Mit Kleinwind zum Erfolg: Ein Beispiel aus der Praxis
Innerhalb weniger Sekunden dreht Fritz Unger die Schraube von der Narbe. Er nimmt den Rotor in einem Stück ab und hält ihn vor seine Brust. In dem Rotordesign stecken fünf Jahre Entwicklungsarbeit, es ist das Know-how der jungen Gründung aus Langenhagen bei Hannover. Unger ist Geschäftsführer von Fu Systems und Erfinder der Anlage. Er ist getrieben von dem Gedanken, den deutschen Kleinstwindmarkt mit seiner Skywind-Anlage umzukrempeln. „Der Rotor ist aus Duraluminium und wiegt nur 700 Gramm“, sagt Unger und fordert: „Heben Sie ihn ruhig an.“
Das Material wird auch in der Luftfahrttechnik eingesetzt. Der mattgraue Flügel fühlt sich leicht rau an. Er ist mit einem Pulver beschichtet und drei Millimeter dünn. „Genau darum reflektiert der Rotor kaum Licht, wenn er sich in der Sonne dreht“, beschreibt Unger. Im Windjargon heißt diese permanent auftretende Reflexion „Diskoeffekt“.
Ein weiteres sensibles Thema ist der Schattenwurf. Ein langsam wandernder Schatten ist für manchen Anwohner von Großwindanlagen ein Ärgernis. Auch das ist bei Skywind gelöst. Die Anlage dreht sich nicht bei wenig Wind, wenn kein oder nur wenig Strom erzeugt wird. Sondern sie steht still.
Erst bei einer Windstärke von rund 3,8 Metern pro Sekunde läuft sie an. Dann erreicht die Anlage mit einem Mal bereits 200 Umdrehungen pro Minute. Einen Schattenwurf, der die Nachbarn stören könnte, gibt es dann nicht mehr. „Wenn jemand hört, dass acht Windanlagen auf dem Dach befestigt sind, dann ist erst mal Alarm“, schildert Unger seine Erfahrungen.
Acht Anlagen, das klingt für eine Behörde schon nach einem Windpark. Wenn ein Beamter die Größenmaße der Skywind-Anlage nicht kennt, kann das schon passieren. Beispielsweise stehen zwei Anlagen auf dem Dachfirst des Vorzeigehauses der Energieagentur in Hildesheim. Mitten in einem Wohngebiet. Die Anwohner stört das nicht weiter.
500 Kilometer pro Stunde
Die Mikrowindkraftanlage ist ein Zweiflügler. Die Maschinenbauer von Fu Systems fertigen den Flügel mit 1,5 Metern Länge in einem Stück. Am Ende jeder Flügelseite ist die Spitze um 90 Grad gebogen, wie bei den Flügeln eines Flugzeugs. In der Mitte des Rotors gibt es eine Bohrung für die Aufhängung. Der Rotor dreht sich deutlich schneller als bei Anlagen mit drei oder vier Flügelblättern. In der Blattspitze werden durchaus 400 bis 500 Kilometer pro Stunde erreicht.
Der Generator der Anlage kommt aus den USA und ist mit 16 Kilowatt Leistung leicht überdimensioniert. Nach Aussage von Unger liefert die insgesamt 15,5 Kilogramm schwere Anlage einen Wirkungsgrad von 90 Prozent bei einer Windgeschwindigkeit von elf Metern pro Sekunde. Den Wechselrichter lässt Unger aus China einfliegen. Der Wechselrichter ist durch Mikroprozessortechnik in der Lage, die Leistung der Turbine selbst zu bestimmen und zu regeln.
Genau wie bei Photovoltaikgeräten handelt es sich also um ein Maximum Power Point Tracking (MPPT) anstelle des heute bei Windturbinen üblichen MPP. Dabei wird jedem Eingangsspannungswert ein Leistungswert durch die Kennlinie zugeordnet. Problem bisher: Der Wechselrichter passte sich zu langsam an oder bremste durch Überlastung den Rotor aus.
Bei falscher Auslegung kann auch der Generator Schaden nehmen oder sogar zerstört werden. Das Grundprinzip bei MPPT ist dagegen eine ständige Messung von Strom und Spannung am Eingang des Wechselrichters.
