Die Wind-Werkstatt

In Zukunft werden ungeheure Mengen an erneuerbaren Strom benötigt, um die Energiewende zu meistern. Jede dezentral und regenertiv erzeugte Kilowattstunde spart nicht nur klimaschädliches CO² ein, sondern wirkt auch entlastend auf Stromnetze, Rohstoffabhängigkeiten, Ungleichverteilungen und die vielen damit verbundenen Konflikte.

Während im Sommer über die vielen privaten Solaranlagen und Balkonkraftwerke bereits ein großer Teil des eigenen Stroms erzeugt werden kann, bricht im Winter der Ertrag extrem stark ein. Gerade dann, wenn besonders viel Energie für Licht und Heizung (z.B. über Wärmepumpen) benötigt wird. Hier können Kleinwindanlagen als iedale Ergänzung zu einer deutlichen Verbesserung der Autarkie beitragen und wertvolle Potentiale erschließen. Vor allem, weil die Installation von Micro-Windturbinen aufgrund ihrer geringen Größe relativ einfach ist, und somit in unzähligen Wind-Nischen zum Einsatz kommen können. 

Nachdem immer mehr Solaranlagen mit Stromspeichern betrieben werden, wird der Einsatz von Kleinwindanlagen auch finanziell immer interessanter, da nicht mehr zu Billig-Preisen eingespeist werden muss, sondern der selbst erzeugte Strom auch selbst verbraucht bzw. zwischengespeichert werden kann. Mit den zukünftigen (und längst fälligen) Möglichkeiten eines intelligenten Netzes (Smart Grid) kommen weitere finanzielle Anreize hinzu, indem mit dem eigenen Strom gehandelt werden kann.

Sobald es also gelingt Micro-Windanlagen auf den Markt zu bringen, die vor allem im böig-windschwachen Binnenland zuverlässig, leise und günstig Strom erzeugen, könnten diese in großen Stückzahlen den Sprung in die Gärten, Dächer, Car-Ports, Wiesen oder Scheunen schaffen, um ihre 'solaren Kollegen' synergetisch zu unterstützen.

Kleinwindanlagen lohnen sich immer dann, wenn 

• es um möglichst große Autarkie geht - d.h. in abgelegenen Regionen ohne Netzanschluss wie auf Booten, Wohnmobilen oder Ferienhäuser.
• die Wind-Lage einigermaßen gut ist - d.h. ab einem Jahresmittelwind von 3,5 m/s und ohne große Hindernisse vor und hinter der Windturbine in größerem Abstand. 
• wenn es um die Entlastung der Umwelt durch sauberen Strom geht, solange die Windanlage "fehlerfrei" konstruiert, lange haltbar und recyclebar ist.

Rein energetisch und auch finanziell betrachtet lohnt sich ein Solarmodul i.d.R. allerdings mehr als eine Kleinwindanlage, da 1m² Fotovoltaikfläche über das Jahr gesehen im Mittel etwa doppelt so viel Energie erzeugt, wie eine (gute) Microwindturbine mit 1m² Rotorfläche (sehr stark abhängig vom Aufstellort).

Wem es also um reine Wirtschaftlichkeit und Zweckmäßigkeit geht (Plug & Play) ist mit einer Solaranlage oder einem Balkonkraftwerk auf jeden Fall besser beraten. Sie sollten ohnehin als wirtschaftliche Basis-Energiequelle wo immer es möglich ist zum Einsatz kommen.

Wer darüber hinaus aber noch mehr für seine persönliche Energiewende tun möchte, möglichst autark sein will und Spaß an der Technik hat, kann mit einer Kleinwindanlage nochmal einiges an Mehrwert herausholen - vor allem für den Winter.

Denn ein Windgenerator erzeugt zwar (abgesehen von besten Windlagen) nicht ganz so viel Energie, dafür aber sehr viel zusätzliche Synergie, wenn die Sonne einmal nicht scheint und die Solaranlage mit Speicher ohnehin schon installiert ist:

• - im Winter lädt er den tendenziell leeren Speicher gerade dann, wenn sehr viel Strom für Licht und Wärme benötigt wird.
• - er führt zu einer besseren Ausnutzung des teuren Speichers und erhöht dessen Lebensdauer, weil leere Akkus schneller altern.
• - er erhöht die Autarkie (inbesondere nachts), so dass seltener teurer Netzstrom benötigt wird.
• - er schont über viele Jahre die Umwelt, weil die Stromerzeugung mit einer Windturbine (besonders aus Holz) eine der saubersten Möglichkeiten der Stromgewinnung darstellt.

