Ein moderner Lenkdrachen ist mehr als nur ein Sportgerät – er lässt sich auch als Energie-Erzeuger einsetzen. Hierzu wird seine Flugbewegung verwendet, um einen Generator anzutreiben, der die gewonnene kinetische in elektrische Energie umwandelt. Diese Idee verfolgt die Firma NTS Energie- und Transportsysteme zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Produk­tionstechnik und Automatisierung IPA. Ziel ist eine Nutzung der starken Winde in bis zu 500 m Höhe.

Institutsangaben zufolge fliegen die Kites in 300 bis 500 m Höhe und fangen dort den Wind ein. Über etwa 700 m lange Seile sind sie mit Wagen verbunden, die sie über einen Schienenrundkurs ziehen. Aus der dabei entstehenden Bewegungsenergie erzeugt ein Generator Strom. Die Steuerungs- und Messtechnik ist auf den Wagen untergebracht.

Auf dem Kite-Testgelände des Fraunhofer IPA in Mecklenburg-Vorpommern.

© Fraunhofer IPA

Was sind die Vorteile dieser Methode gegenüber konventioneller Windparktechnik mit Rotoren? Laut den Projektverantwortlichen tendiert die Windgeschwindigkeit in Bodennähe gegen Null und steigt mit zunehmender Höhe ra­pide an. So liege sie in 100 m Höhe bei rund 15 m/s und betrage in einer Höhe von 500 m bereits mehr als 20 m/s. Somit sei die Energie-Ausbeute eines Kite deutlich größer als die eines Windrads, bei dem sich die Blattspitzen in Höhen bis etwa 200 m drehen. Bei einer Verdoppelung der Windgeschwindigkeit verachtfache sich der Energiegehalt – ergo entsprächen acht Kites mit einer Größe von bis zu 300 m² – je nach Windgebiet – rechnerisch 20 konventionellen 1-MW-Windkraftanlagen.

Im Gegensatz zu Windrädern müssen Lenkdrachen nicht mit der Konstanz des Windes kämpfen, da mit zunehmender Höhe auch dessen Verfügbarkeit steigt. Eine Windgeschwindigkeit von 5 m/s in einer Höhe von 10 m lässt sich nur zu ungefähr 35 % des Jahres und in 500 m Höhe zu 70 % des Jahres messen. Fazit: Es tun sich neue Standorte für die Stromerzeugung durch Wind im Flachland auf. Ein weiterer Vorteil: Die Materialkosten für den Bau einer solchen Anlage sind deutlich geringer, da kein Hunderte von Tonnen schwerer Turm nötig ist.

DIe Aufgabenverteilung

Die Aufgaben der Projektpartner sind folgendermaßen definiert: Für das Design der Kites und den Bau der Höhenwindanlage ist NTS verantwortlich, das Fraunhofer IPA entwickelt die Steuerungs- und Messtechnik, zu der die Seilausgabe- und Seileinzugsvorrichtung sowie der Seilspeicher gehören. 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 sorgt für die präzise Steuerung des Kite, der sich in der Flugbahn auf einer liegenden Acht beziehungsweise einer sinusförmigen Kurve in der Höhe bewegt. Durch diese Flugmanöver erzeugt er eine Zugkraft von bis zu 10 kN. Ein 20 m² großer Drachen kann folglich durchaus das Gewicht von einer Tonne ziehen. Jeweils ein Flugsystem zieht einen Wagen.

Auf einem Testgelände in Mecklenburg-Vorpommern konnten NTS und das Fraunhofer-Institut einen Kite auf einer 400 m langen, geraden Strecke auf Jungfernflug schicken. Seine Steuerung erfolgte ähnlich wie ein Modellsegelflugzeug manuell per Fernbedienung. Im nächsten Schritt soll die Teststrecke zu einem Rundkurs ausgebaut werden. Dann sollen Computer die Kites vollautomatisch steuern. Simulationen zufolge lassen sich mit einer NTS-Anlage mit 24 Kites 120 GWh/Jahr produzieren. Eine 2-MW-Windkraftanlage produziert rund 4 GWh/Jahr. Die Projektbeteiligten gehen davon aus, dass eine Kite-Anlage in Zukunft 30 2-MW-Windkraftanlagen ersetzen kann.

Interview mit Joachim Montnacher

Joachim Montnacher ist Geschäfts­feldleiter Energiewirtschaft beim Fraunhofer IPA.

© Fraunhofer IPA

Das Fraunhofer IPA ist Projektpartner von NTS. Mit welchen Aufgaben das Institut beim Kite-Kraftwerk konkret beauftragt ist, erläutert Joachim Montnacher, Geschäftsfeldleiter Energiewirtschaft beim Fraunhofer IPA.

Herr Montnacher, das Fraunhofer IPA entwickelt für die Kite-Kraftwerke von NTS die Steuerungs- und Messtechnik. Wie sieht diese im Detail aus?

Die NTS hat uns mit der Entwicklung und dem Bau der Bodeneinheit zur Höhenwindnutzung beauftragt. Hier handelt es sich um eine absolute Neuentwicklung, bei der in einem ersten Schritt die Anforderungen an den Prototypen noch gemeinsam mit den Know-how-Trägern der NTS definiert werden mussten; das heißt, unsere erste Aufgabe war, eine Spezifikation des Systems zu erarbeiten. Hierzu wurden die von NTS gewünschten Eigenschaften funktional strukturiert und quantifiziert. Darauf aufbauend wurden die Komponenten elektromechanischer Aufbau, Seilzugvorrichtung inklusive Seilspeicher, Seilmessvorrichtung, Leitsystem und Steuerung konstruiert und gebaut. Die Bodenstation ist das Bindeglied zwischen Kite und Generator. Über die Bodenstation erfolgt die Steuerung des Kite mittels Leinen, die über Winden elektromotorisch angetrieben werden. Zugseile übertragen die Kräfte vom Kite auf die Bodenstation, die ihrerseits wieder über ein Seilsystem mit dem Generator verbunden ist.

Worin bestehen die besonderen Heraus­forderungen bei der Lenkdrachen-Lösung? Welche Schwierigkeiten begegnen Ihnen bei der Umsetzung?

Die große Herausforderung besteht darin, dass es keine konkreten Vorgaben, aber auch keine Erfahrungen gibt, an denen man sich orientieren kann. Eine technische Herausforderung stellen die neuen eingesetzten Materialen dar, von denen noch keine Lebensdauerdaten für die bevorstehenden Belastungen vorliegen.

Wo sehen Sie die Grenzen der Technologie?

Die tatsächlichen Grenzen der Technologie sind zur Zeit noch nicht auszu­machen, bisher wurden die gesteckten Ziele technisch erreicht und die energetischen Annahmen haben sich bestätigt. Anlagen­größen, vergleichbar mit heutigen Windparks, sind sicherlich vorstellbar.

Wie weit sind die Arbeiten an der Teststrecke? Welchen Zeitplan gibt es für das Projekt?

Bislang ist eine 400 m lange gerade Strecke aufgebaut. Auf dieser Strecke können die gesamte Technik inklusive Bodenstation, Generatoranbindung und Flug­algorithmen getestet werden. Die nächste Ausbaustufe wird einen geschlossenen Kurs beinhalten, um Anlagenparameter zu ermitteln und Dauerversuche durchzuführen. Auf dem geschlossenen Ausbau können dann mehrere Einheiten betrieben werden, was einer realen Anlage schon sehr nahe kommt.