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Die Chancen der Kleinen |
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| Geschrieben von Klaus-Peter Lehmann, Detlef Koenemann | |
| Sonntag, 01 Mai 2005 | |
 So unterschiedlich wie die Technologien sind auch die Einsatzgebiete der kleinen Windkraftanlagen. Weltweit bieten sich Chancen für eine vielfältige Marktentwicklung. Kleine Windkraftanlagen (small wind turbines, SWT) sind über die ganze Welt verbreitet. Sie häufig im Inselbetrieb eingesetzt, wo andere Stromquellen nicht verfügbar sind. Ihre einfache Technologie, ihre leichte Errichtung am Standort und ihre große Anpassungsfähigkeit sind die wesentlichen Vorteile, die für eine weitere Ausbreitung der »Kleinen« erwarten lassen. Der vorherrschende Trend der Windenergienutzung lässt sich leicht beschreiben: Die im industriellen Maßstab genutzten Windenergieanlagen (WEA) werden immer größer. So erreichte die durchschnittliche Leistung der in Deutschland im vergangenen Jahr errichteten WEA bereits fast 1,7 MW. Diese Entwicklung lässt sich auch in anderen Windenergiemärkten beobachten. Dadurch entstand in den vergangenen Jahren eine »Versorgungslücke«: Die großen Hersteller wie Vestas, Gamesa, GE Energy, Siemens, Repower oder Nordex bieten unterhalb von 600 kW keine Windenergieanlagen mehr an. Lediglich Enercon setzte ein Signal gegen den Trend und überarbeitete das Design der E-30, die nun als E-33 mit 300 kW angeboten wird. Auch Fuhrländer mischt im Marktsegment unterhalb von 600 kW noch mit. Generell aber ist das Angebot im Bereich von 100 bis 500 kW sehr überschaubar. Erst unterhalb von 100 kW wächst die Vielfalt. Dieses Marktsegment ist Tummelplatz der kleinen Hersteller. Mehr als 100 Firmen in vielen Ländern, davon allein 30 in China, produzieren kleine Windenergieanlagen. Das Wachstumspotenial der SWT ist enorm. Dennoch wird dieser Markt bisher von nur wenigen Firmen beherrscht. Die mit Abstand größten Hersteller sind Bergey Windpower (USA), Southwest Windpower (USA) und Bornay (Spanien). Klassifizierung Wie lassen sich SWT von den großen WEA abgrenzen? Die Nennleistung ist ein einfaches und brauchbares Kriterium (Tab. 1). Die im industriellen Maßstab gefertigten, in großen Windparks eingesetzten und generell ins Netz der öffentlichen Stromversorgung einspeisenden WEA leisten mindestens 500 kW (Industrie-WEA). SWT leisten zwischen 0,01 und 500 kW. Angesichts der Vielfalt der Technologien, Anwendungen und Kundengruppen empfiehlt es sich, eine weitere Unterteilung vorzunehmen. Eine sinnvolle Klassifizierung ist die Definition von Midi, Mini und Mikro WEA entsprechend der abgestuften Nennleistung. Vertikale und horizontale Achsen Neben einer Vielzahl von Herstellern existieren bei den Klein-WEA auch verschiedene technische Konzepte. Windenergieanlagen mit vertikaler Achse (vertical axis wind turbines, VAWT) gehen auf die ältesten Windräder zurück. Ursprünglich wurden Segel so an der vertikalen Achse befestigt, dass der Druck des Windes die Rotation in Gang setzte. Später wurden die Segel dieses Widerstandsläufers durch Bleche ersetzt. Das Prinzip ist sehr alt, kommt aber in modernisierter Form heute noch zum Einsatz. Der finnische Ingenieur Savonius verbesserte die Konstruktion entscheidend im Jahr 1922. Der maximale aerodynamische