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Foto: Wolfgang Weller
Das Haus als Energielieferant mit Kleinwindkraft, Solarthermie und Photovoltaik. 

Autarkie

Unabhängige Stromversorgung: Insellösung mit Kleinwindkraft

Über autarke Inselnetze für Selbstversorger, Kleinwindkraft und Wasserstoff – ein Überblick über die Trends der Energiewende. 

„Dezentrale Inselnetze auf Basis photoelektrischer Stromgewinnung“ lautet ein Kapiteltitel, „Hybride energieautarke Stromversorgungssysteme mit Wasserstofftechnologie“ eine andere Kapitelüberschrift: Wolfgang Weller behandelt in seinem Buch „Stromversorgung aus regenerativen Energien“ spannende Themen. Es ist jetzt im Eigenverlag veröffentlicht worden. Der Autor war langjähriger Lehrstuhlinhaber an der Humboldt-Universität zu Berlin. Gegenwärtig arbeitet er als freier Wissenschaftler. Für unsere Website hat er im Juni 2020 einen zweiteiligen Fachaufsatz  „Vorschlag für ein neues Energiesystem“ mit Wasserstoff und Autarkie geschrieben, der viel Anklang fand. Hier Teil 2. Wir stellen hier als Kostprobe aus seinem Buch das Kapitel „Selbstversorgende Stromnetze mit integrierten Kleinwindkraftanlagen“ vor:

Selbstversorgende Stromnetze mit integrierten Kleinwindkraftanlagen

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.

Dem Strombezug aus Photovoltaikanlagen haftet allerdings der Nachteil an, dass der Energieeintrag erheblichen Schwankungen unterliegt. Gründe dafür sind der Tag-Nachtwechsel mit periodisch wechselnden Anteilen im Rhythmus der Jahreszeiten sowie der Einfluss des Wetters. Dementsprechend 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 ebenfalls variierenden Strombedarfs ist somit – zumindest bei langandauernden Schlechtwetterperioden bzw. in der dunklen Jahreszeit – aus eigenen Mitteln nicht immer zu erreichen.

Für solche Extremfälle war bisher die Möglichkeit der Kopplung der small grids mit dem Öffentlichen Netz vorgesehen worden. Dies bot die Möglichkeit, dass in besonderen Fällen Strom in dieses Netz eingespeist oder in Mangelsituationen auch Elektroenergie von dort bezogen werden kann. Eine vollständige Energieautarkie auf der Basis natürlicher Energiequellen lässt sich jedenfalls auf diese Weise nicht erreichen.

Eine andere Möglichkeit, der wir hier nachgehen wollen, besteht darin, die Stromerzeugung auf der Basis von Photovoltaikanlagen mit der einer anderen regenerativen Energiequelle zu kombinieren, um auf diese Weise eine gleichmäßigere Stromerzeugung zu erlangen. Der Blick fällt dabei auf die Nutzung der Windströmung als einer geeigneten natürlicher Energiequelle.

Sinnfälligkeit des Einsatzes von Kleinwindkraftanlagen

Vergleicht man das Verhalten von Solar- und Windkraftanlagen, so wird ein nahezu gegenläufiges Erzeugerprofil 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. Somit ergeben sich Hybridlösungen. Für den hier vorgesehenen Einsatzfall kommen vor allem Kleinwindkraftanlagen in Betracht.

Der Vorteil solcher Hybridlösungen besteht einerseits in der wesentlich kontinuierlicheren Bereitstellung des selbst erzeugten Ökostroms, indem die Schwankungen der Stromerzeugung aus der Photovoltaikanlage wirksam durch einen zusätzlichen Anteil aus der Windkraftanlage ergänzt werden. Dies reduziert den Bedarf der Inanspruchnahme des Öffentlichen Netzes in Krisenfällen bzw. erhöht den Grad an Eigenautarkie. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den in bestimmten Wetterlagen zu viel erzeugten Ökostrom zu reduzieren, indem der von der Kleinwindkraftanlage erzeugte Anteil durch „aus dem Wind drehen“ dieser Qualle einfach abgeschaltet wird. Damit besteht eine einfache Möglichkeit zur Verhinderung einer Überlastung des Inselnetzes. Dies wiederum reduziert den Bedarf an der bisher notwendigen Kopplungsmöglichkeit mit dem öffentlichen Stromnetz, womit auch ein wesentlicher Schritt zur Erreichung der Energieautarkie geleistet wird.

