Flugdrachen für die Windenergie

Die Ziele in Deutschland sind hoch gesteckt: Bis 2020 sollen 40% der elektrischen Energie aus erneuerbaren Energiequellen stammen. Sowohl der Bau von Windenergieanlagen in besiedeltem Gebiet als auch die Errichtung neuer Stromtrassen zur Anbindung von Offshore-Windparks lösen häufig Widerstand bei den betroffenen Anwohnern aus. Die Einspeisevergütung für erneuerbare Energien und die Investitionen in die notwendige Infrastruktur führen gleichzeitig zu steigenden Strompreisen. Politisch sind also noch viele Probleme zu lösen. Drachenflüge statt Windrad Aber auch technologisch sind noch viele Punkte offen, sodass in Forschung und Entwicklung immer wieder interessante Projekte entstehen. Eins davon ist die Entwicklung von Windenergieanlagen, die auf frei fliegenden Drachenflügeln basieren. Entwickelt werden diese Anlagen von der Firma Enerkite GmbH, die ihren Sitz in Kleinmachnow in der Nähe von Berlin hat. Die Energieerzeugung mit frei fliegenden Flügeln hat verschiedene Vorteile: So können die Flügel beispielsweise Höhen bis zu 500m erreichen und dort stetigere und kräftigere Winde ausnutzen als in Bodennähe. Große Türme, die bei herkömmlichen Windenergieanlagen einen großen Teil der Kosten und des Bauaufwands ausmachen, sind nicht notwendig. Gleichzeitig können die Anlagen je nach Bauart auch mobil sein. Das Prinzip einer Windenergieanlage mit Drachenflügeln – den so genannten Enerkites – ist jedem, der einmal einen Lenkdrachen geflogen hat, sofort einsichtig: Befindet sich der Flügel voll im Wind, wirkt die maximale Kraft auf die Seile. Wird der Flügel dagegen aus dem Wind gelenkt, reduziert sich diese Kraft auf einen Bruchteil der Maximalkraft. Kitesurfer nutzen diesen Effekt, um die Geschwindigkeit beim Surfen zu verändern. Die Enerkites arbeiten in zwei Phasen, um elektrische Energie zu erzeugen. In der Arbeitsphase fliegt der Flügel bei maximaler Seilkraft quer zum Wind. Das Seil wird herausgelassen und treibt eine Generatorwinde an, die die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. In der Rückholphase wird der Flügel aus dem Wind genommen, sodass er sehr schnell und mit deutlich geringerer Kraft wieder eingeholt werden kann. Anschließend beginnt der Zyklus von vorne. Anders als bei klassischen Windenergieanlagen wird die elektrische Energie am Boden erzeugt. Dort kann auch die Steuerung des Flügels erfolgen, so dass sich in der Luft nur das bewegt, was auch in die Luft gehört. Mobile Anlage für die Entwicklung In einem ersten Schritt hat das Team von Enerkite die Entwicklungsplattform EK30 realisiert, mit der Erfahrungen mit den verschiedenen Systemkomponenten gewonnen werden sollen. Dieser Prototyp kann je nach Wind mit Flügeln zwischen 15 und 30qm und in einer maximalen Flughöhe von 300m arbeiten. Die Nennleistung der Anlage, die auf einem Allrad-LKW montiert ist, beträgt 30kW. Am 20. März konnte das Team von Enerkite mit dem EK30 den Jungfernflug erfolgreich absolvieren. Bei diesem und den folgenden Testflügen konnte das Team die verschiedenen Systemkomponenten erproben und das gesamte System optimieren. Lenkdrachen automatisiert steuern Herkömmliche Drachenflügel mit drei Leinen werden – beispielsweise beim Kitesurfen – durch Zug an den beiden Steuerleinen gelenkt. Das Halteseil ist für die Übertragung der Kraft auf den Surfer zuständig. Bei den Enerkites ist das Prinzip identisch. Die Seile laufen aber über insgesamt drei Winden – eine Hauptwinde