Hoch hinauf zur Windernte

Spezial-Innentitel

Flugwindenergieanlagen - Mit Drachen in bis zu 300 Metern Höhe die Kraft des Windes nutzen, um daraus Strom zu gewinnen die Idee ist pfiffig, und einige Forscher und Start-ups arbeiten an entsprechenden Konzepten. Gemeinsam mit Bachmann electronic als Partner für die Steuerungslösung arbeitet Hersteller und Entwickler Enerkite an der Serienreife seines Produkts.

31. August 2015

Das Unternehmen Enerkite ging 2010 an den Start. Bereits seit 2006 arbeitet das Kernteam an der Entwicklung von automatisierten Drachensystemen. Seit 2012 läuft die 30kW-Demonstrationsanlage des Start-ups in wiederkehrendem Erprobungsbetrieb.

»Herkömmliche Kleinwindanlagen sind weltweit an weniger als zwei Prozent der möglichen Binnenstandorte konkurrenzfähig«, erläutert Dr. Alexander Bormann, CEO von Enerkite, den Hintergrund seiner Bemühungen. Er bezieht sich hier auf Windturbinen der 100kW-Klasse. »Mit unseren Drachen kann an 80 Prozent der weltweit möglichen Standorte Strom erzeugt werden – und das deutlich wirtschaftlicher als mit Photovoltaik- oder Dieselstrom.«

Es sind tatsächlich Lenkdrachen – sogenannte Kites – die das Unternehmen dafür in den Himmel schickt. »Unsere Drachen fliegen bis zu 300 Meter hoch. Dort herrschen einerseits stärkere und beständige Winde, andererseits liefern Enerkites schon bei niedrigen Geschwindigkeiten volle Leistung« erklärt er. Flugwindkraftanlagen können sich zudem durch intelligente Betriebsführung den ständig wechselnden Windbedingungen anpassen. Weit über 5.000 Volllaststunden im Binnenland sind laut Enerkite möglich.

Das Unternehmen geht für einen Kite mit 100kW Nennleistung in 200m Höhe von einem EEG-Referenzertrag von 500MWh/a und Stromgestehungskosten von 8,5ct/kWh aus – auf Basis eines Referenzwertes von 5,5m/s in 30m Höhe. Für einen Kite mit 500kW in 300m Höhe wollen die Entwickler als Zielwert Gestehungskosten von rund 4ct/kWh erreichen.

Komplexe Flugbewegungen steuern

Zum Vergleich: Im Binnenland erreichen moderne große Windenergieanlagen mit entsprechenden Nabenhöhen heutzutage Werte von 2.000 bis 3.000 Volllaststunden, an guten Standorten 3.500, so ein Sprecher des Bundesverbands Windenergie (BWE). In einer Studie des BWE zur Kostensituation der deutschen Onshore-Windenergie kommen die Autoren für einen Standort mit einer Windqualität von 100% des Referenzertrages auf mittlere Gestehungskosten von 7,74ct/kWh. An sehr windhöffigen Orten sinken die Kosten, etwa bei einer Qualität von 120% auf 7ct/kWh. An windschwachen Standorten mit 60%-Qualität liegen die Werte bei 11,07ct/kWh. Betrachtet wurden Anlagen der 2- bis 3,5MW-Klasse und Nabenhöhen von 100 bis 130m.Kernstück der Kite-Technologie sind ultraleichte Flügel. Sie sind für hohen Auftrieb optimiert und verfügen dank starrer Bauweise über die Flugfähigkeit eines Segelflugzeugs. Dies sind Voraussetzungen für den produktiven Betrieb der Flugwindkraftanlage. Die Flügel der Flugwindenergieanlagen werden über drei verschleißfeste Hochleistungskunststoffseile vom Boden aus gesteuert, welche über Trommeln mit integrierten elektrischen Maschinen bewegt werden.

In der Hauptseiltrommel befindet sich ein Generator. »Auf diese Eigenentwicklung sind wir stolz. Wir haben eine integrierte Generatoreinheit patentiert, die einen extrem großen, variablen Drehzahlbereich bietet, ohne dass dafür Kompromisse in der Effizienz oder bei den Kosten hingenommen werden müssen«, so Bormann. Zudem gehört ein Batteriespeicher zur Grundausstattung jeder Anlage. Wechselrichter geben den elektrischen Strom an die Verbraucher ab oder speisen diesen ins Netz ein.

Eine Bachmann-M1-Steuerung regelt die komplexen Flugbewegungen. Zur Information über Lage und Position des Drachen ist eine Vielzahl von Sensoren in der Anlage integriert. Die Daten laufen in der Steuerung zusammen, auf der die Regelungsalgorithmen der Enerkite-Ingenieure geeignete Vorgaben für die Trommelantriebe ermitteln, die dann an die Motoren über das Automatisierungssystem weitergegeben werden.

Stromerzeugung am Boden

»Für Windenergieanlagen, oder jede Form von Energiegewinnung eigentlich, spielt die Kostenseite eine enorm große Rolle. Neben einer eleganten Idee muss sich die Stromgewinnung auch rechnen, und die Flugwindkraftanlage konkurriert mit Konzepten wie der Verbrennung von Kohle oder dem Aufstellen von Solarpaneelen«, führt Ralf Becher, Key Account Manager Wind bei Bachmann, einige an solche Systeme gestellten Herausforderungen aus.

