Ein Flugwindkraftwerk ist ein Windkraftwerk, welches im Gegensatz zu einem konventionellen Windrad nicht fest auf einem Mast, sondern nur durch ein Halteseil am Boden verankert ist und ansonsten in der Luft fliegt. Flugwindkraftwerke können dabei ähnlich wie eine Ballon leichter als Luft sein und frei schweben, oder wie ein Drachen bzw. Surfkite schwerer als Luft sein und durch den Auftrieb des Windes in der Luft gehalten werden.

Funktionsprinzip Flugwindkraftwerk Jojo von EnerkiteFlugwindkraftwerke können in größere Höhe als konventionelle Windkraftwerke vorstoßen. Winde in diesen Höhen von mehreren hundert Metern bis zu mehreren Kilometern sind stärker und stetiger und der Energiegehalt beträgt ein Vielfaches dessen von bodennahen Winden. Die Höhenwinde stellen die am stärksten konzentrierte Form von weltweit verfügbarer regenerativer Energie dar.[1] Das für Flugwindkraftwerke bestehende Windpotential reicht theoretisch aus, um den gesamten Primärenergiebedarf der Menschheit mehr als hundertfach zu befriedigen.[2]

Durch die hohen Windgeschwindigkeiten und das große Windpotential, das mit Flugwindkraftwerken erschlossen werden kann, sollten Flugwindkraftwerke erheblich günstiger Strom produzieren können als andere regenerative Energiequellen, nach einigen Ansichten auch günstiger als fossile Energiequellen.

Flugwindkraftwerke werden aus leichten Materialien gebaut und können im Vergleich zu konventionellen Windkraftwerken mit weitaus geringerem Materialaufwand pro Leistungseinheit realisiert werden. Zudem sind viele Typen von Flugwindkraftwerken grundsätzlich skalierbar, so dass die Größenbeschränkungen konventioneller Windkraftwerke von wenigen Megawatt Leistung nicht gelten. Flugwindkraftwerke können daher prinzipiell in Leistungseinheiten fossiler Großkraftwerken von mehreren hundert Megawatt vorstoßen.

Trotz dieser Vorteile und des damit verbundenen Potentials von Flugwindkraftwerken existieren im Jahr 2012 nur einzelne experimentelle Prototypen. Insbesondere die Schwierigkeiten der automatischen Steuerung im Flug sowie bei Start und Landung verhinderten bislang eine Serienfertigung von Flugwindkraftwerken. Daneben gibt es Unsicherheiten bezüglich der optimalen Bauart von Flugwindkraftwerken sowie der zu verwendenden Materialien. Weltweit beschäftigen sich jedoch eine wachsende Anzahl von Forschergruppen und Unternehmen an der Lösung dieser Fragen und der Entwicklung von Flugwindkraftwerken. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass zur Realisierung von Flugwindkraftwerken eine Vielzahl praktischer Fragen zu lösen sind, aber keine grundsätzlichen technischen oder physikalischen Hindernisse bestehen.

Potential von Flugwindkraftwerken

Konventionelle Windkraftwerke sind auf die Nutzung des bodennahen Windes beschränkt, wobei die Nabenhöhe der Windkraftanlagen sowie der Rotordurchmesser die maximale Höhe des nutzbaren Windes beschränkt. Die im Jahr 2012 existierenden konventionellen Windkraftwerke können Winde bis zu maximal 200 m über dem Boden zu nutzen (größte Windkraftanlage Enercon E-126 mit Nabenhöhe 135 m, Rotordurchmesser 63,5 m, Gesamthöhe 198,5 m).

Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit steigt mit dem Abstand vom Boden. Durch die bodennahe Reibung wird der Wind in Bodennähe abgebremst. Bei rauen Bodenoberflächen wie etwa Hügeln, Wäldern oder hohen Gebäuden ist die Bremswirkung stärker als bei glatten Bodenoberflächen (See, Meer, Flachland mit niedrigem Bewuchs). Der Einfluss dieser Bremswirkung der Bodenoberfläche auf den Wind verringert sich mit dem Abstand von der Bodenoberfläche. Diese Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe bis zu etwa 10km Höhe zu. In dieser Höhe treten in den gemäßigten Breiten die sogenannten Jetstreams mit Spitzenwindgeschwindigkeiten von bis mehreren hundert km/h auf. Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit am Boden beträgt etwa 5 m/s, während sie in den Jetstreams 40 m/s beträgt.[10]

Für die Windenergienutzung ist die Windgeschwindigkeit von grundsätzlicher Bedeutung. Die nutzbare Energie steigt dabei nicht nur linear mit der Windgeschwindigkeit, sondern nimmt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu.[11] Dies bedeutet, dass bei einer Verdoppelung der Windgeschwindigkeit sich die im Wind enthaltene Energie verachtfacht, bei einer Verdreifachung der Windgeschwindigkeit nimmt sie um das 27-fache zu. Die durchschnittliche Energiedichte in den Jetstreams bei 40 m/s Windgeschwindigkeit ist somit nicht nur achtmal so hoch ist wie am Boden mit bei 5 m/s Windgeschwindigkeit, sondern beträgt das 512-fache der Energiedichte des bodennahen Windes. Dieses Potential lässt sich mit Hilfe eines kürzlich veröffentlichten globalen Atlasses zur Energiedichte der Höhenwinde in verschiedenen Höhen zwischen 80 m und 12,000 m gut ermessen.[12]

Flugwindkraftwerke können zudem innerhalb ihrer bauartbedingten Maximalhöhe in verschiedenen wechselnden Höhen betrieben werden. Hierdurch kann bei Schwachwind in einer gewissen Höhe die Höhe gewechselt werden. Zudem kann von einem Ort aus die Windenergie aus verschiedenen Höhen genutzt werden, so dass sich die im Gegensatz zu konventionellen Windenergieanlagen nutzbare Windenergie pro Flächeneinheit vervielfacht. Damit könnten auf kleiner Bodenfläche erheblich höhere Energiemengen erzeugt werden, der Flächenverbrauch sowie der Einfluss auf das Landschaftsbild wären somit geringer.

Die höhere Windgeschwindigkeit in größeren Höhen bedeutet auch geringere Stillstandszeiten der Windkraftanlagen. So produzieren konventionelle Windenergieanlagen durch Windstille je nach Standort im Durchschnitt nur 30-40% ihrer Nennleistung.[1] Dagegen gehen Projektionen für Höhenwindenergieanlagen von bis zu 80% Auslastung aus.[1] Dieser Effekt würde die Stetigkeit der Windenergie verbessern und damit ein bedeutendes Problem der Windenergienutzung mildern. Der damit verbundene Zwang zum Vorhalten von alternativen Stromquellen, zumeist aus fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Gas, würde entschärft. Zudem sinken die Stromerzeugungspreise durch die höhere Auslastung der Kraftwerke.

Durch die höheren durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten und die geringere Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit und der Stärke der bodennahen Winde können Höhenwindkraftwerke auch an für konventionelle Windkraftwerke ungeeigneten Standorten, etwa im windschwachen Binnenland, betrieben werden. Orte für Windkraftwerke könnten sich damit nach dem Stromverbrauch in der Region und weniger nach der Windgeschwindigkeit am Boden richten. Dadurch könnte sich der für die Umstellung der Energieversorgung auf Windenergie erforderliche Aufwand für den Netzausbau verringern. Dieser erfordert etwa in Deutschland den Transport von Windstrom aus den windstarken Erzeugergebieten in Norden in die Verbrauchszentren in der Mitte und im Süden Deutschlands.

Abschätzungen von verschiedener Seite gehen davon aus, dass die Erzeugerpreise von unter 1 Eurocent pro kw/h Strom bis zu 2 cent pro kw/h Strom realistisch sein könnten.[13] Sollte sich diese Einschätzung als richtig erweisen, wären Flugwindkraftwerke nicht nur die mit Abstand günstigste regenerative Energiequelle, sondern auch zumindest ebenso günstig wie fossile Kraftwerke, selbst ohne Berücksichtigung externer Effekte wie der CO2-Belastung.[13]

 

 

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