Wirkungsgrad dieses Widerstandsläufers erreicht 15%. Eine Reihe von ungewöhnlich gestalteten Savonius-Rotoren bietet die Firma Windside (Finnland) an. 1931 entwickelte der französische Ingenieur George Darrieus einen Vertikalachsenrotor mit gekrümmten, profilierten Rotorblättern, die den Profilauftrieb zur Erzeugung eines Drehmomentes nutzen. Der Wirkungsgrad dieses Auftriebsläufers kann 30 bis 35% erreichen. Der an einen überdimensionalen Schneebesen erinnernde Rotor hat allerdings den Nachteil, dass er bei schwachem Wind nicht selbsttätig anläuft. Eine Sonderform des Darrieus-Prinzips ist der H-Rotor, den die Firma Heidelberg vor einigen Jahren in Deutschland entwickelte und der sich auch an extremen Standorten, zum Beispiel in den Alpen und in der Antarktis bewährte. Heute bietet die Firma Ropatec (Italien) H-Rotoren mit einer Leistung bis 6 kW an. Seit Neuestem befasst sich auch die Hochschule Bremerhaven mit der Verbesserung dieses Konzepts. Der grundlegende Vorteil der VAWT beruht darauf, dass sie nicht in den Wind gedreht werden müssen. Eine Windrichtungsnachführung ist also nicht notwendig. In allen Leistungsklassen vorherrschend sind die Windenergieanlagen mit horizontaler Achse (horizontal axis wind turbines, HAWT). Das Prinzip wurde in Europa erstmals in den bekannten Windmühlen verwirklicht und im 20. Jahrhundert für die elektrische Stromversorgung weiterentwickelt. Den größten Beitrag zur Weitentwicklung leisteten dänische Ingenieure, die in den 1980-er Jahren eine Standard-WEA mit Dreiblattrotor und 55 kW Leistung entwickelten. Dieser Anlagentyp wurde als erster in großen Stückzahlen produziert und begründete das »Dänische Prinzip« - der Ausgangspunkt für die Entwicklung der großen WEA, die heute Nennleistungen bis 5 MW erreichen. HAWT sind Auftriebsläufer. Sie erreichen maximal etwa 40% Wirkungsgrad und kommen als Leeläufer und Luvläufer auf den Markt. Luvläufer drehen ihren Rotor in den Wind - entweder aktiv (Azimutantrieb) oder passiv (Windfahne). Bei Leeläufern ist der Rotor »hinter dem Mast« angebracht, die Anlage stellt sich somit selbsttätig auf die Windrichtung ein. Die meisten HAWT sind mit einem direkt angetriebenen Generator ausgerüstet. Nur wenige verfügen über ein Getriebe, um den Generator auf eine höhere Drehzahl zu bringen. Vielfältiger Bedarf Im Prinzip besteht überall dort ein Bedarf an SWT, wo keine elektrische Stromversorgung vorhanden ist - das kann im Flachland sein oder im Gebirge, in der Wüste oder der Antarktis, auf Schiffen oder auf Offshore-Plattformen. In entlegenen Gebieten stellen SWT oftmals die einzige Möglichkeit für eine schnelle und unkomplizierte Stromversorgung dar. Dies vor allem, wenn es die Verkehrswege nicht erlauben, schwere Komponenten zum Standort zu transportieren. Ein weiterer Vorteil: SWT können durch lokale Fachkräfte produziert, transportiert, aufgestellt und betrieben werden. Dadurch können die kleinen Windenergieanlagen zu einer nachhaltigen Wertschöpfung im regionalen Maßstab beitragen, die Kostenvorteile einer lokalen Produktion können insbesondere in Schwellenländern voll genutzt werden. Die Kombination mit Wasserkraft sowie Photovoltaik- und Dieselgeneratoren verbessert die Versorgungssicherheit. Darüber hinaus erhöht sich die Verfügbarkeit des Systems, wenn z.B. zehn