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Neuer Schub für die Windkraft

Schwimmende und fliegende Windkraftanlagen könnten schon bald stationäre Windräder ergänzen – und helfen, den Stromhunger der Elektromobilität zu stillen.

04.10.2021

Schwimmende Windkraftanlage (Foto: Foto: Wikimedia Commons/ CC-by-sa 4.0, LO83)

Auf hoher See: Schwimmende Windräder bekommen mehr Wind ab als klassische Offshore-Anlagen.

Erneuerbare Energien sind mehr denn je gefragt und Windkraft spielt dabei eine zentrale Rolle. Doch die Digitalisierung sowie die Elektrifizierung von Verkehr und Wärmeversorgung werden den Stromverbrauch in den kommenden Jahren so stark erhöhen, dass der Ausbau der regenerativen Erzeugung kaum hinterherkommt. Da trifft es sich gut, dass zwei neuartige Typen von Windkraftanlagen kurz vor dem Durchbruch stehen. Sie „ernten“ Wind in tiefen Gewässern und in großen Höhen – und erschließen damit ganz neue Bereiche.

Zwar hat bereits die Ausweitung vom Land auf das Meer die Windenergie massiv vorangebracht. Doch Windparks können nicht in jeder Wassertiefe gebaut werden, weil ab 50 Metern Tiefe die Installation im Boden unwirtschaftlich ist. Den Ausweg könnten schwimmende Windräder bieten, die ohne aufwändig am Meeresgrund errichtete Fundamente auskommen. Sie müssen lediglich „an die Kette gelegt“ werden, damit sie nicht davonschwimmen. Solche Ketten lassen sich auch in tieferen Gewässern verankern.

Schwimmende Windräder schaffen mehr

Die Anlagen sind aber nicht nur einfacher zu errichten, sie greifen auch nicht so stark in den Meeresboden ein. Und da der Wind auf der offenen See stärker weht, drehen sich ihre Rotoren viel öfter. Ein schwimmender Test-Windpark in Schottland verzeichnete innerhalb eines Jahres eine Einsatzzeit von 57 Prozent. Klassische Offshore-Anlagen hingegen schaffen nur 39 Prozent. Die neuen, auch als „Floating Wind“ bezeichneten Anlagen können allerdings nicht beliebig weit ins offene Meer gesetzt werden. „Dann werden die Unterwasser-Kabel, die den Strom zum Land leiten, zu teuer“, sagt Diplom-Ingenieur Peter Vennemann, Professor für regenerative Strom- und Wärmeerzeugung an der Fachhochschule Münster.

Zurzeit gibt es weltweit 50 Floating-Wind-Projekte. Dazu gehören kleine Testanlagen, aber auch erste Parks mit bis zu 8,4 Megawatt starken Windrädern wie vor der Küste Portugals. Doch langfristig trauen Experten den Anlagen sogar zu, die herkömmliche Offshore-Windenergie zu überholen und neuer Standard der Branche zu werden. Laut einer Weltbank-Studie könnten Windparks auf dem Meer in Zukunft theoretisch eine Leistung von insgesamt 71 Terawatt erreichen. Damit ließe sich rein rechnerisch der weltweite Stromverbrauch gleich mehrfach decken. Doch nicht alle Ressourcen werden wirklich genutzt werden können. „Viele Bereiche sind aufgrund zu hoher Umsetzungskosten, schwieriger technischer Bedingungen oder ökologischer Erwägungen nicht geeignet“, erklärt Vennemann.

Flugdrachen Sky Sails (Foto: Sky Sails Group)

Flugdrachen verwandeln Höhenwind in Strom und können auch Schiffe antreiben.

Flugwindkraftanlagen nutzen Höhenwind

Eine ganz neue Option für die Windkraft ist das Wachstum in die Höhe. Flugwindkraft­anlagen nutzen den kräftigen und beständigen Wind in Höhen von mehreren hundert Metern. Ihr großer Vorteil: Sie produzieren auch dann Energie, wenn in Bodennähe nichts weht. Ihre Strom-Ausbeute ist mindestens doppelt so hoch wie die der konventionellen Windräder. Die Anlagen greifen zudem weniger in die Natur ein. Einige fliegen wie Drachen, andere ziehen wie Segelflugzeuge ihre Runden. Nur ein dünnes Seil verbindet sie mit dem Boden.

Es gibt zwei verschiedene Ansätze, den Höhenwind in Strom zu verwandeln: Beim ersten ist das Flugsystem mit einer Seilwinde am Boden verknüpft, in die ein Generator eingebaut ist. Sobald der Drachen aufsteigt, zieht er das Seil aus der Winde und der Generator produziert Strom. Danach sinkt der Flugkörper wieder nach unten. Das Seil rollt sich auf, anschließend beginnt der Ablauf von Neuem.

Bei der zweiten Variante wird der Strom direkt am Flugkörper erzeugt, der ebenfalls am Seil hängt und den man sich wie ein kleines Segelflugzeug vorstellen kann. Rotoren auf den Tragflächen drehen sich im Wind, ein Generator im Flieger macht daraus Strom. Dieser wird durch ein Kabel an die Bodenstation übertragen.

Segelflugzeug erzeugt Strom (Foto: Makani)

Dieses Segelflugzeug verfügt über Rotoren auf den Tragflächen zur Stromerzeugung.

Leistungsfähig und ressourcenschonend

Noch sind die Flugwindkraftsysteme nicht in breitem Rahmen marktreif, unter anderem deshalb, weil ihre autonome Steuerung sehr komplex ist. In einigen Jahren könnten sie aber durchaus eine Alternative zu konventionellen Windrädern werden. Denn die Anlagen arbeiten sehr effizient und bei ihrer Herstellung kommt nur wenig Material zum Einsatz. „Man benötigt zum Beispiel keinen energieintensiv produzierten Stahl, der im Turm konventioneller Anlagen dazu dient, den Rotor zu tragen. Die Anlage ist auf aerodynamische Elemente wie die Flugkörper und elektrisch aktive Komponenten wie den Generator beschränkt und nutzt zugleich Geschwindigkeiten großer Höhen. Das ist unglaublich ressourceneffizient“, lobt Vennemann.

Für Flugwindkraftanlagen eignen sich viele Flächen an Land und sogar auf dem Meer. Da sie außerdem oft auch zu Stunden Strom einspeisen, in denen der Börsenstrompreis hoch ist, könnten sie eine große Rolle in der weltweiten Energiewende übernehmen. Wissenschaftler der University of Delaware errechneten eine theoretische Leistung von mehreren Terawatt. Das macht die Systeme auch für den Einsatz in großen Windparks interessant.

Ob zu Wasser oder in der Luft: Beide neuen Windkraftsysteme haben großes Potenzial, die Rolle der Windkraft auszubauen. „Doch es braucht weiterhin den Mix aus verschiedenen regenerativen Energiequellen“, erläutert Peter Vennemann. „Wir haben keine Lösung, mit der allein wir den Klimawandel aufhalten können.“ Der Experte erwartet, dass der Energiekonsum weiter zunimmt, sobald Strom billiger wird. Und gibt zu bedenken: „Jede Anlage jeder Art, die wir bauen, verursacht Eingriffe in die Natur. Das Beste ist Effizienzsteigerung und ein möglichst geringer Verbrauch von Rohstoffen und Energie. Wir müssen so leben, dass die Stromnutzung nicht immer weiter ansteigt.“


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