12.05.2018
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Fachaufsatz

Kombination von Photovoltaik- und Kleinwindkraftanlagen zur Realisierung energieautarker Wohneinheiten

Bei der Stromversorgung unter Verwendung natürlicher Energiequellen dominiert der Einsatz der Solartechnologie. Kombiniert man diese mit Kleinwindkraft, entsteht eine Hybridlösung. Diesen Schritt in Richtung Energieautarkie erklärt Prof. Dr. W. Weller in diesem Fachaufsatz.

Kleinwind auf dem Land
Kleinwind auf dem Land - Die Kleinwindanlage Windspot leistet bis zu 3,5 Kilowatt.
Die Kleinwindanlage Windspot leistet bis zu 3,5 Kilowatt.
Foto: Hermann Popko GmbH

Bei der Stromversorgung von Eigenheimen, Wohnanlagen und sonstigen Gebäuden unter Verwendung natürlicher Energiequellen dominiert der Einsatz der Solartechnologie bei weitem. Die dafür eingesetzten Photovoltaikanlagen sind inzwischen recht kostengünstig beziehbar und können sogar nachträglich mit vergleichsweise geringem Aufwand in bestehende Gebäude integriert werden. Den Solaranlagen haftet allerdings der Nachteil an, dass der Energieeintrag erheblichen Schwankungen unterliegt. Als wesentliche Einflussfaktoren gelten vor allem die Wetterabhängigkeit sowie die von der Jahreszeit bestimmte zyklisch wechselnde Tageslänge. Dabei kann es phasenweise sowohl zu einem Überangebot als auch Defizit an Solarstrom kommen. Dieses Missverhältnis ist auch durch die Pufferung mittels hauseigenem Stromspeicher nicht vollständig ausgleichbar. Eine durchgängige Deckung des Strombedarfs ist somit – zumindest bei langandauernden Schlechtwetterperioden bzw. in der dunklen Jahreszeit – aus eigenen Mitteln nicht immer zu erreichen. Zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit in Schlechtwetterperioden bzw. Ableitung überschüssigen Solarstroms müssen daher externe Maßnahmen herangezogen werden. Diese bestehen zumeist in der Kopplungsmöglichkeit mit dem Öffentlichen Stromnetz, in das in besonderen Fällen Strom eingespeist oder solcher von dort bezogen wird. Eine vollständige Energieautarkie auf der Basis natürlicher Energiequellen lässt sich jedenfalls auf diese Weise nicht erreichen. Schaut man nach Möglichkeiten um, dieses Ziel dennoch zur erreichen, so fällt der Blick auf die Nutzung der Windströmung als weiterer natürlicher Energiequelle. Die Umsetzung dieser Energieform in elektrischen Strom erfolgt bisher weitgehend in Windkraft-Großanlagen, wobei die Leistungsspitze solcher Kraftwerke sich inzwischen der Marke von 10 MW pro Einheit nähert. Die beständig erweiterte Aufstellung solcher Kraftwerke vor allem in den windstarken Küstenregionen und Gebirgsgegenden führt dazu, dass die aus Windkraft gewonnene Gesamtleistung inzwischen den
höchsten Anteil an Ökostrom liefert. Für Übertragung der gewonnen Energie von den ergiebigsten Standorten der Gewinnung zu denen des Verbrauchs werden dann allerdings sog, Stromautobahnen benötigt, deren Errichtung nicht nur kostspielig, sondern auch mit Problemen belastet ist. Außer den zur Windstromerzeugung eingesetzten Großkraftwerken gibt es noch Klein-Windkraftanlangen, deren bescheidene Verwendung sich zumeist auf mobile Anwendungen beschränkt.

Vergleich Erzeugung Solar- und Windkraft

Vergleicht man die Leistungserzeugung von Solar- und Windkraftanlagen, so wird ein nahezu
gegenläufiges Verhalten deutlich. Während Photovoltaikanlagen in den Nachtstunden sowie in
Schlechtwetterperioden kaum Strom liefern, laufen die Windkraftanlagen zumeist gerade dann auf
Hochtouren. Was liegt also näher, die Stromerzeugung auf Grundlage von Photovoltaikanlagen mit
der aus Windkraftanlagen zu kombinieren. Daraus entstehen dann Hybridlösungen, die eine wesentlich
kontinuierlichere Bereitstellung von Ökostrom versprechen.

