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Flugdrachen für die Windenergie

Bild 1. Mit frei fliegenden Drachenflügeln will das Unternehmen Enerkite elektrische Energie produzieren

Bild 2. Zwei Joysticks dienen der manuellen Steuerung; das Display MCQ52 informiert den Piloten über wichtige Parameter

Bild 3. Das Display lässt sich auch unter Sonneneinstrahlung gut ablesen

Das Berliner-Brandenburger Unternehmen Enerkite verfolgt einen innovativen Ansatz in der Windenergie: Statt der bekannten Windräder setzt man hier auf lenkbare Drachenflügel, wie sie beispielsweise vom Kitesurfen bekannt sind. Für Steuerung und Visualisierung kommen Bediengeräte von Graf-Syteco zum Einsatz.

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.

Drachenflügel 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 500 m 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, sodass sich in der Luft nur das bewegt, was auch in die Luft gehört.
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 m 2 und 30 m 2 und in einer maxi­malen Flughöhe von 300 m arbeiten. Die Nennleistung der Anlage, die auf einem Allrad-LKW montiert ist, beträgt 30 kW. 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 20-jährige Erfahrung als Kitepilot mit einbringt. Das mobile Piloteninterface ist außer mit den beiden Joysticks auch noch mit einem Display zur ­Visualisierung ausgestattet. Auf dem Display vom Typ MCQ52 von Graf-Syteco 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.
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 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 C. 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 Microsys, das ebenfalls über eine CAN-Schnittstelle verfügt, und so mit den Komponenten des Piloteninterfaces kommunizieren kann. Das Embedded-System steuert die drei Hauptwinden und verschiedene Hilfsantriebe. Diese werden beispielsweise für den Gearantrieb benötigt, der die gesamte Konstruktion auf dem Dach des LKW um 360° drehen kann.
Sämtliche Antriebe sind als permanenterregte 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.
Mit den Erkenntnissen, die man mit der Entwicklungsplattform gewinnt, will man im nächsten Schritt ein mobiles System bauen, das eine Nennleistung von bis zu 100 kW hat. Die möglichen Einsätze liegen überall dort, wo bisher Dieselaggregate zum Einsatz kommen. Das System soll daher auf jeden Fall transportabel sein – gedacht ist beispielsweise an eine Containerlösung. Die manuelle Steuerung wird dann entfallen. Stattdessen werden alle Flugmanöver automatisiert ablaufen. In der Zukunft plant man dann Systeme mit noch größeren Leistungen zu entwickeln.
„Das mobile Piloteninterface werden wir dann nicht mehr brauchen“, so C. Gebhardt. Trotzdem wird auch in diesen Systemen wieder eine Display-Lösung von Graf-Syteco zum Einsatz kommen. „Auf dem Display werden wir dann wesentliche Betriebsparameter darstellen“, erläutert S. Skutnik die Pläne. (mh)

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Autor: Dr. Jörg Lantzsch ist als freier Fachautor in Wiesbaden tätig.