Windräder Kleinwindanlagen befriedigen den Spieltrieb

Auf den Rolltreppen der U-Bahn-Abgänge wird nicht nur gedrängelt. Hier zieht es meist zudem wie Hechtsuppe, was die Begeisterung für dieses Verkehrsmittel nachhaltig schmälert. Aber wenn es nach den Vorstellungen von Martina Klärle geht - sie ist Geodäsie-Professorin an der Frankfurter Fachhochschule und befasst sich mit "flächenbezogenen Potentialanalysen für erneuerbare Energien" -, ließen sich möglicherweise aus dieser Zugluft ökologische Vorteile ziehen. Mit kleinen, effektiven Windrädern könne man eventuell mehr Strom erzeugen als mit großen Solaranlagen, für die in den Innenstädten kaum Platz vorhanden ist.

Von derartigen Ideen hält der Windkraftfachmann und sich seit Jahren mit "Kleinwindanlagen" befassende Uwe Hallenga aus Osnabrück gar nichts. Er nimmt kein Blatt vor den Mund und bezeichnet das Ganze als Hirngespinst. Seiner Sache, für das Kleinwindrad zu werben, damit es dort aufgestellt werde, wo es sinnvoll sei, schadeten derartige Vorstöße nur. Hallenga ist schon lange das Schmunzeln vergangen, wenn ihm umtriebige Zeitgenossen davon berichten, dass ihnen während des Frühstücks im Garten ein Windstoß die leere Brötchentüte vom Tisch geweht habe. Das, so geht die Schilderung weiter, sei für sie Anlass gewesen, über die Nutzung der Kleinwindkraft nachzudenken.

Wind ist etwas Faszinierendes

Damit stehen solche Brötchenesser nicht allein. Nachdem die Bundesregierung unter dem Eindruck der Katastrophe von Fukushima den Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen hat, können sich die Hersteller von kleinen Windanlagen vor Anfragen nicht mehr retten. Den Boom erklären sich die Fachleute auch damit, dass anders als bei der Sonnenkraft sich die Physik des Windes leichter erschließt: Wind ist etwas Faszinierendes. Wenn es draußen besonders unfreundlich ist und der Wind die Blätter von den Bäumen holt, beginnen die Leute von schnell rotierenden Propellern zu träumen.

Dabei unterscheidet sich grundsätzlich ein kleines Windrad nicht von einem großen. Stets ist der heranströmende Wind dafür verantwortlich, dass sich Rotoren und Generatoren drehen. Verschieden ist lediglich deren Wirtschaftlichkeit. So rechnen sich Großwindanlagen vor allem deshalb, weil sich ihre Propellerachsen viele Meter oberhalb des Erdbodens befinden. In Höhen, in denen es keine Hindernisse gibt, die den Wind in kräftezehrende Turbulenzen versetzen.

Das ist bei kleinen Windrädern mit Nabenhöhen unter zehn Metern (was die Genehmigung erleichtert) anders. Kleinwindräder rentieren sich nur in Ausnahmefällen, wobei sie überall dort schon immer gerne genutzt werden, wo es keinen Anschluss ans Stromnetz gibt - oder sie, weit entfernt von der nächsten Siedlung, zum Pumpen von Wasser eingesetzt werden. Almhütten, Ferienhäuser und die Überwachungsstationen entlang einer Pipeline sind daher die idealen Standorte. Soll ein kleines Windrad (dazu gehören Anlagen mit einer Nennleistung von wenigen Watt bis 10 kW) in Deutschland aufgestellt werden, ist das alles entscheidende Kriterium für einen effektiven Betrieb die (durchschnittliche) Windgeschwindigkeit, geht sie doch in der dritten Potenz in die Rentabilitätsrechnung ein. Eigentümer von Vorgärten in Mittel- und Süddeutschland müssen daher vom Öko-Nutzen der Windkraft beseelt sein, denn ökonomisch lässt sich die Investition in Gegenden mit Windgeschwindigkeiten um 3,5 m/sec nicht rechtfertigen. Etwas günstiger stellt sich die Sache dar, wenn der Standort an der Küste liegt. Hier, bei Windgeschwindigkeiten um 6 bis 7 m/sec, ist der Vorteil umso größer, je mehr teuerer Netzstrom durch den eigenerzeugten Windstrom ersetzt werden kann. Dazu muss die Anlage netzgekoppelt angelegt sein, was die Investition teurer macht, als wenn man sich "nur" für eine batteriegestütze Insellösung entscheidet. Dieser Mehraufwand wird etwas, aber nicht entscheidend, durch die gemäß des Erneuerbare Energien Gesetzes (EEG) gewährte Einspeisevergütung von 9,1 Cent je Kilowattstunde reduziert.