Die Umsetzung dieser Erkenntnis erfordert somit die Ergänzung der bisher solaren gespeisten
Stromerzeugungsanlagen entsprechend den hier betrachteten Wohnanlagen durch geeignete Klein-
Windkraftanlagen. Die Mobilisierung dieser zweiten natürlichen Energiequelle ermöglicht dann einen
weitgehenden Ausgleich der Schwankungen der Stromerzeugung aus der Photovoltaikanlage, sodass
ein kontinuierlicheres Stromangebot erreicht wird. Windkraftanlagen können außerdem
vergleichsweise einfach abgeschaltet werden. Diese Möglichkeit kann dann zur Bewältigung von
Überschüssen an Ökostrom etwa bei dauerhaft strahlender Sonne oder auch kräftigem Wind genutzt
werden, um eine Überlastung des Inselnetzes zu verhindern. Somit besteht auch die Aussicht auf den
Verzicht auf die bisher notwendige Kopplung mit dem öffentlichen Stromnetz, womit ein wesentlicher
Schritt zur Erreichung der Energieautarkie geleistet würde.

Die Idee der Kombination von Solaranlagen und Windkraftwerken zu hybriden
Energieerzeugungsanlagen ist vielleicht nicht ganz neu. Entsprechende Realisierungen sind bisher
jedoch nur vereinzelt anzutreffen. Diese Zurückhaltung mag neben den zusätzlich aufzubringenden
Anschaffungskosten möglicherweise an der verbreiteten Unkenntnis hinsichtlich der Verfügbarkeit
brauchbarer Klein-Windkraftanlagen liegen. Dem wollen wir entgegenwirken, indem mögliche
Lösungsvarianten dargelegt und bestehende Bezugsmöglichkeiten aufgezeigt werden. Damit soll dann
der Ausbau vorhandener Solaranlagen bzw. Neubau hybrider Energieversorgungsanlagen aus
natürlichen Quellen befördert werden.

 - Vertikalachser auf dem Eiffelturm.
Vertikalachser auf dem Eiffelturm.
Foto: UGE

Horizontalachser und Vertikalachser

Übersicht über den Entwicklungsstand von Klein-Windkraftanlagen Windkraftturbinen wurden bereits seit weit zurückliegenden Zeiten als Antriebsquelle genutzt. Im
Verlauf ihrer langen Geschichte wurden viele Wirkprinzipien zur Erzeugung mechanischer Leistung aus der freien Windströmung ersonnen, die zu ganz unterschiedlichen Bauformen der Turbinen führten. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal betrifft die Lage der Drehachse. Danach kann zwischen Horizontalachs- und Vertikalachs- Windturbinen unterschieden werden. Darüber soll zunächst ein grober Überblick gegeben werden. Zur Beförderung der Umsetzung der Idee hybrider Lösungen für Wohnanlagen werden wir zunächst der prinzipiellen Lösungsmöglichkeiten von kleinen, zur Stromerzeugung geeigneten Windturbinen nachgehen und dabei auch Informationen darüber einholen, wie es um die kommerzielle Verfügbarkeit von Kleinwindkraftanlagen steht.

Bauformen von Windturbinen

Wir beginnen mit den Windkraftanlagen, bei denen sich ein zumeist dreiflügeliger Rotor um
eine horizontale Achse dreht, weil dieser Typ angesichts der inzwischen vielerorts sichtbaren
Windkraftanlagen wohl am ehesten unserer Vorstellung von Windturbinen entspricht. Hierbei
handelt es sich um Großanlagen, deren Bild geprägt ist von Rotoren mit überlangen Flügeln,
die sich um eine horizontal ausgerichtete Achse drehen, und an der Spitze von oft über 100m
hohen Masten in Gondeln befindliche Generatoren zur Stromerzeugung antreiben. Diese
erzeugen Leistungen in der Größenordnung von Kraftwerken, deren Spitzenwert inzwischen
bei der Marke 10 MW Nennleistung pro Einheit liegt.
Windkraftwerke dieser Art sind nicht nur der Dimension wegen für unsere Zwecke völlig
ungeeignet. Was hier benötigt wird sind Klein-Windkraftanlagen, die speziellen
Anforderungen genügen. Sucht man in dieser Richtung, so trifft man auf ein überraschend
großes Angebot. Eine gute Übersicht findet sich in [1] bzw. [2].