Bei Böen blitzschnell reagieren
Der chinesische Windwechselrichter kann die Turbine bei Sturm mittels der Bremslast dosieren und bei einer Last von einem Kilowatt begrenzen. „Ein normaler Solarwechselrichter wäre dazu aufgrund fehlender Hardware nicht in der Lage“, erklärt Unger. Während ein Solarwechselrichter meistens keine sehr schnellen Lastwechsel erlebt und die Nennleistung häufig erreicht, läuft ein Windwechselrichter anders: „Im Normalfall arbeitet er bei zehn bis 30 Prozent der Leistung, und bei Böen muss er blitzschnell seine Leistung anpassen“, beschreibt er weiter.
Ein solcher Wechselrichter ist aufwendig. Nun sei er durch moderne Computertechnik zu relativ günstigen Preisen aus China verfügbar. Unger ist ein passionierter Tüftler. Seit er mit 14 Jahren eine Segelflugausbildung absolvierte, ließ ihn das Thema Rotorflügel und Aerodynamik nicht mehr los. Er wollte das Rotorblatt optimieren. Mit 18 Jahren gewann er mit seiner Entwicklung den zweiten Platz bei Jugend forscht, zusammen mit seiner Geschäftspartnerin Julia Prochnau.
Die Beratungs- und Prüffirma Windtest Grevenbroich betreibt seit 1998 südlich von Grevenbroich ein Testfeld für Binnenland-Windkraftanlagen. Prototypen und Testanlagen mit einer Nennleistung von bis zu 2,5 Megawatt werden dort derzeit getestet und nach internationalen Richtlinien vermessen. Hier lässt Unger auch die Skywind-Anlage im Testfeld auf Herz und Nieren prüfen. Und zwar nach IEC 61400-1, den Designanforderungen der Großwindkraft.
Die Norm regelt die Aspekte der Lastberechnungen sowie die Installation, Inbetriebnahme und Wartung einer Windenergieanlage. Andere Kleinwindhersteller lassen nur nach der Kleinwindnorm IEC 61400-2 prüfen. Die Mikrowindanlage steht dort aktuell neben einer 2,3-Megawatt-Anlage. Und macht durchaus eine gute Figur neben der großen Verwandtschaft.
Aufwendig ist das schon: Es kostet zwischen 50.000 und 75.000 Euro und rund sechs Monate Zeit, bis die Zertifizierung abgeschlossen ist. Dann steht die zertifizierte Leistungskurve bereit. Damit können nur die wenigsten Hersteller aufwarten – vertikal drehende Anlagen schon gar nicht. Allein das Patent für Deutschland und die USA kostet das Start-up rund 15.000 Euro – kein Pappenstiel. Ein privater Investor steckt Geld in die Firma, bleibt aber im Hintergrund. „Er agiert als Türöffner und Kontaktvermittler für uns“, berichtet Unger.
Ökostrom vom Dach
Neben dem Rotordesign ist auch die Halterung eine eigene Entwicklung. Sie ist für rund 90 Prozent aller Dächer einsetzbar, schätzt Unger. Denn die Halterung lässt sich variabel einstellen. Eine Aufsparrenhalterung hält den Mast. Da dieser nicht ins Dach hineingeht, werden auch die Schwingungen nicht übertragen. Denn: Die Windschwingungen können den Mast der Anlage bewegen, der Metallmast kann also durchaus hin- und herschwingen.
Die ständige Vibration der Anlage durch die Windbelastung bleibt in den Gummidämpfern, auf denen die Halterung angebracht ist. Auf dem Dach des Bürogebäudes dreht die Skywind ihre Runden. In gut 22 Metern Höhe auf einem etwa vier Meter langen Metallmast, der mit einer Betonplatte beschwert wurde. Der Blitzschutz ist integriert, da auch die Anlage aus Metall ist.
Unger und Co. arbeiten direkt unter dem Dach in der vierten Etage. Wenn die Anlage läuft, versorgt sie das Büro zum Teil mit Ökostrom. Der Wechselrichter speist in den Stromkreislauf ein, und der Stromzähler läuft entsprechend langsamer. Denn Strom sucht sich immer den Weg mit dem geringsten Widerstand, deshalb kann der eigene Strom vorrangig verbraucht werden – das spart beim Bürobetrieb Stromkosten von rund 28 Cent pro Kilowattstunde.
