Wie lassen sich moderne Kleinwindkraftanlagen heutzutage verwenden? Bedenken Sie dabei, dass Tausende von Nomaden in der Mongolei moderne Kleinstanlagen zum Kochen von Teewasser verwenden, dass Kleinwindkraftanlagen in Zentralamerika zum Einfrieren von Frischfisch verwendet werden, um nahe gelegene Märkte zu beliefern und Erforscher der Antarktis sie als Stromquelle auf ihren abgeschiedenen Basislagern verwenden. Die Liste ist lang und nicht ohne Überraschungen. Ihrer Verwendung sind nur durch unsere Phantasie Grenzen gesetzt.
Grob lassen sich Kleinwindkraftanlagen in folgende Kategorien unterteilen: Anlagen zur Erzeugung von Strom an entlegenen Orten, zur parallelen Elektrizitätsproduktion neben den Energieversorgern, zur Heizung sowie zum Pumpen von Wasser.
Abgesehen vom mechanischen Pumpen von Wasser und dem Mahlen von Korn, erzeugen Windkraftanlagen bekanntermaßen netzunabhängig Strom an entlegenen Orten. In dieser Funktion haben sie sich seit Jahrzehnten hervorragend bewährt. In den dreißiger Jahren, als nur 10 Prozent der nordamerikanischen Farmen über Elektrizität verfügten, drehten sich, vorwiegend auf den großen Ebenen, buchstäblich Tausende von kleinen Windrädern. In jenen Tagen stellten diese Hauslichtanlagen für die Siedler die einzige Quelle der Elektrizitätsversorgung dar, bevor die ländliche Elektrifizierung Strom für alle brachte.
Das ist noch nicht überall so. Im Nordwesten Chinas könnte die Zahl der von nomadisierenden Hirten verwendeten Kleinwindkraftanlagen leicht in die Hunderttausende gehen. Diese Kleinstanlagen, (die so klein sind, dass sie mit dem Pferd von einem Lager zum anderen transportiert werden können), sind auf den großen Ebenen Asiens, die sich von China bis in die Sowjetunion erstrecken die einzig verfügbare Quelle der Stromerzeugung (siehe nomadische Kleinstanlage).
Kleinstanlagen bei Nomaden - Marlecs Rutland 910 in einer Jurte auf der mongolischen Steppe.
Die Rutland 910 ist so klein, dass sie mit dem Pferd transportiert werden kann. © Peter Franekel.
Wann ist ein Ort abgelegen? Das lässt sich auch nicht einfach über den Daumen peilen. Versorgungsunternehmen bauen Stromleitungen fast überall hin, wenn sie dafür Geld bekommen. Im Regelfall ist es jedoch für jeden, der sich weiter als einen Kilometer von einer bestehenden Stromleitung entfernt befindet, billiger, eine unabhängige Stromerzeugungsanlage aufzustellen, als eine Stromleitung legen zu lassen.
Heute sind Dreiviertel aller gebauten Kleinwindkraftanlagen zur Stand-Alone-Stromversorgung an entlegenen Orten bestimmt. Einige finden ihren Weg bis zu den Siedlern in Kanada und Alaska, fernab vom nächst gelegenen Dorf. Andere versorgen Telekommunikationsanlagen auf Berggipfeln, wohin sich das Legen einer Stromversorgung kaum rechtfertigen lässt (siehe Fern-Telekommunikation).
Fern-Telekommunikation - Hybride Wind- und Solar-Energieanlagen versorgen
einen Telekommunikationsturm an der Grenze zwischen Argentinien und Chile.
Die 2-kW AgroLuz Anlage ist nach dem Modell des Jacobs Windlader aus den 30iger Jahren gebaut
und hat einen pitchgeregelten Rotor mit einem Durchmesser von 4,1 Metern. © Paul Gipe.
Überraschenderweise werden sie in zunehmender Anzahl von Hausbesitzern zur eigenen Stromerzeugung verwendet, obwohl sie sich ihre Elektrizität vom örtlichen Versorgungsunternehmen genauso leicht einkaufen könnten. Bruce Simson beispielsweise ist stellvertretender Vorsitzender für strategische Planung bei British-Columbia Hydro, einem kanadischen Versorgungsunternehmen. Aber Simson lebt seit den frühen neunziger Jahren ohne Netzanbindung. Als bei einem Stromausfall im nahe gelegenen Vancouver die Lichter ausgingen, fragte er den Betriebsleiter von BC Hydro im Scherz, warum er den Versorger nicht zuverlässiger machen könne.
