Flächen für Windkrafträder werden immer knapper. Zum einen stehen dem weiteren Ausbau schwierige Genehmigungsverfahren entgegen. Zum anderen weisen viele freie Flächen nicht die nötige Windausbeute auf, um eine Windkraftanlage wirtschaftlich zu betreiben. Daher erforschen Wissenschaftler neue Windenergietechniken, um beide Faktoren in Einklang zu bringen. Eine Möglichkeit bieten sogenannte Kite-Kraftwerke. Dabei soll mit Lenkdrachen im deutschen Flachland der Wind eingefangen und die gewonnene Bewegungsenergie in Bodennähe in Strom umgewandelt werden. Dies könnte neue Standorte zur Windenergienutzung schaffen.
Ein moderner Lenkdrachen ist mehr als nur ein Sportgerät. Er lässt sich auch zur Gewinnung von Windenergie einsetzen. Die Flugbewegung des Drachen kann verwendet werden, um einen Generator anzutreiben, der die gewonnene kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Diese pfiffige Idee hatten die Gründer der Berliner NTS Energie- und Transportsysteme GmbH. Für die Realisierung des Vorhabens holten sie das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart mit ins Boot. Mit der neuen Methode wollen die Projektpartner die starken Winde in bis zu 500 Metern Höhe nutzen. "Die Kites fliegen in Höhen von 300 bis 500 Metern, wo sie den Wind einfangen sollen. Über etwa 700 Meter lange Seile sind sie mit Wägen verbunden, die sie über einen Schienenrundkurs ziehen. Aus der entstehenden Bewegungsenergie erzeugt ein Generator Strom. Die Steuerungs- und Messtechnik befindet sich auf den Wägen", erläutert Joachim Montnacher, Diplom-Ingenieur am IPA, die Funktionsweise der "Kite-Kraftwerke".
Gegenüber konventioneller Windparktechnik mit Rotoren bieten diese eine Reihe von Vorteilen: Die Windgeschwindigkeit steigt mit zunehmender Höhe rapide an. In Bodennähe tendiert sie gegen Null. In 100 Metern Höhe liegt sie bei rund 15 Meter pro Sekunde, in 500 Metern beträgt sie schon über 20 Meter pro Sekunde. "Die Energieausbeute eines Kites ist deutlich größer als die eines Windrads, dessen Blattspitzen sich derzeit in Höhen bis ca. 200 Metern drehen. Verdoppelt sich die Windgeschwindigkeit, verachtfacht sich der Energiegehalt", sagt Montnacher. "Acht Kites mit einer Größe von bis zu 300 Quadratmetern entsprechen – je nach Windgebiet – rechnerisch 20 konventionellen 1-Megawatt-Windkraftanlagen."
Anders als Windräder haben Kites auch nicht mit der Konstanz des Windes zu kämpfen. Denn mit zunehmender Höhe steigt auch dessen Verfügbarkeit. Eine Windgeschwindigkeit von 5 Metern pro Sekunde ist in 10 Metern Höhe nur zu ungefähr 35 Prozent und in 500 Metern Höhe schon zu 70 Prozent des Jahres zu messen. Somit kommen neue Standorte im Flachland für die Stromerzeugung durch Wind infrage. Ein weiterer Vorteil: Die Materialkosten für den Bau einer solchen Anlage sind deutlich geringer. Es wird kein hunderte von Tonnen schwerer Turm benötigt.
Die Aufgaben der Projektpartner sind klar definiert: Für das Design der Kites und den Bau der Höhenwindanlage ist die NTS GmbH verantwortlich, die Forscher vom IPA entwickeln die Steuerungs- und Messtechnik, dazu gehören die Seilausgabe- und -einzugsvorrichtung sowie der Seilspeicher. Mit der Steuereinheit werden unter anderem die Messsignale zur Seilsteuerung und Kite-Regelung ausgegeben. Eine in jeden Seilstrang eingesetzte horizontale und vertikale Winkelmessung sowie eine in den Seilverlauf integrierte Kraftmessung garantiert die präzise Steuerung des Kites, der sich in der Flugbahn auf einer liegenden Acht beziehungsweise einer sinusförmigen Kurve in der Höhe bewegt. Durch diese Flugmanöver erzeugt er eine hohe Zugkraft, die bis zu 10 Kilonewton (kN) beträgt. Ein 20 Quadratmeter großer Drachen kann also durchaus das Gewicht von einer Tonne ziehen. Jeweils ein Flugsystem zieht einen Wagen.
Auf einem Testgelände in Mecklenburg-Vorpommern konnten die Forscher vom IPA und die NTS GmbH bereits einen Kite auf einer 400 Meter langen geraden Strecke auf Jungfernflug schicken – gesteuert wurde er ähnlich wie ein Modellsegelflugzeug manuell per Fernbedienung. Im nächsten Schritt wollen die Experten die Teststrecke zu einem Rundkurs ausbauen. Computer sollen die Kites dann vollautomatisch steuern. "Unseren Simulationen zufolge können wir mit einer NTS-Anlage mit 24 Kites 120 Gigawattstunden pro Jahr (GWh/Jahr) produzieren. Zum Vergleich: Eine 2-Megawatt-Windkraftanlage produziert rund 4 GWh/Jahr. Eine NTS-Anlage könnte also 30 2-Megawatt-Windkraftanlagen ersetzen und ungefähr 30 000 Haushalte versorgen", sagt Guido Lütsch, Geschäftsführer der NTS GmbH.