Dazu ist jede rotierende Kleinwindanlage ein besonderer Blickfang mit großer Reichweite, die andere motvieren kann, ebenfalls neue Wege in der Energiewende zu gehen.

Weil Holz einer der umweltfreundlichsten Werkstoffe ist und CO² über lange Zeit bindet. Dazu ist es als Ausgangsmaterial sehr preisgünstig und in seinen Festigkeits-Eigenschaften ziemlich ideal. Dazu hat es hohe optische Qualitäten und eine lange Lebensdauer, sofern auf eine wetterfeste Konstruktion geachtet wird.

Es gibt kaum eine sauberere Möglichkeit erneuerbaren Strom zu erzeugen, da das Verhältnis der Herstellungsenergie zur erzeugten Energie über die Lebenszeit sehr klein, und die Recyclefähigkeit sehr hoch ist.

Nur wenn es lang anhaltender Staunässe ausgesetzt ist. Die hier konzipierte Windturbine hat nur schräge und runde Oberflächen, an denen der Regen sehr schnell wieder abtropfen kann. Dazu führen die häufigen Drehbewegungen (Schleudereffekt) und die windexponierte Lage zu einer sehr schnellen Abtrocknung. Bisherige Versuche eines selten geölten Rotors über 8 Jahre in der Witterung haben noch keine wesentlichen strukturellen Schäden am Holz gezeigt.

Es gibt bereits sehr hochwertige und ausgereifte Anlagen auf dem Markt, die häufig im marinen Bereich eingesetzt werden. Sie sind äußerst robust, sehr leise, haben hochwertige Regler und bringen damit große Leistung wenn der Wind ordentlich weht. Bei Preisen jenseits von 2000 Euro ist jedoch oft keinerlei Wirtschaftlichkeit mehr gegeben, wenn es nicht um reine Autarkie geht, wie beispielsweise auf Segelbooten. Durch ihre schwere Bauweise mit industriell gewickelten Eisenkerngeneratoren eignen sie sich auch eher für Starkwindgebiete und weniger für das böige Binnenland.

Die Lösung:

Um Kosten zu reduzieren, müssen Abstriche im Bereich der großen Windstärken gemacht werden und der Schwerpunkt im Leichtwindbereich gesetzt werden. Da an Land die überwiegende Zeit schwache, mittlere und böige Winde vorherrschen, sind die damit verbundenen Starkwind-Verluste nicht all zu groß und können zum großen Teil ausgeglichen werden. Vor allem die Verwendung eines eisenlosen (Scheiben-)Generators ermöglicht geringere Baukosten und bessere Schwachwindeigenschaften.

Zur Leistungsbegrenzung und zum Schutz vor Stürmen muss sich die Anlage selbstständig aus dem Wind drehen.

Außerdem muss ein günstig-pragmatischer Allround-Laderegler entwickelt werden, der mit preiswerten Standardkomponenten und einem Spannungswandler arbeitet.

Viele Kleinwindanlagen die teilweise zu erstaunlich günstigen Preisen angeboten werden und häufig aus China kommen, haben in ihrer Funktionskette meist immer mindestens einen Schwachpunkt, der den gesamten Ertrag nach unten zieht. Entweder sind:

• die Flügelgeometrien ungenau berechnet
• der Generator ist zu schwergängig mit einem hohen Rastmoment
• der Rotor hat eine gravierende Unwucht
• der Drehkopf ist zu schwergängig
• die Konstruktion ist nicht im statischen Gleichgewicht oder auch einfach zu schwer
• die Stromabnehmer arbeiten unzuverlässig und/oder verlustbehaftet (mit Kohlebürsten)
• die Windfahne ist zu klein
• die Sturmfestigkeit ist nicht ausreichend
• die Regelung ist schlecht auf das Gesamtsystem abgestimmt und hat einen schlechten Wirkungsgrad (da häufig ohne Spannungswandler)
• Die Standby-Verluste des Reglers sind viel zu hoch 

Somit entscheidet oft ein einziges Konstruktionsmerkmal (z.B. Generator läuft zäh mit Rastmoment) darüber, ob in der kurzen Böe Strom erzeugt wird, oder nicht. Alle Aspekte zusammen summieren sich zu großen Verlusten oder auch großen Energie-Gewinnen, wenn alles gut abgestimmt ist.