Weil der Wind als Energiequelle unbeständig ist, benötigen Fernanwendungen im Allgemeinen irgendeine Art von Speicher. Für abgelegene Häuser, deren Stromversorgung fast ständig gesichert sein soll, ist Strom aus Batterien unerlässlich. An windreichen Tagen speichern Batterien die Überschussenergie, die später bei längerer Windstille verbraucht wird. Bei Windkraftanlagen mit Batterieaufladung kann Gleichstrom (DC) aus Batterien unverändert in Gleichstromgeräten oder zu Wechselstrom (AC), wie dem des Stromversorgers, umgerichtet verwendet werden.
An vielen entlegenen Standorten erzeugen Kleinwindkraftanlagen Strom zu geringeren Kosten als Benzin- oder Dieselgeneratoren. „Dort“, so sagt Mike Bergey von Bergey Windpower, „sind WEA auch kostengünstiger als Photovoltaik Anlagen allein.“
In den Anfangszeiten des Wiedererstarkens der Windkraft, hatten Solar- und Windenergieanhänger Scheuklappen voreinander. Wenn Sie eine WEA für einen fern gelegenen Standort erstehen wollten, kam der Händler diesem Wunsche gerne nach und bestimmte dann deren Größe und die Batterien, die die ganze Last zu tragen hatten. Ein Solarhändler hätte im gleichen Falle Ihr Dach mit Solarzellen (PV Modulen) „zugepflastert“. Sie sollten zusammen nicht kommen...
Das ist heutzutage glücklicherweise nicht mehr der Fall. Heute ist praktisch jeder der Ansicht, dass Hybridanlagen aus Wind und Solar aus den Eigenschaften der Komplementärtechnologie Nutzen ziehen könnten. An vielen Schauplätzen umschmeicheln Wind und Solarressourcen sogar einander. Starke Winde im Winter werden von langen Sonnentagen im Sommer ausgeglichen und ermöglichen es den Konstrukteuren, die Größe der jeweiligen Komponente zu verkleinern. Dabei haben sie herausgefunden, dass diese Hybridanlagen noch besser funktionieren, wenn sie an kleine Hilfsgeneratoren gekoppelt sind, um den Umfang der benötigten Batteriespeicherung zu verringern.
Für netzunabhängige Niedrigenergieanlagen gibt es viele Anwendungen, bei denen Batteriespeicherung nicht erforderlich ist. Eine klassische Anwendung ist der kathodische Schutz für Pipelines, bei denen eine Klein-WEA eine elektrische Ladung für die Oberfläche der Metallröhre liefert. Die Ladung wirkt der galvanischen Korrosion in hochreaktiven Böden entgegen. Bei mäßigen Winden ist Speicherung nicht notwendig, weil die Korrosion ein langsam fortschreitender Prozess ist, der über einen langen Zeitraum abläuft. Schließlich kehrt der Wind zurück und schützt das exponierte Material von Neuem. In ländlichen Gebieten wurde sämtlicher Kathodenschutz einmal von Windkraftanlagen geliefert. Heute verwendet man dafür bei Pipelines kleine PV Module, aber auch Windmaschinen erleben ein Comeback (s. Kathodenschutz).
Kathodenschutz - Rafael Oliva's Bergey 1500 versorgt ein Kathodenschutzsystem
für eine Erdgasquelle auf den stürmischen Steppen Patagoniens in
der Nähe von Rio Gallegos in Argentinien. © Paul Gipe.
In anderen Fällen kommen kleine Batterien für den richtigen Betrieb des Windladers zum Einsatz oder zum Speichern von kleinen Ladungsgrößen für windarme Zeiten. Zwei Beispiele sind die Stromversorgung von Gehwegbeleuchtungen und das Laden von elektrischen Zäunen (s. Laden von elektrischen Zäunen).
Aufladen von Elektrozäunen - Diese Marlec 910F lädt einen
Elektrozaun am Folkecenter für Erneuerbare Energie in Dänemark auf.
Die Batterie der Marlec ist auf der linken Seite im Gras versteckt. © Paul Gipe.
Eine verbreitete Niedrigstromanwendung ist die Aufladung von Segelbootbatterien. In Yachthäfen rund um die Welt sind Kleinwindanlagen mit mehreren Blättern wie Ampair und Marlec ein normaler Anblick. Auf Deck oder im Takelwerk montiert, versorgen die Anlagen die Bootsbatterien bei Hafenaufenthalten. (Siehe Batterieaufladung an Bord.)