Beschreibung der Komplettlösung

Gemäß der vom Autor vorgeschlagenen Konzeption wird in die auf Basis erneuerbarer Energien vorgesehenen Insellösungen außer den Komponenten Photovoltaikanlage, Stromspeicher, stationäre und ggfs. auch mobile Verbraucher (Elektromobile, E-Autos) die Integration einer Kleinwindkraftanlage samt Spannungswandlern vorgesehen. Für den Betrieb eines solchen mehrteiligen hybriden Stromversorgungssystems ist ein intelligentes Managementsystem einzurichten, welches entsprechend dem vorliegenden Systemzustand die notwendigen Steuerhandlungen erzeugt, um einerseits eine maximale Nutzung der erzeugten regenerativen Energieeinträge zu ermöglichen. Andererseits ist das Inselnetz auch vor Überlastungen zu schützen, indem vorzugsweise die Windstromquelle abgeschaltet wird, was auf einfache Weise durch „aus dem Wind Drehen“ dieser Anlage ermöglicht werden kann.

Für die Zukunft ist auch daran gedacht, mehrere derartig ausgestattete Inselnetze möglichst unterschiedlicher Art zusammenzuschalten, um innerhalb eines solchen Verbunds zusätzliche Ausgleichsvorgänge zu ermöglichen. Doch darüber finden sich in einem anderen Beitrag nähere Ausführungen.

Übersicht über den Entwicklungsstand von Klein-Windkraftanlagen

Eine den Einsatz von Kleinwindkraftanlagen bestimmende Frage betrifft die kommerzielle Verfügbarkeit solcher Stromquellen. Dazu werden wir nachfolgend einige Ausführungen bieten, in denen mögliche Lösungsvarianten dargelegt und bestehende Bezugsmöglichkeiten aufgezeigt werden.

Zunächst ist festzuhalten, dass es sich bei den Windturbinen um eine uralte Technologie handelt. 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 de prinzipiellen Lösungsmöglichkeiten von kleinen, zur Stromerzeugung geeigneten Windturbinen nachgehen und dabei auch Informationen darüber einholen, wie es um die kommerzielle Verfügbarkeit von Kleinwindkraftanlagen steht.

Dazu verweisen wir auf Angebote, wie sie beispielsweise für Caravans und Yachten benutzt werden.  Für Kleinanlagen kommen vor allem die Bauformen der Horizontalachser in Betracht. Hier kann man auf durchaus geeignete Angebote zurückgreifen. Dazu zählen die dreiflügeligen Ausführungen mit dem Namen AiR BREEZE Land des Herstellers WINDPOWER ENERTEC. Eine andere Ausführung, genannt Breezebraker wird von der Fa. FuSystems Skywind angeboten und besitzt nur zwei Flügel. Weitere kommerzieller Angebote von Kleinwindkraftanlagen findet man im Internet bei Amazon, eBay, Conrad, YouTube u. a. 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. Zu den Leistungsmerkmalen angebotener Kleinwindkraftanlagen gehört zumeist auch ein automatischer Überladungsschutz für die Batterie. Einige Ausführungen verfügen auch über Maßnahmen zur Reduzierung der Geräuschentwicklung.

Die bevorzugte Lösung zur Ergänzung von Photovoltaikanlagen durch landgestützte Kleinwindkraftanlage wird vermutlich die Ausführung mit Horizontal-Rotor sein. Die einfachste Möglichkeit dafür besteht in Installation auf dem Hausdach. Eine Alternative ist die Montage auf einem freistehenden Mast mittlerer Höhe. Einen Eindruck von einer derartigen Hybridanlage vermittelt das Aufmacherbild oben.

Ausführungsbeispiele

Mit dem Einsatz solcher Hybridanlagen in Wohngebäuden kann das prekäre Problem der fluktuierenden Ökostromerzeugung wesentlich entschärft werden. Am Ende könnte sogar noch auf die Anschlussmöglichkeit an das Öffentliche Stromnetz verzichtet werden, sodass die angestrebte Zielstellung der Energieautarkie zunehmend in greifbare Nähe rückt.

Zum anderen würden mit den Hybridsystemen Lösungen entstehen, die eine vergleichsweise sichere Stromversorgung aus regenerativen Quellen selbst in abgeschiedener Lage ermöglichen, wobei auch noch Kosten für die Verlegung eines speziellen Netzzugangs eingespart würden. In diesem Zusammenhang sei noch auf eine vielleicht etwas exotisch anmutende Hybridlösung verwiesen. Hierbei handelt es sich um ein von offenbar mutigen Architekten der Fa.  Nice Architects gestaltetes Ökohaus, das von seinen Schöpfern egg shaped microdwelling genannt wurde. Hier können Sie das Buch wahlweise Print oder als Digitalversion bestellen oder weitere Infos finden. Bleiben Sie auf dem Laufenden, was Entwicklungen der erneuerbaren Energien und der Kleinwindkrafttechnologie betrifft. Abonnieren Sie dazu einfach unseren kostenlosen Newsletter. Hier können Sie sich anmelden.

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Foto: Eigenverlag Das Buch ist im Eigenverlag erschienen.
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