Eine wesentliche Eigenschaft von Horizontalachs-Windgeneratoren, die den Groß- wie
Kleinanlagen gemeinsam ist, besteht darin, dass die Gondeln mit samt ihren Einrichtungen um
die Hochachse drehbar gelagert sind. Dies ermöglicht einerseits die Ausrichtung des
Windkraftwerks in die jeweils bestehende Windrichtung, um so den optimalen
Leistungsgewinn zu erzielen. Die einfacheren Systeme drehen sich mit Hilfe einer sog. Fahne
von selbst in die aktuelle Strömungsrichtung. Anspruchsvollere Systeme verfügen dazu über
eine automatische Steuerung, die eine beständige Ausrichtung auf die optimale Windrichtung
vornimmt. Fast ebenso wichtig ist aber auch die Möglichkeit, die Rotoren bei Bedarf „aus dem
Wind“ zu drehen und damit die aus Windkraft erzeugte Leistung abzuschalten.
Der Ursprung für die Entwicklung von Klein-Windkraftanlagen liegt wohl im mobilen
Bereich. Hier hat die Industrie den Benutzern von Yachten und Caravans beizeiten Anlagen
zur Verfügung gestellt, die den dort benötigten Strom unter Nutzung der Windströmung
liefern. Anlagen dieser Art bilden eine eigenständige Kategorie mit der Zusatzbezeichnung
„Marine“. Das Lösungsangebot wurde inzwischen erweitert, sodass auch Klein-
Windkraftanlagen speziell für den landgestützten Betrieb (Zusatzbezeichnung „Land“) im
Angebot stehen.

Reduzierung der Geräuschentwicklung

Die zur Verfügung stehenden Ausführungen der Kleinwindkraftanlagen des Typs
Horizontalachs-Turbinen weisen eine gedrungene Bauweise auf, verfügen gegenüber den
Großanlagen über wesentlich verkürzte Rotoren, sind robust ausgeführt und preiswert in der
Anschaffung. Zu den Leistungsmerkmalen angebotener Kleinwindkraftanlagen gehört zumeist
auch ein automatischer Überladungsschutz für die Batterie. Einige Ausführungen verfügen
auch über Maßnahmen zur Reduzierung der Geräuschentwicklung.
Zur Veranschaulichung typischer Bauformen sollen hier zwei Beispiele kommerziell
verfügbarer, für den Landeinsatz bestimmter Kleinwindkraftanlagen angegeben werden.
Hierbei handelt es sich einerseits um das dreiflügelige Produkt AiR BREEZE land des
Herstellers WINDPOWER ENERTEC[3]. Das andere Beispiel betrifft eine Breezebraker genannte
Ausführung mit zwei Flügeln der Fa. FuSystems Skywind [4].

Bei Recherchen im Internet stößt man unter dem Stichwort „Kleinwindkraftanlagen“ bei den
in diesem Medium tätigen Internethändlern, wie Amazon, eBay, conrad, youtube u. a., auf
eine breite Palette von kommerziellen Angeboten von Produkten der hier interessierenden Art
mit diversen Angaben zur Leistung, speziellen Ausstattung und den Preisen. Wie dort zu
entnehmen ist, liegt die Leistungsspanne der angebotenen Kleinwindkraftanlagen im Bereich
von einigen hundert Watt bis zu mehreren kW. Die Preise variieren zwischen 600 und 2.000 €.
Unter den Angeboten finden sich auch Komplettlösungen in Kombination mit
Photovoltaikanlagen. Die offerierten Kleinwindkraftanlagen liefern üblicherweise eine
Gleichspannung von wahlweise 12 oder 24 V. Damit sind diese für den gemeinschaftlichen
Betrieb mit Photovoltaikanlagen und Stromspeichern kompatibel. Für den Hausbetrieb wird
jedoch eine Wechselspannung von 230 V benötigt, sodass für die Umsetzung noch ein
Wechselrichter benötigt wird. Es gibt aber auch Angebote, die sofort eine Wechselspannung
Kombination dieses Potenzials liefern.

