Windenergie 4.0: So funktioniert moderne Stromgewinnung

Digitale Vorreiter

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Datum 19.09.2019
Lesezeit 7 Min.

Windenergie 4.0: So funktioniert moderne Stromgewinnung

Im Jahr 2018 hat Windkraft in Deutschland laut Bundesverband WindEnergie e.V. (BWE) für etwa 20 Prozent der Stromerzeugung gesorgt. Das entspricht knapp 112 Terawattstunden an Energie. Doch in letzter Zeit ist der Ausbau der Windenergie ins Stocken geraten. Gründe hierfür sind vor allem fehlende Ausbauflächen – zudem erschweren Anwohnerklagen gegen die meist hohen Windräder die entsprechenden Bauvorhaben. Neue Ideen müssen her: Das Berliner Startup Mowea will Windkraft für Jedermann erschwinglich und sinnvoll nutzbar machen.

Windenergie verbinden die meisten Menschen mit hohen Türmen und überdimensionalen Rotorblättern. Der Bau einer solchen Windkraftanlage ist mit hohem logistischem Aufwand und Kosten verbunden. Damit sich eine solche Investition lohnt, müssen die Windräder viele Jahre lang betrieben werden – und sorgen währenddessen für Umweltbeeinträchtigungen und Einschnitte im Landschaftsbild. 

Eine mögliche Lösung sind Offshore-Windparks, deren Bau jedoch sehr aufwändig ist. Immerhin müssen die Masten hier auf dem Meeresgrund verankert und lange Kabel bis zum Festland verlegt werden. Auch die Wartung der Anlagen im Meer ist verständlicherweise mit mehr Aufwand verbunden und verursacht zusätzliche Kosten.

Sogenannte Kleinkraftwerke könnten das Energiewende-Dilemma aufzubrechen helfen: In verschiedenen Bauformen können sie selbst in ungünstigen Ecken, in die kein herkömmliches Windrad passt, oder auf Hausdächern für Strom aus Windkraft sorgen – und sehen dabei nicht einmal schlecht aus.

 

MOWEA macht Windkraft für Jedermann erschwinglich und nutzbar

Future Connect Tour 2019/20

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Auf der Future Connect Tour bringt Vodafone in 6 Städten Kunden, Partner und Startups zusammen. Lernen Sie dabei erfolgreiche digitale Geschäftsmodelle und aktuelle Technologie- und Trendthemen kennen. Auch das Startup MOWEA ist dabei.

Jedes Jahr werden trotz geringer Förderung durch die EEG-Umlage (eine Förderung für eingespeisten Strom nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz) Tausende kleiner Windkraftanlagen aufgebaut und betrieben. Bei diesen sogenannten Kleinwindkraftanlagen entfallen die üblichen, langen Leitungswege zwischen Energieerzeugung und -verbrauch. Außerdem sind die Investitionskosten im Schnitt deutlich geringer als bei Großanlagen. 

Das Startup MOWEA aus Berlin testet derzeit gemeinsam mit Vodafone solche Kleinanlagen an Mobilfunkmasten. Diese sollen unabhängig von herkömmlichen Energieträgern funktionieren und auch an entlegenen Standorten eingesetzt werden können. Im Gegensatz zu Sonnenkollektoren funktionieren Windkraftanlagen auch nachts. So sind sie in der Lage, die laufenden Betriebskosten beispielsweise für einen Mobilfunkmasten bei ausreichender Energiespeicherung mittels Akku auf nahezu Null zu senken. Notwendige Wartungsarbeiten und der Akkuverschleiß sind hier allerdings nicht mitgerechnet.

Das MOWEA-Gründerteam hat über die Crowdfunding-Plattform „Companisto” 500.000 Euro für seine Geschäftsidee kleiner Windkraftanlagen für Jedermann eingesammelt. Es ist außerdem Teil des Vodafone PACESETTER-Programms, das Start-Ups durch Cloud-Förderung und Zugang zu Technologie auf besondere Art unterstützt.

Die Idee ist so simpel wie erfolgversprechend: MOWEA will Windkraft in jeder denkbaren Situation nutzbar machen. Die einzelnen Windkraftanlagen lassen sich zu einer großen Anlage kombinieren, was die Flexibilität erhöht und im Gegensatz zu großen Einzelanlagen eine problemlose Skalierung ermöglicht.