Die Lösung:

Die Geometrien sorgfältig berechnen, aufeinander abstimmen und alle aufgeführten Fallstricke vermeiden. Das kostet nur Entwicklungsarbeit, macht aber die Fertigung nicht unbedingt teurer. Leichtlauf-Generatoren verwenden, auf mechanische Sturmsicherheit achten , dafür die Regelung einfacher bauen (siehe Problem 4) und gut auf das Leistungsprofil des Rotors einstellen.

Wenn eine Kleinwindanlage in Wohngebieten betrieben wird, muss diese unbedingt leise arbeiten, damit sich niemand gestört fühlt, und Kleinwindanlagen allgemein besser akzeptiert werden. Viele (günstige) Microwindturbinen haben nicht so ausgefeilte Flügelgeometrien oder laufen mit zu hohen Schnellaufzahlen, die bei Starkwind zu lauten Zisch- oder Pfeiff-Geräuschen führen und auf Dauer zu einer Belastung werden können. Aber auch bei schwachen Winden können Kleinwindanlagen nerven, wenn das Umgebungsrauschen sehr gering ist, die Anlage aber durch einen zu späten Ladebeginn, schon auf höhere Drehzahlen kommt.

Die Lösung:

• Die Rotorblätter müssen sehr flache, geräuschoptimierte Profilquerschnitte aufweisen und fachgerecht berechnet werden. 
• Die Rotorblätter müssen mit Zackenbändern oder ähnlichen Profilerhöhungen versehen sein, um ein Abreißen der Strömung zu verhindern.
• Die Regelung sollte gut eingestellt sein um eine anliegende Strömung am Flügel aufrechtzuerhalten.
• Die Drehzahl muss bei Starkwind begrenzt werden
• Der Ladebeginn sollte frühzeitig beginnen.

Damit lassen sich sehr angenehme Windturbinen realisieren, die vom Umgebungsrauschen kaum zu unterscheiden sind.

Bei den Ladereglern gibt es aktuell 3 verschiedene Klassen:

• Die sehr günstigen (kleinen) Modelle, die oftmals nicht sehr viel mehr machen als den Wechselstrom des Generators gleichzurichten und den Ladebeginn sowie das Ladeende zu steuern. Ansonsten aber (trotz Aufschrift MPPT) kaum einen Unterschied zu einem Direktanschluss an eine Batterie erkennen lassen. Sie sind immer unbefriedigend, weil der Wirkungsgrad des Generators damit sehr gering ist und das System auch schnell überhitzen kann.

• Die professionell wirkenden Regler mittlerer Preisklasse (oft aus China) mit Digitalanzeige und angeblicher MPPT-Steuerung, die aber in ihrer Steuerung undurchschaubar bleiben, nicht programmierbar sind und häufig nur über einen Spanungsboost für kleine Windstärken statt MPPT verfügen.

• Die sehr teuren (Hybrid-)Modelle, die mit einem Spannungswandler und einer Kennlinien- oder MPPT-Steuerung arbeiten inklusiv Heizwiderstand und digitaler Anzeige. Sie können effektiv arbeiten, sind aber unverhältnismäßig teuer und rechnen sich in dieser Größenordnung einfach nicht. Dazu besteht oft keine Möglichkeit der Programmierung oder genauerer Einstellungen.

Ein weiteres Problem sind die oft hohen Stand-By-Verluste vieler Regler. Wenn der Wind mal länger ausbleibt, ist die Batterie leerer als zuvor, was natürlich widersinnig und technisch auch nicht notwendig ist. Dazu muss der Regler aus dem Generatorstrom gespeist werden, schnell hochfahren und erst dann die Verbindung zur Batterie freischalten. Ansonsten bleibt er abgeschaltet.

