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LOW←TECH MAGAZINE

Die Neuerfindung der Windkraftanlage

Ein Rotor und ein Turm aus Holz erhöhen den Nettoenergieertrag über die Lebensdauer einer kleinen Windkraftanlage erheblich.

Übersetzt von: Pascal Vollmer

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Eine kleine Windkraftanlage mit Flügeln und Turm aus Holz. Bild: InnoVentum.

Viele handelsübliche Windkraftanlagen mit Kunststoffblättern und Stahltürmen sind berüchtigt für ihre geringe Zuverlässigkeit, hohe Graue Energie und begrenzte Leistung. Mit Holzbauweise kann man diese Probleme angehen.

Aufgrund ihres ästhetischen Reizes und dank der Möglichkeit, sie vor Ort zu produzieren, können kleine Windkraftanlagen aus Holz auch die öffentliche Akzeptanz der Windenergie verbessern. Darüber hinaus erleichtern Innovationen im Turmbau die Installation von Windkraftanlagen, da sie den Bedarf an Betonfundamenten und schweren Maschinen verringern.

Niedrige Leistung

Tests haben gezeigt, dass viele handelsübliche Windkraftanlagen über ihre Lebensdauer hinweg nicht immer genügend Strom erzeugen, um die Energie, die zu ihrer Herstellung benötigt wurde, zu kompensieren.

Es gibt drei Gründe, warum das so ist. Erstens sind da die Gesetze der Physik. Die Energieausbeute einer Windkraftanlage steigt schneller als ihre Höhe und Rotorgröße, was bedeutet, dass, wenn eine Windkraftanlage kleiner wird, ihre Leistungsabgabe überproportional abnimmt.

Zweitens werden die Rotorblätter von Windkraftanlagen üblicherweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, dessen Herstellung energieintensiv ist (und der unmöglich recycelt werden kann). Diese Energie muss während der Lebensdauer der Windkraftanlage “zurückbezahlt” werden, was bei Maschinen mit kleinen Rotordurchmessern eine Herausforderung sein kann.

Drittens hängt die Wartung von Windkraftanlagen von der Fähigkeit des Herstellers ab, im Geschäft zu bleiben und seine Kunden mit Ersatzteilen zu versorgen. Im Gegensatz zu Solarzellen haben Windkraftanlagen viele bewegliche Teile und sind daher eher reparaturanfällig. Dazu kommt, dass die Lieferanten von Windkraftanlagen manchmal eine noch kürzere Lebenserwartung haben als ihre Produkte. 1

Handgeschnitzte Rotorblätter

Die Gesetze der Physik lassen sich nicht ändern, aber sie allein hindern Windkraftanlagen nicht daran, wirtschaftlich und nachhaltig zu sein. Es sind die beiden anderen Faktoren, die entscheidend sind, und diese können angegangen werden. Tatsächlich werden sie seit mehr als zwei Jahrzehnten vom schottischen Ingenieur Hugh Piggott angegangen, der kleine 1-2 kW-Windkraftanlagen mit 2-4 Meter Rotordurchmesser unter Verwendung von massiven Holzblättern baut. 2

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Bild: Handgeschnitzte Rotorblätter. Quelle: 5

Es braucht einfache Fähigkeiten zur Holzbearbeitung die Rotoren vor Ort mit einfachen Werkzeugen handzuschnitzen. Anders als bei Glasfaserflügeln wird für die Herstellung wenig oder gar keine Energie verbraucht. Dies erhöht die Chance, dass die Windkraftanlage während ihrer Lebensdauer mehr Energie produziert, als zu ihrer Herstellung benötigt wurde.

Entgegen dem üblichen Fokus auf Effizienz wird bei Piggotts Windkraftanlagen die Spitzenleistung verringert – zugunsten eines zuverlässigeren Betriebs. Die Maschinen verwenden eine Regelung, die die Turbinenleistung bei Winden von 8 m/s (Beaufort 5) begrenzt, während die meisten kommerziellen Modelle bei höheren Windgeschwindigkeiten weiterarbeiten. Das erhöht die Zuverlässigkeit, denn je schneller die Maschine dreht, desto schneller verschleißen ihre Teile. 3

Lokale Herstellung

Ein Vergleich von Piggotts Windkraftanlagen mit kommerziell erhältlichen Modellen ergab, dass der erhöhte Energieertrag, den letztere bei Windgeschwindigkeiten über 8 m/s erzeugen, größtenteils vergeudet wird, da der Großteil der zusätzlichen Leistung erzeugt wird, wenn die Batterien bereits voll sind. Die Studie ergab auch, dass Piggotts Design etwa 20 % billiger ist, wenn man sowohl die Kapital- als auch die Betriebskosten berücksichtigt. 3

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Bild: Windturbine aus Holz in Nepal. Quelle: 5

Piggott’s Open-Source-Design hat Tausende von kleinen DIY-Windkraftanlagen auf der ganzen Welt hervorgebracht. Es liegt auch mehreren windbasierten ländlichen Elektrifizierungsinitiativen in der Mongolei, Nepal, Peru und Nicaragua zugrunde. 4567 In “Entwicklungsländern” bietet die Möglichkeit, die Turbinen vor Ort herzustellen und zu warten, gegenüber der Verwendung kommerzieller Windkraftanlagen oder Solarpaneele einen großen Vorteil.