Drachenwindkraftanlagen seien per se komplexe Systeme. »Ein automatisch gesteuertes Fluggerät zu entwickeln, welches diese ökonomischen Anforderungen erfüllt und zugleich sicher und zuverlässig arbeitet, ist eine große Aufgabe.«

Teil der Strategie bei Enerkite sei, für die Betriebssicherheit essenzielle Funktionen am Boden zu lassen. »Hier unterliegen Sicherheitsanforderungen nicht auch noch Gewichtsrestriktionen.« Man muss sozusagen einen Drachen blind – heißt, allein aufgrund der leichten Bewegungen der Leinen, die man in den Händen hält – steuern. »Die passenden Sensorsysteme und Algorithmen für diese Art der Steuerung zu entwickeln war die größte und wichtigste Herausforderung der bisherigen Entwicklung.«

Die Enerkites arbeiten zyklisch in zwei Phasen. In der Arbeitsphase steigt der Flügel in Achten in die Höhe. Das dabei ausgezogene Seil treibt eine Generatorwinde am Boden an. In der Rückholphase gleitet der Drache auf direktem Weg mit geringer Kraft – unter Verwendung eines Bruchteils der zuvor gewonnenen Energie – zur Ausgangshöhe zurück und geht erneut in die Arbeitsphase über. Ein Zyklus dauert circa 1min, wobei die Rückholphase 10s beträgt. »Anders als bei klassischen Windenergieanlagen wird bei unserem System der Strom am Boden erzeugt«, so Alexander Bormann. »Von dort erfolgt auch die Steuerung des Flügels, wodurch sich nur das in der Luft bewegt, was auch in die Luft gehört. Start, Betrieb und Landung des Flügels laufen vollautomatisch ab.«

Ein Mast für Start und Landung

Der Flügel ist an einem rotierenden Mastsystem befestigt und wird auf die notwendige Bahngeschwindigkeit für den Aufstieg gebracht, ehe er vom Mastende gelöst wird und die Arbeit beginnt. »Dieses System erlaubt uns das automatische Starten selbst bei sehr geringen Windgeschwindigkeiten«, so Bormann. Der Mast wird im Anschluss eingefahren und bleibt dort bis zur endgültigen Landung des Flügels. »Dazu fährt der Mast erneut aus und rotiert mit dem Flügel mit, während die Seile eingezogen werden«, erläutert der Geschäftsführer. »Klinkt der Flügel am Mastende ein, wird dieser wieder eingefahren und in Park- und Wartungsposition geneigt.«

Die Anlagen können auf der ganzen Welt eingesetzt werden. »Egal ob sie in ein Netz einspeisen oder im Inselbetrieb Anwendung finden, als Ersatz für Blockheizkraftwerke in Gewerbe- und Landwirtschaftsbetrieben dienen oder bei fehlender Versorgungssicherheit in Krisengebieten aufgebaut werden – überall dort können die Kites genutzt werden«, schildert Alexander Bormann. Er ist fest davon überzeugt, dass 2017 die Markteinführung gelingt. »Davor müssen wir noch einen einjährigen Probebetrieb absolvieren und die letzten Schritte angehen«, so Bormann weiter. »Jetzt gilt es vor allem, das automatische Starten und Landen ausgiebig zu testen.«

Auch daran arbeiten die Spezialisten von Enerkite und Bachmann electronic intensiv zusammen. Das M1-Automatisierungssystem kommt zur Regelung der Flugbewegungen, zur Betriebsführung und Zustandsüberwachung zum Einsatz. Bei der Zustandsüberwachung lassen die Messdaten der Sensoren der Anlage auf den Betriebszustand der Flügel und mögliche Störungen schließen. So kann das System starken Eisansatz oder fehlerhafte Teile erkennen und entsprechende Betriebsmanöver einleiten. Zusätzlich bietet die M1-Steuerung die Möglichkeit, mehrere Steuerungen simultan laufen zu lassen, welche sich gegenseitig überwachen und so bei Hardwarefehlern einer Steuerung eingreifen können. »So kann die Sicherheit des hochkomplexen Systems gewährleistet werden«, erläutert Becher. »Denn im Gegensatz zur konventionellen Windenergieanlage ist ein Abschaltvorgang nicht mit dem Stillstand des Rotors erreicht, sondern erst nach sicherer Landung.«

»Wir hatten uns zunächst an den Aufbau einer eigenen Steuerung gewagt, mussten allerdings erkennen, dass dies nicht zu unseren Kernkompetenzen zählt«, gibt Max Ranneberg, Simulation & Control bei Enerkite, offen zu. »Umso besser, dass wir mit Bachmann einen Partner fanden, mit dessen Hilfe die Steuerung schon nach einer Woche problemlos funktionierte und unsere Kites seither zuverlässig fliegen.«

Flexible Betriebsweise ermöglichen

Die Flüge werden mit Matlab/Simulink modelliert und simuliert. Die Ergebnisse daraus fließen dann unmittelbar in die Optimierung der Steuerungsalgorithmen ein. »Wir müssen sicherstellen, dass unter allen Umständen, selbst wenn alle Hauptfunktionen versagen, die sichere Landung der Drachen gewährleistet ist«, so Ranneberg.