Das Unternehmen bietet derzeit vier verschiedene Windkraftsysteme an:

  • MOWEA Champ: Beim System Champ handelt es sich um einen Vertikalrotor, der besonders schwingungsarm und leise arbeitet. Er ist vor allem für die Installation auf Flachdächern im privaten wie auch im industriellen Bereich gedacht.
  • MOWEA Cube: Dieses Horizontalsystem sieht im Grunde aus wie ein großer Würfel mit eingebautem Rotor. Vorteil dieses Systems ist, dass beinahe beliebig viele dieser Würfel zu einem Gesamtsystem zusammengesteckt werden können.
  • MOWEA String: Bei diesem System werden mehrere Horizontalrotoren an einer einzelnen Stange („String”) vertikal aufgereiht. Wesentlicher Vorteil ist auch hier die Modularität zusammen mit einer besonders hohen Energieausbeute. Da sich die Rotoren frei auf dem String drehen können, stehen sie ohne weiteres Zutun immer „im Wind”.
  • MOWEA Net: Innerhalb einer Achteckkonstruktion werden mehrere Horizontalrotoren mit jeweils sechseckiger Ummantelung montiert. Auf diese Art wird die verfügbare Fläche innerhalb der Konstruktion optimal genutzt. Das System kann Nennleistungen von bis zu 50 Kilowatt erzeugen. 

 

Die Nachfrage nach solchen Mini-Windrädern im Baukastensystem ist schon jetzt riesig. MOWEA plant, seine Windräder bis 2021 durch Skalierung der Produktion zu einem Stückpreis von um 500 Euro anbieten zu können. So könnte Windenergie bald für Jedermann erschwinglich und im größeren Stil sinnvoll nutzbar werden. Ein weiterer Schritt hin zur erfolgreichen Energiewende ist somit vermutlich bald getan.

 

Video: YouTube / MOWEA Marketing

 

Windenergie in Deutschland: Der Stand der Dinge

Das Thema Windenergie in Deutschland ist insgesamt gesehen eine Erfolgsgeschichte: Laut Bundesverband WindEnergie (BWE) existieren in der Bundesrepublik derzeit mehr als 30.000 Windkraftanlagen mit zusammen knapp 60 Gigawatt Gesamtleistung (Stand: 2018). 

Auch die Akzeptanz ist vergleichsweise hoch: Ganze 55 Prozent der Deutschen würden einen Windpark in ihrer direkten Nachbarschaft akzeptieren. Das wiederum bedeutet aber, dass ganze 45 Prozent mit derartigen Vorhaben nicht einverstanden sind. Wer in der Nähe eines bis zu rund 200 Meter hohen Windrads wohnt, weiß, warum: 

  • Riesige Windräder sorgen für „fliegende” Schatten, die nicht nur Vögel, sondern auch Menschen irritieren können.
  • In direkter Umgebung eines Windrads ist dessen Laufgeräusch deutlich wahrnehmbar.
  • Das Landschaftsbild wird durch die riesigen „Türme”, speziell wenn diese in sogenannten Windparks zusammenstehen, stark verändert.
  • Vögel können in die laufenden Rotoren geraten oder ihr Revier aufgeben. Das wiederum beeinflusst die Natur in der Umgebung der Windenergieanlagen. 

Offshore-Windparks, wie sie vor allem in windreichen Regionen der Nordsee entstehen, belasten zwar den Menschen und das Landschaftsbild nicht, machen derzeit aber nur etwa vier Prozent der gesamten Windkraftanlagen aus. Wegen der höheren Windausbeute sorgen sie dort allerdings für etwas mehr als zehn Prozent des insgesamt erzeugten Stroms. 

Abgesehen davon, dass solche Anlagen im Meer deutlich aufwändiger zu errichten sind, verschärft sich bei ihnen das Problem des Energietransports. Ausreichend dimensionierte Kupferleitungen müssen bis hin zur Anlage und zwischen den Windrädern verlegt werden – das ist nicht nur teuer, sondern sorgt auch für zusätzliche Leistungsverluste auf dem Weg hin zum Verbraucher.