Eine weitere, wenn auch weitaus weniger bekannte Bauform von Windturbinen ist dadurch
gekennzeichnet, dass sich der Rotor um eine vertikal gerichtete Achse dreht, weshalb diese
Bauform Vertikalrotor-Windturbinen, abgekürzt VAWTs (Vertical Axis Wind Turbines),
genannt wird. Dieser Typus ist historisch gesehen sogar wesentlich älter, wie technische
Lösungen dieser Art aus dem alten China und Persien belegen. Die seinerzeit vorherrschenden
Ausführungen besaßen mehrere um die Rotationsachse angeordnete paddelartige Körper, die
von der Windströmung angetrieben wurden. Solche Anlagen wurden damals vor allem zum
Betreiben von Windmühlen genutzt. In heutiger Zeit findet man diese Lösung in
abgewandelter Form in den Schalenkreuz-Anemometern wieder, welche zur Messung der
Windstärke benutzt werden. In diesem Fall sind die der Windströmung ausgesetzten Körper
durch hohle Halbkugeln ersetzt. Das Interesse an Vertikalachs-Windturbinen hat sich
inzwischen wiederbelebt und zur Entwicklung verschiedenartiger neuartiger technischer
Lösungen geführt. Diese beruhen im Kern auf zwei unterschiedlichen Wirkprinzipien [5].
Die eine Kategorie bilden die sog. Widerstandsläufer. Diese enthalten gebogene und bis in die
Nähe der Rotationsachse reichende schaufelartige Flächen. An diesen entsteht durch die
Anströmung ein Staudruck, der eine radial wirkende Kraft erzeugt und damit ein Drehmoment
bewirkt. Die Kraftwirkung ist bei stehendem Rotor am größten und reduziert sich mit
zunehmender Rotationsgeschwindigkeit. Dementsprechend sind die auf dem Wirkprinzip des
Strömungswiderstandes beruhenden Vertikalachs-Rotoren ausgesprochene Langsamläufer und
sind daher hauptsächlich für den Einsatz in Schwachwindgebieten geeignet.
Bei der als Savonius-Rotor bezeichneten Variante finden einander gegenüberstehende
gebogene Schaufeln als Widerstandskörper Verwendung, die bis in die Nähe der
Rotationsachse reichen. Dabei können auch mehrere Schaufeln angeordnet sein. Im Extremfall
können ähnlich einem Querstromventilator viele am Umfang verteilte Schaufeln vorhanden
sein. Eine besonders eindrucksvolle Version sind verdrillte Savonius-Rotoren in Helix-Form
[5].

Auftriebsläufer aus der Luftfahrttechnik

Die zweite wesentliche Kategorie von Vertikal-Rotoren sind die sog. Auftriebsläufer. Die
bekannteste Anwendung des Auftriebsprinzips findet sich in der Luftfahrttechnik. Dort macht
man sich zunutze, dass bei der Anströmung geeignet profilierter Tragflächen nach oben
gerichtete Kräfte erzeugt werden, die zur Kompensation des Eigengewichts von Flugzeugen
dienen und diese somit in der Luft halten.

Nach diesen Vorbemerkungen können wir uns die durch Windströmung angetriebenen
Auftriebsläufer als eine rotatorische Variante des Tragflügels vorstellen. Dazu hat der Erfinder
Georges Darrieus vor ca. 100 Jahren verschiedene technische Lösungen entwickelt. Bei
diesen finden mehrere um die (vertikale) Rotationsachse verteilte tragflächen-ähnlich
profilierte Auftriebskörper verschiedener Art Verwendung. Durch die Umströmung dieser
Körper entsteht auf der Vorderseite ein Sog, dem an der Rückseite ein leichter Überdruck
gegenübersteht. Aus der auf diese Weise erzeugten Druckdifferenz resultiert eine senkrecht
zum Flügel gerichtete Kraft, die infolge der Anordnung der Flügel radial gerichtet ist und
insgesamt ein nutzbares Drehmoment liefert. Dieses Moment ist umso größer, je stärker die
Anströmung ist. Darrieus-Rotoren sind daher ausgesprochene Schnellläufer mit
vergleichsweise hohem Wirkungsgrad. Wegen des geringen Drehmoments im Stillstand kann
es allerdings zu Anlaufproblemen kommen, die jedoch beherrschbar sind. Auftriebsläufer
wurden in verschiedenen Bauformen entwickelt, unter denen insbesondere die O-, H- und
Helix-Form zu nennen sind [6].