Batterie Aufladung an Bord - Eine Ampair 100 an Deck
eines Segelbootes im Innenhafen von Kopenhagen.
Tausende von Kleinstanlagen werden weltweit in
Marineanwendungen verwendet. © Paul Gipe.
Ein Drittel der Weltbevölkerung verfügt über keine Elektrizität. Allein in China hat die Hälfte der Bevölkerung keinen Zugang zur Stromversorgung. In vielen Länder der Dritten Welt wird darum gekämpft, die Versorgungssysteme auszudehnen, um den Bedarf nach ländlicher Elektrifizierung zu befriedigen. Dabei folgen die meisten den von den Industrieländern etablierten Mustern: Sie bauen neue Kraftwerke und dehnen die Übertragungsleitungen von den Städten in die ländlichen Regionen aus. Mit dem Aufkommen verlässlicher Hybridanlagen aus Wind- und Solarenergie ist dieser Ansatz zur ländlichen Elektrifizierung weniger sinnvoll als in der Vergangenheit.
“Für Entwicklungsländer ist es kostengünstiger,” sagt Mike Bergey, „Hybridanlagen zu errichten, als stark beanspruchte und häufig unzuverlässige Elektrizität von zentralen Kraftwerken in den großen Städten zu beziehen. Auch wenn diese Anlagen im Vergleich dazu wenig Strom erzeugen, brauchen die Dörfer der Dritten Welt auch wenig Elektrizität. Eine Kilowatt-Stunde Elektrizität ergibt in Indien Strom für mehr als zehnmal so viele Dienste wie etwa im US-Bundesstaat Indiana.
Hybridanlagen mit Klein-WEA ermöglichen es Regierungen mit knapper Finanzdecke, auf schnellem Wege Strom in die Dörfer zu bekommen. Dehnt sich das zentrale Stromversorgungsnetz bis in diese Dörfer aus, können die Hybridanlagen abgebaut und in noch weiter entfernte Dörfer geschickt werden.
Diese Strategie funktioniert auch in der entwickelten Welt. So hat man in Frankreich die Installation von hybriden Wind- und Solaranlagen bezahlt, statt viel Geld für eine Leitungsverlängerung zu entlegenen Bauernhöfen in den Hügeln am Fuße der Pyrenäen auszugeben.
Einige Kleinwindkraftanlagen erzeugen den gleichen Strom wie ihr Energieversorger: Konstantspannungs-, Konstantfrequenz-Wechselstrom. Seit den späten 70iger Jahren ist es Hausbesitzern, Bauern und Unternehmen in nahezu allen Ländern erlaubt, diese Windkraftanlagen mit dem Übertragungsnetz zu verbinden. Rund um den Globus sind buchstäblich Tausende von WEA an die lokalen Übertragungsleitungen angeschlossen worden. Auf seiner Farm in Westpennsylvania ist z.B. Bill Hopwoods 20-kW Jacobs Windkraftanlage seit fast zwanzig Jahren nahezu ständig im Einsatz.
Doch, obwohl das Konzept technisch einfach ist und es in vielen Ländern günstige Gesetze für den Netzanschluss gibt, stehen ihm viele Hindernisse im Wege. Zunächst sind da die Verhandlungen mit der Versorgungsgesellschaft und ihrem Netz, eine Aufgabe, die selbst die biblische Geduld eines Hiob auf die Probe gestellt hätte. Zweitens wird auch eine WEA bei Stromausfällen zur Untätigkeit verurteilt, selbst wenn sich dafür Abhilfe schaffen lässt. Und da Ihre Anlage sich im Wettbewerb mit den großen Strompaketen Ihres Versorgers befindet, sind die Wirtschaftlichkeitsanforderungen strenger als bei einer nicht netzgekoppelten Anlage. Die EVU haben über 100 Jahre Erfahrung mit der Stromerzeugung. Sie hatten also genügend Zeit zu lernen, wie man dies günstig und zuverlässig macht.
Es gibt zwei Arten von WEA, die zur Erzeugung von netzverträglichem Strom geeignet sind: solche, die Induktions- (oder Asynchron-)Generatoren, und solche, die Wechselrichter verwenden. Für welche Art man sich auch entscheidet, die Anbindung an das Versorgungsnetz ist immer die gleiche. Die WEA wird mit den Anschlussklemmen im Schaltkasten Ihres Versorgers oder direkt mit dem Transformator des Versorgungsunternehmens verbunden. Tatsächlich wird die WEA zu einem Bestandteil des Stromkreislaufs des Gebäudes, der dem eines großen Elektrogerätes nicht unähnlich ist.