Auch die geforderte Flexibilität gegenüber den verschiedenen Betriebssituationen werde abgedeckt: »Die M1-Automatisierung kann eine Vielzahl an Signalen direkt verarbeiten. So können wir unter anderem auch auf Umwelteinflüsse wie Witterung und Klima reagieren und den Betrieb entsprechend anpassen.«

»Die Sensoren, die in der M1-Steuerung zusammenlaufen, ermitteln Seilkräfte und Drachenbewegungen. Aus diesen Informationen lässt sich die Windstärke und Turbulenz abschätzen, ohne direkt in der Höhe messen zu müssen«, ergänzt Becher. Bei zu starken Winden wird der Drachen mit hohem Betriebswinkel, ähnlich wie ein Drachen, den man mit der Hand fast senkrecht in den Himmel steigen lässt, geführt. So werden die Lasten geringer und die Anlage wartet, bis sich wieder geeignete Bedingungen einstellen. Auch Informationen wie Wetterdaten oder Daten von Anlagen im Umfeld lassen sich einbinden.

Beim Brandenburger Start-up ist man sich der Tatsache bewusst, dass die Industrialisierung der Höhenwindtechnologie noch viele Herausforderungen an das Team stellen wird. »Die Idee alleine genügt nicht, sondern es gilt ein komplexes System zu verstehen. Alleine ist das kaum zu schaffen. Darum setzten wir auf weltweit führende Experten und Vorreiter«, so Bormann.

Interview

Beim Flugdrachen-Projekt setzen Sie für die Optimierung der Steuerungsalgorithmen auch auf digitale Simulation. Aus welchen Gründen haben Sie sich dafür entschieden?

Die Komplexität einer Flugwindanlage stellt allerhöchste Anforderungen an die Steuerungstechnik, es muss schließlich ein hochdynamisches Flugobjekt gesteuert werden. Eine Konzeption und Steuerungsprogrammierung der Anlage ohne vorherige Simulation ist zwar möglich – aber riskant. Die Flügel selbst wurden zwar – ganz analog – in einem Windkanal vermessen. Der Betrieb der gesamten Anlage wird jedoch detailliert simuliert.

In welchen Windenergie-Bereichen wird digitale Simulation verwendet?

Der digitalen Simulation kommt in eigentlich jedem Bereich der Windenergie eine wichtige Rolle zu. Sie spart im Gegenatz zum Prototypenbau und einer a posteriori Steuerungsprogrammierung am Prototyp Zeit und Geld.

Und wo setzen Sie das M1-Automatisierungssystem in der Windenergie noch ein?

Im Wind-Onshore- ebenso wie im -Offshore-Bereich. Weltweit haben wir über 80.000 Windenergieanlagen mit dem Bachmann-M1-Steuerungssystem automatisiert. Moderne Technologien, offene Systeme und effiziente Entwicklungswerkzeuge überzeugen Betreiber, Hersteller und Entwickler von Windkraftanlagen gleichermaßen. Sie nutzen das System als zentrales Element für die Steuerung, Überwachung und Vernetzung ihrer Anlagen. Die mit unseren Lösungen ausgestatteten Windenergieanlagen können bereits heute die Leistung von 20 Atomreaktoren ersetzen.

Welche Trends sehen Sie im Bereich Automatisierung in der Windenergie, wo geht die Reise hin?

Momentan gibt es hier einige Entwicklungen, die uns jetzt schon beschäftigen und künftig immer wichtiger werden: Da wären beispielsweise die intelligente Energieparkvernetzung, aber auch das Thema standardisierte Schnittstellen in der Kommunikation IEC 61400-25. Weitere Punkte sind intelligentes Grid Measurement, integrierte Condition-Monitoring-Systeme sowie rein webbasierte SCADA-Systeme.

Sie sind Aussteller auf der Husum Wind. Was werden wir dort sehen?

Die Highlights auf unserem Messestand zeigen wir Ihnen in drei Schwerpunkten. Zum einen stellen wir vor, was ›echte Web-Technologien‹ und SCADA-Technologien im modernen Windpark ausmachen, wie verschiedene Devices und User-Zugänge mit nur einer Technologie sicher und zuverlässig genutzt werden können und was Park SCADA, Steuerungstechnik und IEC 61400-25 verbindet.

Außerdem können Sie unsere Grid-Measurement-and-Protection-Module sehen. Diese vereinen energieoptimale Lösungen in Produktion, Gebäuden und Infrastruktur sowie eine permanente Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit.

Drittens stellen wir das weltweit erste GL-zertifizierte Condition-Monitoring-System und ein hocheffizientes Remote-Monitoring-System vor. Wir zeigen hier den Unterschied eines praxiserprobten Gesamtsystems im Vergleich zu einer einfachen Sensorklemme.

Erschienen in Ausgabe: 07/2015