Vertikalachs-Rotoren verfügen gegenüber den klassischen Windkraftanlagen in
horizontalachsiger Ausführung über andersartige Eigenschaften. Dazu zählen vor allem die
Robustheit der Windkraftanlagen gegenüber wechselnden Windstärken sowie die
Unabhängigkeit des Betriebs von der jeweiligen Windrichtung. Damit entfällt zwar der
ansonsten nötige Aufwand zur Ausrichtung der Windkraftanlage in die jeweilige
Strömungsrichtung. Andererseits gibt es keine einfache Möglichkeit der Abschaltung wie das
ansonsten übliche Aus-dem-Winddrehen zum Schutz in Starkwindsituationen sowie bei
Stromüberschuss. Weitere Nachteile sind neben der geringeren Leistungsausbeute der
Widerstandsläufer die bestehende Schwingungsneigung der Auftriebsrotoren sowie ein
besonders bei verdrillten Rotoren vorhandenes pulsierendes Drehmoment.
Häufig werden die Wirkprinzipien nach Darrieus und Savonius vereint, um die jeweiligen
Vorteile zusammenzuführen. Auf diese Weise entstehen dann kombinierte Darrieus-
Savonius-Turbinen.
Im Ergebnis der Recherche lässt sich feststellen, dass für die verschiedenen Bauarten von
Vertikalachs-Windturbinen durchaus für unsere Zwecke geeignete kommerzielle Angebote
bestehen, auch wenn diese im Vergleich zu dem der Kleinwindkraftanlagen mit horizontaler
Achse weniger reichhaltig sind.

Ausblick

Die vorstehenden Ausführungen mögen dem Leser einerseits ein Bild von der Nützlichkeit des
zusätzlichen Einsatzes einer Klein-Windkraftanlage als zweiter regenerativer Energiequelle vermittelt
haben. Zum anderen konnte gezeigt werden, dass auch bei der Realisierung der Zusatzausrüstung auf
eine vielleicht überraschende Vielfalt von kommerziellen Angeboten an Kleinwindturbinen
unterschiedlichster Bauform zurückgegriffen werden kann. Dabei halten sich auch die Kosten für
solche Kleinanlagen in moderatem Rahmen. Somit bestehen sowohl von technischer als auch
kommerzieller Seite bereits jetzt vergleichsweise gute Voraussetzungen für die Realisierung hybrider
Energieanlagen der hier betrachteten Art.

Was derzeit noch fehlt, ist die Bereitstellung eines rechnergestützten Energiemanagements, welches
im Sinne von smart control die Stromerzeugung aus beiden regenerativen Quellen mit der
Stromspeicherung auf intelligente Weise miteinander verknüpft. Darauf basierend könnte dann die
Entwicklung von Komplettlösungen für derartige hybride Energiesysteme auf Ökobasis erfolgen,
deren Aufgabe sich zweckmäßig Klein- bzw. Mittelständische Unternehmen widmen sollten. Auch
Architekten fänden ein interessantes Betätigungsfeld mit der Erarbeitung von Vorschlägen für die
Integration von Windkraftanlagen in Gebäudeensembles. So bieten beispielsweise Windturbinen vom
Typ Vertikalrotor, die es in verschiedenen Varianten gibt, durchaus Lösungen, die sowohl
funktionellen wie auch ästhetischen Ansprüchen genügen.
Am Beginn des erwarteten vermehrten Einsatzes hybrider Ökosysteme wird voraussichtlich die
Ergänzung durch eine landgestützte Kleinwindkraftanlage mit Horizontal-Rotor stehen.