Video: YouTube / NDR Ratgeber

 

Moderne Windkraftanlagen: Mehr als nur das klassische Windrad

Doch es gibt zum Glück inzwischen Alternativen: Obwohl die Mehrzahl der Windräder nach wie vor in der klassischen Bauform mit einer Trägerkonstruktion (meist eine vertikale Säule) und darauf befindlichem Rotor hergestellt wird, gibt es am Markt eine ganze Reihe anderer Windradkonstruktionen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen horizontalen und vertikalen Windkraftanlagen:

 

Horizontale Windkraftanlagen: Für maximale Leistungsausbeute

Sogenannte „horizontale Windkraftanlagen” arbeiten mit horizontal stehender Rotorachse. Dieses Prinzip ist nach wie vor das gängigste und kommt in den klassischen Windrädern zur Anwendung, wie man sie aus dem Landschaftsbild kennt. Ihr Wirkungsgrad (also der Grad der Umwandlung der Energie des Windes in elektrischen Strom) liegt im Idealfall bei etwa 50 Prozent.

Horizontale Windräder können einfach auf einen Masten montiert werden. Sie müssen jedoch gemäß der vorherrschenden Windrichtung drehbar sein. Neben sogenannten Luv-Läufern gibt es hierbei sogenannte Lee-Läufer: Der Unterschied liegt in der Stellung der Rotorblätter und wird von der Frage bestimmt, ob das Windrad „von hinten” (windabgewandte Seite, “Lee”) oder „von vorne” (windzugewandte Seite, “Luv”) in Bewegung gesetzt wird. Luv-Läufer machen den größten Anteil der Windkrafträder aus.

Unter typischen Arbeitsbedingungen mit einer Windgeschwindigkeit von fünf Metern pro Sekunde erzeugen horizontale Windkraftanlagen im Schnitt etwa doppelt so viel Strom wie solche mit vertikal ausgerichteter Rotorachse. Aus diesem Grund werden fast alle industriellen Anlagen, wo möglich, heutzutage mit horizontaler Rotorachse ausgeführt.

 

Vertikale Windkraftanlagen: Eine Lösung für schwierige Umgebungen

Bei vertikalen Windkraftanlagen steht die Rotorachse senkrecht. Hierdurch sinkt zwar der Wirkungsgrad auf etwa 40 Prozent – doch es entstehen auch Vorteile:

  • Drehung nicht erforderlich: Vertikale Anlagen müssen nicht in die aktuelle Windrichtung gedreht werden. An Orten mit häufig wechselnden Windrichtungen, beispielsweise in Städten, kann dies sehr vorteilhaft sein.
  • Geringer Wartungsaufwand: Die Wartung einer horizontalen Anlage ist ungleich aufwändiger als die einer mit Vertikalrotor. Der Grund ist, dass sich bei einer vertikalen Montage der Generator am Boden der Anlage und nicht in teils mehr als 100 Metern Höhe befindet.
  • Weniger Lärm: Vertikale Windkraftanlagen sind deutlich leiser als ihre horizontalen Pendants. Das macht ihren Einsatz auch in dicht(er) bebauten Gebieten möglich.

Davon abgesehen sehen vertikale Windkraftanlagen häufig deutlich gefälliger aus als „Standard”-Windräder. Sie haben sozusagen einen „Design-Bonus”.

Zwei Windkraftanlagen mit Darrieus-H-Rotor

Bei den vertikalen Windrädern ist der Darrieus-H-Rotor besonders beliebt und sorgt für eine interessante Optik.

Ein solches Vertikal-Windrad könnte also eine sinnvolle Alternative für Wohngebiete sein. Die Idee, sich ein eigenes, kleines Windrad in den Garten zu stellen, scheitert jedoch häufig nicht zuletzt an der fehlenden Windausbeute in geringer Höhe. Davon abgesehen sind Baugenehmigungen für derartige Vorhaben nicht immer leicht zu bekommen. Trotzdem wird dieser Form der Energiegewinnung ein großes Potenzial zugeschrieben. 

Video: YouTube / Bayerischer Rundfunk

 

Wie könnte die Windkraft aus Ihrer Sicht die Energiewende beschleunigen? Sind Windparks jeglicher Art sinnvoller als Kleinkraftwerke für Jedermann? Wir sind gespannt auf Ihre Einschätzung.

 

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