Ob netzgebunden oder nicht, bis zu 5000 Euro muss man heute für das installierte Kilowatt rechnen, was wesentlich den geringen Stückzahlen geschuldet ist, in denen diese Anlagen hergestellt werden. Im Vergleich dazu sind Solarstromsysteme für kleines Geld zu haben. In den zurückliegenden Wochen sind die Preise regelrecht in den Keller gerutscht.

Kleinwindanlagen sehen meist aus wie ihre größeren Brüder. Auch bei ihnen hat sich der Dreiflügler durchgesetzt, der die (Luft-)Kräfte gleichmäßiger über die Rotorkreisfläche verteilt, als das etwa bei einem Zweiblattrotor der Fall ist. Dadurch reduziert sich die Belastung der einzelnen Komponenten, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Geräte auswirkt, so dass "Horizontalachser" bei den Kleinanlagen nicht erst seit den aus Cowboyfilmen bekannten Westernmills mit ihren bis zu 30 Rotorblättern den Markt dominieren. Diese altbewährten Windräder treiben Wasserpumpen. Dazu müssen sie sich vergleichsweise langsam drehen und über ein hohes Drehmoment verfügen.

Extreme Schwingungsbedingungen

Soll dagegen Strom produziert werden, ist Tempo erforderlich. Nicht gerade trivial ist die Auslegung der dafür benötigten Wechselrichter, verändert sich beim Windrad mit der Drehzahl doch ständig die Spannung. Bei Böen passiert das abrupt. Doch nicht nur für das Einspeisen des Stroms ins Netz ist der Wechselrichter zuständig. Er muss mehr können. So hat er dafür zu sorgen, dass bei einem plötzlich aufkommenden Starkwind das Windrad nicht durchgeht und sich zerstört.

Dazu stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung, wie Hallenga erklärt. Das ist zum einen der getaktete Kurzschluss, der im Störungsfall den Generator so lange kurzschließt und damit abstoppt, bis das Netz wieder frei ist. Zum anderen bietet sich das Bereithalten einer "Ersatzlast" an. Dabei wird überschüssige Leistung über Heizstäbe verbraten, die in einem Boiler stecken und Wasser erwärmen. Wichtig ist, dass der Pufferspeicher groß genug ist, um auch mal über Tage die Kraft des Windrads wegstecken zu können.

Einige Kleinanlagenanbieter favorisieren Anlagen mit vertikaler Drehachse. Vorbild sind meist die von dem Franzosen G. J. M. Darrieus schon Anfang der dreißiger Jahre entwickelten und nach ihm benannten Anlagen. Der Erfolg war nur ein mäßiger. Entweder waren die mit einer senkrecht nach unten gerichteten Achse ausgestatteten Anlagen zu schwer, um effektiv arbeiten zu können, oder die um die Vertikalachse sausenden Flügel widerstanden nicht den auf sie einwirkenden Kräften und brachen. Denn bei den Vorteilen, die eine Darrieus-Anlage bietet - sie muss nicht nach dem Wind ausgerichtet werden und arbeitet vergleichsweise leise -, hat sie den Nachteil, extreme Schwingungsbedingungen beherrschen zu müssen. Während die Rotorblätter bei Windrädern mit horizontaler Achse vor allem mit Zentrifugalkräften und nur mit recht kleinen Biegebeanspruchungen fertig werden müssen, sind Darrieus-Anlagen einem ständigen Wechsel zwischen diesen beiden Einflüssen ausgesetzt. So addieren sich Flieh- und Biegekräfte an der dem Wind abgekehrten Stelle, während sie sich "vor dem Wind" zumindest teilweise gegenseitig aufheben. Dieser Effekt erfordert genaue statische Berechnungen, soll ein Vertikalachser etwa auf dem Dach eines Hauses montiert werden.

Und auch das muss man wissen: Die Stromausbeute eines Vertikalachsers ist vergleichsweise schlecht, weil stets nur ein Teil der Flügel optimal zum Wind ausgerichtet ist. Man müsste die Propellerflächen "nachstellen" können, was bisher aber noch nicht gelungen ist.