Kommerzielle Windkraftanlagen mit Holz-Rotoren

Die Verwendung von Massivholzblättern, einst üblich für kleinere Windmühlen und Windturbinen, ist in letzter Zeit wieder auf Interesse gestoßen. [^8][^9] Am bemerkenswertesten ist die Erfolgsgeschichte des niederländischen Unternehmens EAZ Wind, das 2014 von vier jungen Windsurfern gegründet wurde. Die Firma, die mittlerweile über 40 Mitarbeiter hat, verkauft Windräder mit massiven Holzblättern an Bauernhöfe und Energiegenossenschaften in der Region. Mit einem Rotordurchmesser von 12 Metern und einer Leistung von 10 kW sind die Anlagen etwa fünfmal so groß wie Piggott’s Maschinen.

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Bild: Windkraftanlage mit Holz-Rotoren, von EAZ Wind hergestellt.

Die Rotoren werden aus massiven Holzbalken hergestellt, die miteinander verleimt und dann geschliffen werden, um die richtige Form zu erhalten. Anschließend werden sie mit einer Epoxidbeschichtung überzogen, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen, während die spitz zulaufende Seite des Flügels einen Streifen aus glasfaserverstärktem Kunststoff erhält, um sie haltbarer zu machen. Nach Angaben des Herstellers produzieren die Windturbinen — installiert auf 15 m hohen Türmen — etwa 30.000 kWh Strom pro Jahr, was dem Stromverbrauch von zehn niederländischen Haushalten entspricht. Eine Maschine wird für 46.000 Euro verkauft, was sie billiger macht als eine Solar-PV-Anlage (4.600 Euro pro Haushalt, oder weniger als die Hälfte des Preises einer Solar-PV-Anlage). Die Amortisationszeit - in den windigen nördlichen Niederlanden - beträgt 7 bis 10 Jahre.

Akzeptanz in der Öffentlichkeit

Interessanterweise ist die Entscheidung von EAZ Wind für Holz-Rotoren nicht vom Ziel geleitet, die graue Energie der Windturbine zu senken. Vielmehr setzt sich das Unternehmen das Ziel, das Land — insbesondere Bauernhöfe, aber auch kleine Dörfer — in Bezug auf die Stromerzeugung autark zu machen, indem man schönere und lokal produzierte Windturbinen entwirft, über die sich die Menschen nicht beschweren. Wie in vielen anderen Ländern stoßen große Windkraftanlagen - und die dazugehörigen Übertragungsleitungen — auch in den Niederlanden auf viel Widerstand bei den Anwohnern.

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Bild: Eine Windkraftanlage mit Rotoren aus Holz wird installiert. Bild: EAZ Wind.

Der Ansatz scheint zu funktionieren. Wenn ein Betrieb eine Windturbine installiert, sind seine Nachbarn meist die nächsten Kunden. EAZ Wind hat inzwischen mehr als 400 Windkraftanlagen verkauft. Die öffentliche Akzeptanz der Windkraft scheint durch zwei Faktoren begünstigt zu werden. Erstens sehen Windkraftanlagen mit Holzflügeln natürlicher aus, das erhöht ihren ästhetischen Reiz. Zweitens werden die Anlagen vor Ort produziert, was bedeutet, dass der Kauf einer Windkraftanlage die lokale Wirtschaft unterstützt. Das Holz für die Flügel kommt aus einer nahe gelegenen Provinz und wird von Unternehmen in der Region verarbeitet.

Türme aus Holz

Die Turbinen von EAZ Wind haben Holzblätter, aber Stahltürme. Einen anderen Ansatz verfolgt das schwedische Unternehmen InnoVentum: Seine Windturbinen haben einen Holzturm, während die Flügel aus Kunststoff gefertigt sind. Die 12 m oder 20 m hohen Türme haben ein einzigartiges Design, das aus kleinen Holzmodulen besteht, die in wenigen Stunden am Boden zusammengeschraubt werden können.

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Bild: Der hölzerne Windradturm von InnoVentum.