Falls die Windkraftanlage sich auf der Kundenseite des Stromzählers des Versorgungsunternehmens befindet, verringert sie den Verbrauch der vom EVU gelieferten Elektrizität. Sie versorgt Ihre Uhr, Ihre Stereo-Anlage, Ihren Gefrierschrank oder Ihre Beleuchtung mit Strom. Sie treibt die Melkmaschine oder die Fütterungsanlage eines Bauern an. Kurz gesagt, wo auch immer derzeit der Strom des Energieversorgers fließt, kann die vom Wind erzeugte Elektrizität verwendet werden.
Wenn der Wind weht, erzeugt die WEA Strom, der zum Schaltkasten fließt. Von dort sucht er die Stromkreise, wo Elektrizität verbraucht wird. Bei der Elektrizität heißt es, wer zuerst kommt, mahlt zuerst. Der Strom fließt zu dem ersten Stromkreis, wo er benötigt wird. Falls mehr Energie erzeugt wird, als im ersten Stromkreis verbraucht werden kann, fließt er zum nächsten und so weiter. Kann die WEA nicht so viel Energie, wie benötigt, liefern, gleicht der Versorger den Unterschied aus. Es gibt keine modische Elektronik, die regelt, welcher Kreislauf was bekommt. . Das Schöne an der Elektrizität ist, dass alles still und reibungslos abläuft.
Gibt es wenig oder keinen Verbrauch und die WEA ist in Betrieb, fließt der überschüssige Strom vom Schaltkasten durch den Stromzähler des Versorgers und in die Übertragungsleitungen. In manchen Fällen lassen die Versorger es sogar zu, dass der Stromzähler rückwärts läuft. Rätselhafterweise funktioniert auch das. Und zwar sauber, ordentlich und ohne Probleme. Allerdings verlangen andere Versorger zur Verrichtung der gleichen Arbeit die Verwendung von getrennten Zählern.
Unter den richtigen Bedingungen, z.B. wenn das Versorgungsunternehmen einen angemessen hohen Preis für Stromproduktion aus Wind bezahlt, könnte man mit dem Ernten von Wind Gewinne erzielen. Dies geschieht, indem man die überschüssige Produktion einer Windkraftanlage, die mit einem Hof, Heim oder Unternehmen verbunden ist, verkauft. Sie können auch eine Reihe von WEA mit dem einzigen Zweck errichten, damit Strom für den Verkauf an das Versorgungsunternehmen zu erzeugen.
Ein kommerzieller Windpark oder Windkraftwerk ist nichts weiter als die Großversion einer Windturbine, bei der der Kunde mit einem EVU durch einen Stromzähler verbunden ist. Statt aber den häuslichen Verbrauch eines Heimes oder Unternehmens zu decken, wird sämtliche von dieser Anlage erzeugte Elektrizität an den Stromversorger geliefert.
In den frühen 80iger Jahren fanden einige, ursprünglich für Farmen oder Kleinunternehmen vorgesehene Kleinwindkraftanlagen ihren Weg in die emporschießende Windindustrie Kaliforniens. Dort wurden buchstäblich Tausende solcher Windmaschinen aufgestellt.
Diese Windkraftanlagen waren ein paar Jahre vorher in den Hinterhöfen der Vereinigten Staaten, Dänemarks und Deutschlands zusammengeschraubt worden. Die größten Maschinen dieser Epoche erzeugten etwa 50 kW mit Rotorblättern von 13 bis 15 Metern Durchmesser. Heutzutage gelten diese als klein oder, um es genauer zu sagen, als Windturbinen im Haushaltsformat.
In gemäßigten Klimaverhältnissen besteht der Großteil des Energiebedarfs eines Hauses aus Heizenergie. In vielen Gebieten der Erde besteht ein positiver Zusammenhang zwischen der Verfügbarkeit an Windenergie und der Nachfrage nach Heizung. Es verwundert also nicht, dass es schon viele Versuche gegeben hat, Kleinwindkraftanlagen ausschließlich für Heizzwecke einzusetzen. Anhänger des Windofen Konzeptes glaubten, dass die gleichen Winde, die ein Haus im Winter seiner Wärme berauben, zum Heizen verwendet werden könnten. Sie behaupteten, dass die Erzeugung von Energie minderer Qualität entweder mit einem Wechselstromgenerator oder einer mechanischen Milchkanne billiger wäre als die Erzeugung der gleichen Menge von netzverträglicher Elektrizität. Und sie meinten, dies sei einfacher als der Versuch, den von der Elektrizitätsgesellschaft geforderten hochwertigen Strom zu erzeugen.
