Airborne Wind Systems: Lasst die Solarpunk-Drachen steigen!
Windenergie aus der Luft (Airborne Wind Energy, AWE) ist ein aufstrebender Bereich der erneuerbaren Energien, der sich durch den Einsatz von fliegenden, jedoch angebundenen Fluggeräten auszeichnet. Dadurch kann die stärkere Windenergie in größeren Höhen als bei herkömmlichen Windturbinen genutzt werden. Dieser innovative Ansatz bietet mehrere Vorteile, wie z.B. den Zugang zu stärkeren und gleichmäßigeren Winden nebst Verringerung schwerer Infrastruktur wie Masten und Fundamente, die für herkömmliche Windräder typisch sind.
Funktionalität von Airborne Wind Systems (AWEs)
AWE-Systeme nutzen Drachen, Ballons oder Drohnen, um Höhen zu erreichen, in denen die Winde zwei- bis dreimal stärker und beständiger sind als bei herkömmlichen Windkraftwerken. In Höhen von 500 m (1600 ft) bis 1500 m (5000 ft) [1] können AWE-Systeme potenziell mehr Energie mit einem geringeren Platzbedarf am Boden erzeugen wie konventionelle Windfarmen. Windenergie ist proportional zur Windgeschwindigkeit hoch 3, so dass die doppelte Windgeschwindigkeit eine 8-fache Leistung (2 x 2 x 2) und eine dreifache Geschwindigkeit die 27-fache Leistung (3 x 3 x 3) erbringt! [2]
Ground-Gen und Fly-Gen Modus
Es gibt zwei primäre Betriebsmodi für AWE-Systeme: Ground-Generating (Ground-Gen) und Fly-Generating (Fly-Gen). Im Ground-Gen-Modus wird der aerodynamische Auftrieb und Kraft des Drachens genutzt, um z.B. das Drachenseil um eine Trommel zu wickeln, die wiederum einen Stromgenerator antreibt. Im Fly-Gen-Modus sind Turbinen am Drachen/Flugkörper befestigt, die im Flugmodus Strom an Bord erzeugen und diesen über ein leitendes Seil an den Boden übertragen.[3] Unternehmen wie Kitepower, EnerKite, Kitemill, SkySails Power und TwingTec arbeiten hauptsächlich im Ground-Gen-Modus, während andere wie Makani und Windlift Technologien im Fly-Gen-Modus erforscht haben.
Beispiele für Windenergieanlagen aus der Luft
- Drachengestützte Systeme: Diese Systeme verwenden große, steuerbare Drachen, die mit einer Bodenstation verbunden sind.
Die Bewegung des Drachens treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an.
Unternehmen wie Makani Power (das von Google X übernommen wurde) haben beispielsweise ein drachengestütztes System mit einer Spannweite von 28 m und einer elektrischen Leistung von 600 kW entwickelt[4].
- Ballon-basierte Systeme: Hierbei handelt es sich um Fesselballons oder Aerostaten, die mit Turbinen ausgestattet sind.
Die Aerostaten fangen die Höhenwinde ein und übertragen den Strom über das Seilelement.
- Drohnengestützte Systeme: Einige AWE-Systeme verwenden autonome Drohnen oder unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), die mit Turbinen ausgestattet sind.
Diese Drohnen können ihre Höhe anpassen, um die Windenergie optimal einzufangen.
Das Potenzial von AWE ist beträchtlich. Herkömmliche Windturbinen mit einer Kapazität von typischerweise 1,5 MW und einer Höhe von 100 m (330 ft) haben aufgrund der Schwankungen des Windes einen Nettokapazitätsfaktor von weniger als 50%. Im Gegensatz dazu können AWE-Anlagen mit Flugkörpern in Höhen von bis zu 500 m (1600 ft) betrieben werden und treffen auf gleichmäßigere Windströme. Ihr Kapazitätsfaktor ist 1,5 Mal besser als bei herkömmlichen Windkraftanlagen. Da für den Bau von AWE-Systemen 90 % weniger Material benötigt wird, haben diese Systeme im Vergleich zu herkömmlichen Windturbinen einen äußerst geringen CO2-Fußabdruck. Daher sind AWE-Systeme sehr nachhaltig und können die Kosten senken, wodurch Windenergie wirtschaftlich rentabler wird. [5]
Herausforderungen bei der Bereitstellung von AWE-Systemen
Die Komplexität der AWE-Technologie ergibt sich aus der Notwendigkeit spezieller Materialien und Komponenten, die dynamischen Flugoperationen standhalten müssen, einschließlich hoher Kräfte, rauer Umweltbedingungen und der innewohnenden Instabilität dieser Systeme. Das Management dieser Parameter, ganz zu schweigen von der Dynamik der Abspannseile, stellt eine große Herausforderung dar und erfordert ausgeklügelte Kontrollsysteme und Algorithmen. Hinzu kommen regulatorische und sicherheitstechnische Erwägungen, denn AWE-Systeme müssen den Luftfahrtvorschriften entsprechen und in die bestehenden Luftraumverwaltungssysteme integriert werden. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist entscheidend, um das Potenzial der AWE-Technologie als tragfähige Lösung für erneuerbare Energien auszuschöpfen.
Da die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, sind Investoren aufgrund der technischen und finanziellen Unwägbarkeiten zurückhaltend. So wurde z.B. das oben erwähnte Unternehmen Makani geschlossen, da sich die Kommerzialisierung als langwierig und risikoreich erwies. [4]
Erste bestellbare Produkte
Unternehmen wie SkySails Powers haben jedoch fertige Ground-Gen-Lösungen im Angebot, die für Anwendungen in abgelegenen Gebieten geeignet sind. Diese Produkte fungieren als unabhängige Energiequellen für Industrie, Landwirtschaft, Telekommunikation und Tourismus oder ergänzen bestehende Energieprojekte.[6]
Fazit
AWE ist zwar ein innovativer Ansatz zur Nutzung von Windenergie, jedoch müssen weitere technologische und wirtschaftliche Herausforderungen gemeistert werden, bevor diese Technologie auf breiter Front eingesetzt werden kann. Die Fortschritte auf diesem Gebiet sind vielversprechend für die Zukunft von erneuerbaren Energien, und erste Systeme sind bereits verfügbar.
Innovationen bei der Nutzung der Windenergie: Wir präsentieren euch Flugwindkraftwerke als alternative Technologienellen:
[1] Airborne Wind Energy Captures High Altitude Wind Power – Global Opportunity Explorer (goexplorer.org)
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Airborne_wind_energy
[3] https://energypedia.info/wiki/Introduction_zu_Luftwind_Energie
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Makani_(Unternehmen)
[5] https://climate.ec.europa.eu/system/files/2022-07/if_pf_2021_nawep_en.pdf
[6] https://skysails-power.com/onshore-unit-pn-14/