für das Halteseil und zwei Winden für die Steuerleinen. Indem die Winden für die Steuerleinen gezielt angesteuert werden, lässt sich der Drachenflügel lenken. Bei der Entwicklungsplattform EK30 kommen hierzu zwei Joysticks zum Einsatz, die an einem mobilen Piloteninterface montiert sind. \“Über diese beiden Joysticks können wir den Flügel ganz ähnlich wie beim normalen Fliegen lenken\“, erklärt Christian Gebhardt, der bei Enerkite seine 20jährige Erfahrung als Kitepilot mit einbringt. Das mobile Piloteninterface ist außer mit den beiden Joysticks auch noch mit einem Display zur Visualisierung ausgestattet. Hier hat sich das Team für ein Display vom Typ MCQ52 von Graf-Syteco entschieden. Auf dem leistungsfähigen Display wird die Flugbahn des Flügels für den Piloten visualisiert. Außerdem werden die Seilkräfte und -geschwindigkeiten, die Geschwindigkeit des Flügels sowie die aktuelle Leistung der Anlage dargestellt. Bereits in den ersten Wochen nach der Inbetriebnahme gelangen dem Enerkite-Team erfolgreiche automatisierte Flüge ohne Piloteneingriff. Nach Abschluss der Reglerentwicklung wird dann das Graf-Syteco-System neben der Visualisierung der Betriebsparameter auch die Schnittstelle für die Anlagensteuerung bilden. Robust und bedienerfreundlich Bei der Auswahl des Displays kam es auf unterschiedliche Merkmale an. \“Zunächst einmal war eine CAN-Schnittstelle Pflicht\“, sagt Stefan Skutnik, der bei Enerkite unter anderem für die Elektro- und Steuerungstechnik verantwortlich ist: \“Bei den Joysticks, die häufig in mobilen Maschinen eingesetzt werden, hatten wir uns bereits auf CAN festgelegt. Der Lieferant der Joysticks hat uns dann auch Graf-Syteco empfohlen.\“ Da das mobile Piloteninterface bei den Flugversuchen im Freien eingesetzt wird, musste es so konstruiert werden, dass die Schutzart IP65 erfüllt ist. Auch dies konnte mit dem MCQ52 problemlos erfüllt werden. Die letzte und entscheidende Anforderung an das Display hängt wiederum mit dem Einsatz im Freien zusammen. \“Wenn ich beim Fliegen im Sonnenlicht stehe, muss ich auf dem Display natürlich trotzdem noch etwas erkennen\“, so Gebhardt: \“Das brillante Display des MCQ52 hat uns in dieser Beziehung wirklich überrascht, da es selbst bei voller Sonneneinstrahlung noch völlig problemlos ablesbar ist.\“ Komplexes System Im EK30 ist noch weitere Steuerungstechnik verbaut. Für die Gesamtsteuerung setzt man auf ein Embedded-System von Micro/Sys, das ebenfalls über eine CAN-Schnittstelle verfügt, und so ideal mit den Komponenten des Piloteninterfaces kommunizieren kann. Das Embedded-System steuert die drei Hauptwinden und verschiedene Hilfsantriebe. Diese werden beispielsweise für den Gear-Antrieb benötigt, der die gesamte Konstruktion auf dem Dach des LKW um 360° drehen kann. Sämtliche Antriebe sind als permanent erregte Synchronmaschinen ausgeführt, die über Frequenzumrichter im Vier-Quadranten-Betrieb geregelt werden. Der Antrieb der Hauptwinde kann dadurch als Generator betrieben werden, um die mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Dabei haben alle Frequenzumrichter einen gemeinsamen Gleichstromzwischenkreis. Wenn also während der Arbeitsphase Energie vom Hauptantrieb in den Gleichstromzwischenkreis gespeist wird, können die anderen Antriebe mit dieser Energie versorgt werden. Die überschüssige Energie wird dann in Akkus gespeichert oder über den Wechselrichter für andere Verbraucher zur Verfügung gestellt. Auf dem Weg zur Marktreife