Leider hat sich das nie bewahrheitet. Sowohl in Dänemark als auch in Amerika haben Unternehmen versucht, das Konzept in den 70iger und den frühen 80iger und wieder in den 90iger Jahren zu kommerzialisieren. Keines hat sich weit verbreitet. Dagegen hat die Erfahrung gelehrt, dass es in den meisten Fällen billiger und leichter ist, die Anlage direkt an das Versorgungsunternehmen anzuschließen, als Heizwärme zu erzeugen und den Überschuss für windarme Zeiten zu speichern. Häufig ist es kostengünstiger, eine für alle Zwecke nutzbare, hochwertige Form von Elektrizität zu erzeugen, - falls gewünscht einschließlich der Hauswärme - als eine Windkraftanlage nur für einen bestimmten Zweck zu bauen. (s. Windofen der Universität von Massachusetts ).
Windofen der Universität von Massachusetts - Experimentelle Windturbine
an der Universität von Massachusetts um 1980 zum Beheizen der nahe gelegenen
experimentellen Gebäude. Verschiedene Firmen versuchten mit wenig Erfolg,
das Konzept zu kommerzialisieren. © Paul Gipe.
Es gibt mehrere Beispiele, wo WEA im Haushaltsformat zur Erzeugung zusätzlicher Heizwärme verwendet wurden. Jahrelang hat Bergey Windpower sein Excel Modell an die Nordamerikaner in „alles elektrisch“ Häusern vermarktet, in denen die WEA einen Teil oder die gesamte Heizlast trägt. Aber die Excel erzeugt netzverträgliche Elektrizität, die sich überall im Haus verwendet lässt – oder an das EVU zurückverkauft werden kann. In ähnlicher Weise betreibt der französische Hersteller Vergnet schon seit langem eine Anlage auf den stürmischen Orkney Inseln Großbritanniens, die Strom zum Heizen erzeugt. Wie Bergeys Excel können Vergnets Anlagen zur Produktion von netzverträglichem Strom zum Heizen verwendet werden.
Geschichtlich gesehen sind Windmaschinen zum Wasserpumpen benutzt worden, und das Pumpen von Wasser bleibt auch heute eine wichtige Anwendung der Windenergie sowohl in der entwickelten als auch in der sich entwickelnden Welt. Die amerikanische Farmwindmühle, in einigen Teilen der Erde als Chicago Mühle bekannt, pumpt verlässlich niedrige Wassermengen aus dürftigen Brunnen. Diese vielblättrigen Windpumpen sind heute noch auf den Great Plains in Nordamerika, der argentinischen Pampa, dem australischen Outback und Südafrikas Veldt weit verbreitet und werden zum Füllen von entlegenen Vorratstanks verwendet. Mehr als eine Million dieser Windpumpen befinden sich wahrscheinlich noch weltweit im Gebrauch. (s. Windpumpen)
Windgetriebene Pumpen - Im Vordergrund: Amerikanische Farmwindmühle auf
einer Ranch in Colorado in der Nähe der Staatsgrenze von Wyoming.
Im Hintergrund: 700-kW NEG-Micon WEA als Teil des Ponnequin Windparks. © Paul Gipe.
Forscher des Alternative Energy Institute der A & M Universität in Westtexas und des Forschungsdienstes des US-amerikanischen Landwirtschafts-Ministeriums haben größere Fortschritte in der Wasserpumpen Technologie gemacht, in den 80iger Jahren zunächst mit der windunterstützten Bewässerung und später in den 90igern mit windelektrischen Pumpanlagen. Diese Forscher haben, in Zusammenarbeit mit Herstellern von Kleinwindkraftanlagen, Pumpsysteme entwickelt, die moderne Elektronik an kleine Windlader koppeln, mit denen der Bedarf an unhandlichen Batterien drastisch verringert wird. Diese windgetriebenen, elektrischen Pumpanlagen liefern unter bestimmten Bedingungen mehr Wasser zu geringeren Kosten als traditionelle Farm-Windmühlen.
Kleine Windkraftanlagen finden also weltweit zunehmend größere Verwendung, vom Pumpen von Wasser in Nordamerikas Südwesten bis zum Kochen von Teewasser auf den mongolischen Steppen.
Dieser Bericht basiert auf dem Buch Wind Power - Renewable Energy for Home,Farm, and Business, Chelsea Green Publishing (ISBN: 1-931498-14-8), 2004 von Paul Gipe:
http://www.wind-works.org/books/wind_power2004_home.html