRENZ Stationäre Windturbinen scheinen ihre Systemgrenze noch nicht erreicht zu haben. Die Spitzenreiter unter den aktuellen Anlagen liefern Leistungen von bis zu 5 Megawatt. Noch grössere Windturbinen stiessen in den meisten europäischen Ländern wohl an die Logistik- und Akzeptanzgrenze, meint Po-Wen Cheng, Professor am Stuttgarter Lehrstuhl für Windenergie (SWE). «Trotzdem gibt es noch Luft nach oben. Ein weiterer Zuwachs ist sicher denkbar, wenn die Bevölkerungsdichte niedrig und ausreichend Platz vorhanden ist.» Weil die konventionelle Windkraft heute sehr kosteneffizient sei, müsse die Höhenwindkraft andere Trümpfe spielen. «Durch die Nutzung der Höhenwinde steigt der Kapazitätsfaktor», sagt Cheng, «dadurch können die Betreiber auf tiefere Netzintegrationskosten hoffen als bei konventionellen Anlagen.» Die Logistik und Netzanbindung von Flugwindkraftwerken sind laut PoWen Cheng vergleichbar mit konventioneller Windkraft: «Daran sollte es nicht scheitern. Bis zu einem HöhenWindkraftpark ist es aber noch ein langer Weg.» Für klassische Windparks an Land (Onshore) oder auf ­hoher See (Offshore) werde man die

Genehmigungen vermutlich viel schneller erhalten, weil die Risiken für Menschen und Flugverkehr überschaubar seien. Doch die grösste Herausforderung beim Bau von massentauglichen Flugwindkraftwerken sieht der Windkraftprofessor in der hohen Komplexität solcher Systeme: «Die Hürde zum autonomen, unbeaufsichtigten und dauerhaften Betrieb ist noch nicht genommen. Ebenso wenig hat man sich auf ein gemeinsames Konzept einigen können.» Nur diese Konzeptkonvergenz ermögliche aber durch die grosse Stückzahl eine rasche Kostensenkung. Bei der konventionellen Windkraft ist dies bekanntlich anders. Es gibt nur ein Konzept, nämlich Upwind-Dreiblattrotoren mit Pitch-Regelung und variabler Drehzahl. SCHWEIZER BESONDERHEITEN Bis zur Marktreife von Flugwindturbinen wird es sicherlich noch einige Jahre dauern. Die Frage, inwiefern solche Systeme auch in der Schweiz zum Einsatz kommen könnten, ist schon heute interessant. Denn gerade in sensiblen Landschaften könnten sie eine erneuerbare Stromproduktion mit geringen Eingriffen ermöglichen – gleichsam als «minimal invasive» Windenergie. Wie gut stechen also die Argumente der Hersteller? Die konstante Energieproduktion dank Höhen__// winden sei ein valables Argu-

Im Gegensatz zu den europäischen Windkraftdrohnen setzt der kalifornische Spezialist Makani auf feste Bodenstationen.


FLUGWINDTURBINEN

«Flugwindkraftwerke sind interessant, technisch aber noch nicht so ausgereift wie Grosswindanlagen.» Benjamin Szemkus, Suisse Éole

Die andere Art Energie zu produzieren KUNDENSPEZIFISCHE TECHNOLOGIE. VON DER BASISAUFÜHRUNG BIS ZUM MODELL FÜR GROSSVERBRAUCHER.

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ment, meint Benjamin Szemkus, Mediensprecher bei der Branchenorganisation Suisse Éole. Der Bau von Flugwindkraftwerken werde vermutlich einfacher und schneller zu realisieren sein, ebenso sei man flexibler bei der Positionierung. «Allerdings ist diese Technologie neu und noch nicht so ausgereift und effizient wie Grosswindanlagen. Diese stehen seit über 30 Jahren erfolgreich im Einsatz und haben technologisch immense Fortschritte gemacht.» Als potenzielle Problemfelder für Flugwindturbinen ortet Szemkus die Flugsicherheit, etwa wegen möglicher Kollisionen mit anderen Flugobjekten, sowie den Vogelschutz. Die von den Herstellern genannten Produktionskosten pro Kilowattstunde seien «ziemlich abenteuerlich». Zentral sei zudem ein völlig autonomer und langfristiger Flugbetrieb. «Das ist meines Wissens noch nicht gelungen, aber zentral für den Erfolg», sagt Szemkus. Und fügt an, die generelle Akzeptanz der Windkraft in der Schweiz sei vorhanden: «In Volksabstimmungen auf Gemeinde- respektive Kantonsebene

wurden bisher 15 von 17 Windenergieprojekten angenommen.» Gut möglich also, dass dereinst auch in der Schweiz autonome Drohnen oder Drachen Windstrom erzeugen.

Offshore-Windparks wie «Borkum Riffgrund 1» liefern viel Strom. Bis sie von Flugwindturbinen konkurrenziert werden, dürfte noch einige Zeit vergehen.

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Höher hinaus Die höchste Schweizer Windturbine gehört der Firma Calandawind und misst bis zur Nabe 119 Meter. Bei einer kürzlich fertiggestellten Anlage in Gaildorf (DE) beträgt die Nabenhöhe bereits 178 Meter. Doch mit der Grösse einer Turbine wachsen auch die Herausforderungen bei der Produktion, Baustellenlogistik und Montage der Anlage. Deshalb propagieren die Hersteller von Flugwindturbinen ihre Systeme als kostengünstiger und ressourcenschonender. Zudem wehen Höhenwinde, etwa zwischen 400 und 600 Metern, deutlich stärker und konstanter als bodennahe Winde. Je nach Konzept wird bei Flugwindturbinen eine Art Drachen oder eine Drohne, manchmal auch eine Hybridform, an eine Bodenstation angebunden. Die Stromerzeugung erfolgt durch den Zug auf eine Seiltrommel (Enerkite, Skypull) oder Onboard-Windturbinen (Makani).

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