Anlagen mit 10 kW statt einer mit 100 kW installiert werden. Zahlreiche Markthemmnisse In vielen Märkten gibt es heutzutage vergleichsweise klare Vorgaben zur Genehmigung und zum Betrieb großer Windenergieanlagen. Derzeit gehen jährlich rund 8.000 MW weltweit ans Netz. Wesentlich stärker begrenzt sind die Möglichkeiten der SWT. Die relativ hohen Investitionskosten bremsen die Ausbreitung vor allem in Schwellenländern, denn 3.000 €/kW (z.B. für eine SWT mit 10 kW) sind dort oft nicht leicht zu finanzieren. Als hemmend wirkt sich auch die Tatsache aus, dass in der Regel weder die Windgeschwindigkeit am Standort noch die Leistungskurve der SWT genau genug bekannt sind, um den zu erwartenden Ertrag berechnen zu können. Die noch immer unbefriedigende Marktdurchdringung hängt auch damit zusammen, dass SWT in vielen Fällen vor vornherein nicht als mögliche Stromquelle in Betracht gezogen werden - entweder weil die Kenntnisse fehlen oder weil Fachkräfte nicht vorhanden sind. Häufig werden auch die Möglichkeiten unterschätzt, die sich durch Windenergienutzung im kleinen Maßstab eröffnen. Die internationalen Förderprogramme für ländliche Elektrifizierung werden noch immer von Photovoltaiksystemen beherrscht, obwohl Hybridsysteme oder reine Windenergieysysteme häufig eine gleichwertige Lösung darstellen könnten. In Stadtgebieten stehen der Windenergienutzung zusätzliche Hemmnissen gegenüber. Sie werden oftmals schlicht und einfach als Sicherheitsrisiko angesehen. Geräuschentwicklung, visuelle Beeinträchtigung und Schattenwurf werden ebenfalls ins Feld geführt, um die Installation der SWT in dichter besiedelten Gebieten zu verhindern. Das Spektrum der Einsatzgebiete Die Einsatzgebiete sind vielfältig. SWT können direkt ins Netz einspeisen oder Batterien aufladen, sie können Wasserpumpen betreiben oder in Verbindung mit anderen regenerativen Energiequellen Inselsysteme versorgen. Im Allgemeinen bieten SWT mit mehr als 10 kW Leistung die Möglichkeit der Netzeinspeisung. Kleinere Anlagen kommen meist als autonome Systeme mit Energiespeicher zum Einsatz. SWT können die Stromversorgung von keinen Fabriken unterstützen. Zahlreiche Beispiele hierfür findet man in Indien. Im Idealfall kann die Windenergie nicht nur dann »eingreifen«, wenn der Strom ausfällt, sondern auch dann, wenn aufgrund der Produktion Lastspitzen auftreten. Der gewerbliche Einsatz der SWT kann aber auch auf einen Imageeffekt abzielen. Wenn kleine Windenergieanlagen neben Fabriken, Autobahnraststätten oder Einkaufszentren stehen, dann hat dies oftmals den Zweck, die ökologische Ausrichtung des Unternehmens zu demonstrieren. Eine genauere Betrachtung der bereits etablierten Märkte und der noch zu erschließenden Potenziale verschafft einen Überblick über die Möglichkeiten dieser Technologie (Tab. 2). Auch die kleine Windenergienutzung kann somit einen wichtigen Beitrag zur Stromversorgung leisten. Klaus-Peter Lehmann Detlef Koenemann Dr. Detlef Koenemann, SW&W-Redakteur, schrieb diesen Beitrag zusammen mit dem SW&W-Autor Klaus-Peter Lehmann für die Mai-Ausgabe der Sonne Wind & Wärme. Weitere Infos über das Montagsmagazin: www.sonnewindwaerme.de Foto: Aventa - Gewerbliche Nutzung: Aventa (6,5 kW) auf einem Getreidespeicher in Marthalen (Schweiz) |
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