Die mehrbeinigen Türme benötigen keinen oder viel weniger Beton für ihre Fundamente und sie können ohne den Einsatz eines Krans errichtet werden, stattdessen werden ein Seil und eine Winde verwendet. Rund fünfzehn Anlagen wurden seit 2012 installiert. Wie EAZ Wind will das Unternehmen eine neue Stufe ästhetischer Qualität erreichen, die dazu beitragen kann, die Akzeptanz von Windkraftanlagen zu erhöhen.

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Bild: Der hölzerne Windradturm von InnoVentum.

Natürlich könnten beide Ansätze kombiniert werden, was zu kleinen Windturbinen mit hölzernen Flügeln, Turm und anderen Bauteilen führen würde. Eine kleine Windturbine, die fast vollständig aus Holz gebaut ist - abzüglich des Getriebes und des Generators — verringert die Energie, die zu ihrer Herstellung benötigt wird, weiter und macht sie so über ihre gesamte Lebensdauer hinweg wirtschaftlicher und nachhaltiger. In Bezug auf die Kohlenstoffemissionen kann eine Kleinwindkraftanlage aus Holz sogar als Kohlenstoffsenke betrachtet werden, da das Holz CO2 bindet, das die Bäume der Atmosphäre entzogen haben.

Kombination von Wind- und Solarenergie

Die neuesten Produkte sowohl von EAZ Wind als auch von InnoVentum fügen an der Basis der Struktur Solarmodule an. Da die Windturbine und das Solar-PV-System dieselbe Tragstruktur, das selbe elektrische System und denselben Energiespeicher nutzen können, spart dieser Ansatz Geld und Ressourcen. Die Kombination von Solar- und Windkraftanlagen erhöht außerdem die Wahrscheinlichkeit, dass zu jeder Zeit ausreichend Strom produziert wird, was den Bedarf an Energiespeichern reduziert: das ist der am wenigsten nachhaltige Teil bei der netzunabhängigen Stromerzeugung.

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Bild: InnoVentum.

Im Hybridmodell Solar-Wind von EAZ Wind ist die Leistung der Windturbine doppelt so hoch wie die Leistung der Solar-PV-Paneele, was das lokale Klima widerspiegelt (windig, aber nicht sehr sonnig). Durch die Hinzunahme der Solarpaneele erhöht sich der Stromertrag auf 45.000 kWh pro Jahr, was dem Strombedarf von 14 niederländischen Haushalten entspricht. Die Verwendung von Solarmodulen erhöht jedoch die graue Energie des Systems beträchtlich, so dass es möglicherweise keine Kohlenstoffsenke mehr ist.

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Bild: InnoVentum.

Dezentrale Energieerzeugung

Kleine Windkraftanlagen aus Holz bieten weitere Vorteile, die allen dezentralen Energiequellen eigen sind. Die Tatsache, dass sie von den Menschen bezahlt werden, die auch ihre Vorteile genießen, erhöht ihre öffentliche Akzeptanz. Außerdem machen sie Übertragungsleitungen überflüssig, und je mehr Strom vor Ort produziert und genutzt wird, desto einfacher ist es, den schlecht vorhersagbaren Windstrom in das zentrale Netz zu bringen. Nicht zuletzt fördert die Verbindung zwischen Energienutzung und -nachfrage [eine energieärmere Lebensweise] (https://solar.lowtechmagazine.com/de/2021/01/Manche-Lichter-anlassen-eine-Neudefinition-der-Sicherheit-der-Energieversorgung.html).

Kris De Decker


  1. Kostakis, Vasilis, et al. “The convergence of digital commons with local manufacturing from a degrowth perspective: two illustrative cases .” Journal of Cleaner Production 197 (2018): 1684-1693. 

  2. How to build a wind turbine“. High Piggott, 2003. 

  3. Sumanik-Leary, Jon, et al. “Locally manufactured small wind turbines: how do they compare to commercial machines.” Proceedings of 9 th PhD Seminar on Wind Energy in Europe. 2013. 

  4. Mishnaevsky, Leon, et al. “Materials for wind turbine blades: an overview.” Materials 10.11 (2017): 1285. 

  5. Mishnaevsky Jr, Leon, et al. “Strength and reliability of wood for the components of low-cost wind turbines: computational and experimental analysis and applications.” Wind Engineering 33.2 (2009): 183-196. 

  6. Mishnaevsky Jr, Leon, et al. “Small wind turbines with timber blades for developing countries: Materials choice, development, installation and experiences.” Renewable Energy 36.8 (2011): 2128-2138. 

  7. Sinha, Rakesh, et al. “Selection of Nepalese timber for small wind turbine blade construction.” Wind Engineering 34.3 (2010): 263-276. 

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