Darrieus-Rotor in Schneebesen-Form

Die Aufstellung dieses Kleinkraftwerks [6] kann entweder auf dem Dach von Wohnanlagen oder auch
freistehend auf einem Mast mittlerer Höhe über ein kurzes Standrohr erfolgen. Mit dem Einsatz von Hybridanlagen
in Wohngebäuden kann das prekäre Problem der fluktuierenden
Ökostromerzeugung wesentlich entschärft werden. Damit rückt die angestrebte Zielstellung der
Energieautarkie zunehmend in greifbare Nähe. Wer dann sein Wohneigentum vielleicht mit einer
Windturbine spektakulärer Bauart ausrüstet, gibt seinen Fortschrittsglauben zu erkennen und erwirbt
somit Sozialprestige.

Beim Einsatz solcher Hybridanlagen mit ausschließlich ökologischen Quellen kann womöglich sogar
auf den Zugriff auf das Öffentliche Stromnetz zur Bewältigung von Extremfällen verzichtet werden.
Dies wiederum würde den Einsatz solcher Insellösungen in Gebäuden in abgeschiedener Lage
ermöglichen und dabei Kosten für die spezielle Verlegung eines Netzzugangs einsparen. Dazu sei
beispielhaft auf eine vielleicht etwas exotisch anmutende Hybridlösung verwiesen. Hierbei handelt
es sich um ein von seinen Schöpfern, den Nice Architects, „egg shaped
microdwelling“ genanntes Ökohaus [7].

Wohneinheiten dieses Typs könntne bei der Erforschung oder auch der Erstbesiedelung bisher
unbekannter Gebiete nützlich sein. Wie ersichtlich, enthält die offenbar von mutigen Architekten
gestaltete Wohneinheit neben einer in das Dach eingebetteten Photovoltaikanlage auch eine
dreiflügelige Klein-Windkraftanlage mit horizontaler Drehachse. Eine solche Lösung könnte dann per
Hubschrauber in einer abgelegenen Gegend abgesetzt worden sein. Mit Rädern ausgestattet wäre aber
auch ein mobiler Einsatz denkbar.
Der Einsatz zusätzlicher Windkraftanlagen kann auch im städtebaulichen Rahmen von Interesse sein.
Hier tut sich für Stadtplaner und Architekten ein breites noch unausgeschöpftes Wirkungsfeld auf.
Abschließend sei noch darauf verwiesen, dass bei Beteiligung einer möglichst großen Anzahl von
Wohnanlagen, die mit Hybridanlagen ausgestattet sind, ein wesentlicher Beitrag zur Erreichung der
Klimaziele geleistet werden könnte.

Autor: Prof. Dr. W. Weller

Literatur


[1] Jütemann, P.: Wegweiser Kleinwindkraftanlagen. E-Book
[2] Kleinwind-Marktreport 2018., gratis
[3] TRADEWINDS & WINDPOWER ENERTEC, Postfach 1251, 82168 Puchheim
[4] FuSystems SkyWind GmbH, Bayernstraße 3, 30855 Langenhagen
[5] Schulz, H.: Der Savonius-Rotor. Ökobuch, Staufen 2002, ISBN 3-922964-48-6
[6] Gasch, R.: Windkraftanlagen .Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb. Hrsg. Twele, J., 8. Aufl.
Springer 2013, ISBN 3-8348-0693-5
[7] Nice Architects, Parkhill Zlta 22/6, Bratislava Slovakia

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1 Kommentar zu "Kombination von Photovoltaik- und Kleinwindkraftanlagen zur Realisierung energieautarker Wohneinheiten "

  1. Herbert Schwartz - 22.05.2018, 06:01 Uhr (Kommentar melden)

    Der Artikel weckt falsche Hoffnungen. Bei heute üblichen Nabenhöhen großer Windkraftanlagen ist zwar tatsächlich das Windangebot nachts größer als tagsüber, in Bodennähe ist dies jedoch umgekehrt. Hier herrscht tagsüber im Mittel mehr Wind als nachts. Die behauptete gegenseitige Ergänzung von Wind- und Solarenergie findet also nicht in diesem Maße statt.

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