Hier besteht also noch eine große Entwicklungslücke. Wenn es gelingt einen pragmatisch-günstigen Regler zu entwickeln, der mit einem Spannungswandler und einem programmierbaren Microkontroller arbeitet, könnten viele Micro-Windturbinen (auch nachträglich) auf ein ganz neues Niveau gehoben werden.

(siehe unter "Technik - Regelung")

Wer sich mit dem Thema Kleinwindkraft beschäftigt, bekommt sehr häufig ein negatives Bild gezeichnet - Die Anlagen wären

• zu teuer,
• erzeugen kaum mal Strom
• sind nervig und laut
• sind störanfällig
• und scheitern physikalisch einfach an ihrer geringen Größe

Was stimmt - Kleinwindanlagen sind ausgesprochen anspruchsvolle Maschinen. Die Windkräfte müssen erst eine lange Kette sich gegenseitig beeinflussender Faktoren (Auftrieb, Induktion, Ausrichtung, Regelung/Belastung, Sturmfestigkeit) durchlaufen bis sie tatsächlich in der Batterie ankommen können. Sobald nur ein Element schlecht abgestimmt ist, bricht schnell die ganze Kette zusammen und der flüchtige Wind sucht sich einen leichteren Weg.

Genau das passiert sehr vielen Anlagen, so dass immer wieder der Eindruck entsteht, Kleinwindkraft lohnt sich grundsätzlich nicht, was aber nicht stimmt, wenn diese Fehler vermieden,  und einigermaßen windige Standorte ausgesucht werden.

Dazu haben viele Hersteller den Fehler gemacht, ihre Produkte mit höchsten Leistungsangaben und Erträgen zu bewerben, die in der Praxis völlig unrealistisch sind. Das hat zu sehr viel Frust und einem großen Glaubwürdigkeitsverlust der Branche geführt. Dazu kommt die sehr geringe Einspeisevergütung von Kleinwindanlagen gegenüber der Fotovoltaik, die schnell zu der Erkenntnis geführt hat: "Kleinwindanlagen sind unwirtschaftlich und lohnen sich grundsätzlich nicht".

Bezüglich der kleinen Baugröße ist es zwar richtig, dass das Verhältnis von Materialaufwand zum Ertrag schlechter wird, aber nicht so gravierend, dass Microwindanlagen grundsätzlich zum Scheitern verurteilt sind. Denn der große Vorteil liegt in der exponentiell größeren Einsatzbreite im Vergleich zu größeren Anlagen. Für Kleinstanlagen finden sich wesentlich mehr Aufstellorte als für Große und die Hürden sind wesentlich geringer. Am Ende zählt einfach die Energiebilanz zwischen aufgewendeten Ressourcen gegenüber dem Gesamtertrag über die Lebenszeit. Diese liegt auch bei Microanlagen im zweistelligen Bereich! Wenn die Grundmaterialien dazu noch günstig und ökologisch sind (wie bei Holz), wird die Sache wirklich sinnvoll.

Auch mit der Einführung von immer mehr Batteriespeichern ändern sich aktuell die Rahmenbedingungen sehr günstig. Windstrom kann damit zunehmend selbst verbraucht werden. Dadurch steigt sein Wert mit den aktuellen Strompreisen und erreicht viel schneller seine Wirtschaftlichkeitsgrenze. 

Ganz entscheidend ist aber letztendlich die Windstärke und die Windqualität am Aufstellort. Nachdem die Windkräfte in der 3. Potenz zunehmen, bewirkt eine Verdopplung der Windgeschwindigkeit, eine theoretische Verachtfachung des Ertrags. Dazu kommen große Verluste durch Verwirbelungen durch Hindernisse, die den Ertrag trotz starkem Wind ganz erheblich nach unten ziehen können. 

Deshalb gilt die Grundformel: je gleichmäßiger und stärker der Wind, desto ungleich höher ist auch der Ertrag.

Die Lösung:

Kleinwindkraft ehrlich bewerben und kommunizieren - wo es sich lohnt und wo nicht und für wen es geeignet ist.

Kleinwindkraft kostengünstig weiterentwickeln, indem genannte Fehler vermieden und die bestehende Infrastruktur wie Batteriespeicher und Wechselrichter synergetisch mitgenutzt werden.