Wichtig ist natürlich, dass ein Installateur die Anlage ans Netz anschließt. Dem Netzbetreiber sollte der Anschluss der Anlage formlos mitgeteilt werden. Von der Bestellung bis zur Auslieferung einer Kleinwindanlage von Fu Systems dauert es vier bis sechs Monate.
Die Windanlage als Modul
Die Nachfrage der Leute scheint dafür zu reichen. Gut 70 Prozent der Anfragen kommen von privaten Hausbesitzern, die anderen 30 Prozent von Landwirten und kleine Gewerbebetrieben. Die Anlage funktioniert wie ein Modulsystem: Wer acht Kilowatt Leistung braucht, stellt acht Anlagen auf. Eine kostet dabei 2.249 Euro inklusive Mehrwertsteuer. Dazu kommen 500 bis 1.000 Euro für die Installation, bei mehreren Anlagen reduziert sich dieser Posten pro Anlage entsprechend.
Damit bietet Fu Systems zu deutlich günstigeren Preisen am Markt an. Allgemein liegen die Kosten zwischen 4.000 und 8.000 Euro pro Kilowattstunde bei einer Kleinwindanlage. Die Mikrowindturbinen kosten nur einen Bruchteil auf die Kilowattleistung gerechnet. Je nach Standort und Windbedingungen schwanken auch die Erträge und Amortisationszeiten.
An windreichen Orten kann sich die Anlage in sieben oder acht Jahren rentiert haben. Bei einem guten Standort sind es etwa zwölf Jahre. Aber viele Parameter beeinflussen den Windertrag der Anlage. Die Kosten einer genauen Windmessung würden allerdings den Preis der Anlage selbst übertreffen. Fu Systems arbeitet deshalb mit den Daten des Deutschen Wetterdienstes. Eine Abweichung von zehn bis 15 Prozent nach oben und unten muss mit einkalkuliert werden.
Das Mantra des Erfinders der Mikrowindanlage ist dennoch: „Alles so einfach wie möglich halten“, sagt Unger. Nur so bleiben die Kosten unten.
Geringes Gewicht hilft Installateuren
Mit vier Installateursbetrieben arbeitet Fu Systems derzeit zusammen. Hauptsächlich für den norddeutschen Raum, mit weiteren 20 gebe es gerade Verhandlungen. Einer der Partner der ersten Stunde ist der Installateursbetrieb Sonnentaler aus Elze, 16 Kilometer westlich von Hildesheim. Er vertreibt die Anlage im Umland von Hannover.
Die Firma hat die Anlage neu ins Sortiment genommen und bewirbt sie nun stärker. Denn der kleine Rotor auf dem Dach ist gerade auch für die Besitzer der solaren Bestandsanlagen eine Option, die relativ leicht nachzurüsten ist. Ein zusätzliches Verkaufsargument: Das Design der Anlage kann auch in den entsprechenden Firmenfarben geliefert werden. Denn ein drehendes Element erregt mehr Aufmerksamkeit als jedes Werbeplakat.
Durch das geringe Gewicht kann der Installateur die Anlage mit aufs Dach nehmen – eine teure Kranmontage entfällt. Hilfreich ist auch, dass die Anlage keine Fahne hat. Denn die Anlage dreht sich selbst in den Wind hinein. Eine Fahne hätte die Anlage an sich sperriger gemacht. Zum Vergleich: Die Anlage einer anderen Firma mit einer vertikal drehenden Hauptachse wiegt bei einer Leistung von einem Kilowatt rund 220 Kilogramm – und damit gut das 15-Fache.
Daten zur Skywind-Anlage von Fu Systems
- Rotordurchmesser: 1,50 Meter
- Tiefe: 0,40 Meter
- Überstrichene Fläche: 1,8 Quadratmeter
- Netzaufschaltung: vier Meter pro Sekunde
- Auslegungsgeschwindigkeit: acht Meter pro Sekunde
- Nenngeschwindigkeit: 14 Meter pro Sekunde
- Schnelllaufzahl: 8,5
- Auslegungsleistung: 170 Watt
- Nennleistung: 1.000 Watt
- Gewicht: 15,5 Kilogramm
- Material: Duraluminium und Stahl
- Spannungsbereich: 15 bis 70 Volt
- Maximaler Strom: 30 Ampere
Dieser Beitrag von Niels Hendrik Petersen ist zuerst erschienen in Photovoltaik/01-2015.
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