Höhenrausch für Windkraftwerke

Die Windenergie boomt bereits. Wird sie bald sogar mit Ballons oder Drachen den Höhenflug antreten?

Wind ist Sonnenenergie in Bewegung, vereinfacht gesagt. Rund ein halbes Prozent des in die Atmosphäre einstrahlenden Lichts treibt über Temperaturdiff erenzen Luftströmungen an. Das klingt nicht viel, und tatsächlich enthält jede Luftsäule über einem Quadratmeter Erdoberfläche durchschnittlich nur 1,7 Watt Leistung. Diese ist aber nicht gleichmäßig verteilt, sondern konzentriert sich in starken Winden. Zum Glück für das Leben auf der Erde rasen die mächtigsten und beständigsten Luftsäulen einige Kilometer über dem Boden dahin. Der Physiker Martin Hoffert schätzt, dass etwa zwei Drittel der gesamten Windenergie des Planeten in der obersten Troposphäre gespeichert sind, also in jenem zwischen drei und 18 Kilometern emporreichenden Abschnitt unserer Atmosphäre, in dem sich das Wettergeschehen abspielt. Mit anderen Worten: weit oberhalb der Rotoren heutiger Windfarmen.

Ken Caldeira vom Forschungsinstitut für globale Ökologie der Carnegie Institution of Washington berechnete vor einigen Jahren, wie die Windenergie mit der Höhe, der geografischen Breite und der Jahreszeit variiert. Ihr Maximum erreicht sie im so genannten Jet-Stream, der in zehn Kilometer Höhe stetig über die Vereinigten Staaten, Europa, China und Japan hinwegfegt. Fünf bis zehn Kilowatt pro Quadratmeter wären dort permanent verfügbar, während Windenergieanlagen auf dem Erdboden mit einem wechselnden und unzuverlässigen Angebot zu Recht kommen müssen. Vom Jet-Stream profitieren derzeit aber nur Fluggesellschaften und ihre Passagiere – bei Transatlantikflügen reduziert der Rückenwind Reisezeit und Treibstoffverbrauch.

Um diese Energiequelle zur Stromerzeugung zu nutzen, gilt es nicht nur, Generatoren in großen Höhen zu positionieren, sondern auch entsprechend lange Leitungen zu führen. Die Anlagen müssen Turbulenzen und Gewittern standhalten und dürfen andererseits nicht viel kosten. Drei Entwürfe haben derzeit die größten Chancen auf Realisierung.

Das Unternehmen Magenn Power in Ottawa (Kanada) plant, schon 2007 einen heliumgefüllten Generator auf den Markt zu bringen, das Magenn Air Rotor System, kurz Mars. Diese erste Generation soll vier Kilowatt liefern, und das für weniger als zehn kanadische Cent pro Kilowattstunde. Eine Besonderheit des Designs: Wie ein Golf- oder Tennisball beim Flug erfährt auch der im Wind drehende Rotor eine Querkraft, denn auf der in Richtung der Luftströmung drehenden Seite entsteht jeweils ein Unterdruck. Dieser nach seinem Entdecker Heinrich Gustav Magnus (1802 – 1870) benannte Effekt soll die Lage des Ballons stabilisieren. Der zu sätzliche Auftrieb verhindert nämlich, dass der busgroße Generator von Winden zu Boden gedrückt wird.

Schon 2010 sollen fußballfeldgroße Anlagen noch weiter aufsteigen und 1,6 Megawatt liefern. "Wir hatten Ballons entworfen, zweifelten aber daran, dass es möglich ist, den Zug auf die Kabel bei starken Winden im Griff zu halten ", bekundet Al Grenier, Gründer von Sky WindPower, einem Unternehmen in Ramona (Kalifornien). Er setzt auf Girokopter, auch Autogiro oder Tragschrauber genannt. Dieser Verwandte des Hubschraubers wurde bereits in den 1920er Jahren erfunden und ist heute als Ultraleichtflugzeug bei Hobbypiloten beliebt. Die Drehflügel werden hier nicht von einem Motor angetrieben, sondern von der anströmenden Luft in Rotation versetzt. Optimal wäre wohl eine Positionierung im Jet-Stream. Aber das Unternehmen musste sich anstrengen, um die vier Millionen Dollar zu bekommen, die es für einen 250-Kilowatt-Prototypen benötigt.

In einer noch früheren Projektphase befindet sich die "Leiter-Windmühle" des Astronauten Wubbo J. Ockels und seiner Studenten von der niederländischen Technischen Universität Delft. Ockels möchte computergesteuerte Flugdrachen steigen lassen, die zu mehreren hintereinander an einem ringförmig geschlossenen Halteseil befestigt sind, das wiederum über die Welle eines Generators läuft. Sensoren und Stellglieder sollen die eine Hälfte der Drachen so in den Wind stellen, dass ihr Auftrieb gerade ausreicht, sie in der Luft zu halten. Die anderen Drachen aber werden so ausgerichtet, dass sie einen Zug nach oben erfahren. Das Ergebnis: Das Kabel bewegt sich und treibt die Welle an. Eine solche Anlage würde die Generatoren am Boden belassen. Simulationen zufolge könnte eine solche Anlage im Jet-Stream bis zu fünfzig Megawatt Leistung produzieren.

Für alle diese Konzepte gilt: Wie gut sie Turbulenzen, Böen und Blitze verkraften, lässt sich erst dann sagen, wenn Demonstrationsanlagen in der oberen Troposphäre platziert sind. Hohe Wartungskosten könnten den Höhenflügen ein rasches Ende bereiten. Hinzu kommen gesetzliche Hürden. Troposphären-Windfarmen in der Luft benötigen zwar weniger Grundfläche als die bodenständigen Anlagen, Umweltauflagen dürften also geringere Probleme bereiten. Doch zwangsläufig kommen sie dem Luftverkehr ins Gehege, die nationalen Behörden müssten den Flugbetrieb im Umfeld einschränken.

Angesichts des wachsenden Verkehrsaufkommens und immer stärker genutzter Flugrouten ist hier wohl einiges an Überzeugungsarbeit zu leisten.

Schnelle Fakten

  • Windenergieanlagen erzeugen derzeit weltweit 58 Gigawatt pro Jahr und es wird erwartet, dass sich dieser Wert bis 2014 verdreifacht.

  • Heliumgefüllte Windstromerzeuger müssten alle paar Monate wieder befüllt werden.

  • Erfahrungen mit stationären, von Kabeln gehaltenen Ballons hat die amerikanische Luftwaffe: Acht solcher Luftschiffe überwachen die Südgrenze.

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