Winde in höheren Lagen haben enormes Potential zur Produktion von Strom. Konventionelle Systeme wie Windturbinen stossen bei dessen Ausschöpfung aber an bestimmte Grenzen. Das Unternehmen TwingTec aus Zürich möchte hier neue Wege beschreiten und aufzeigen, wie künftig mit modifizierten Lenkdrachen Energie gewonnen werden kann.

Weltweit gesehen ist das Potential zur Produktion von Strom durch Windenergie beinahe unerschöpflich. Es verwundert daher nicht, dass in der jüngeren Vergangenheit, zu den konventionellen Windkraftanlagen, den Windturbinen, vermehrt auch neue Ansätze zur Erschliessung der Windenergie entwickelt wurden. Für das Gelingen der Energiewende sind solche Innovationen von zentraler Bedeutung. Als potentielle Alternativen und Ergänzungen zu bestehenden Systemen treiben sie die Entwicklung neuer Technologien im Bereich der Förderung alternativer Energien voran. Eines dieser Konzepte stammt aus Zürich und ist heute bereits weit fortgeschritten. Dahinter steht die Firma TwingTec. Mit ihrem „Twing“, einer Chimäre aus Segelflugzeug, Drohne und Drachen möchte das Unternehmen nichts weniger als die Windenergiebranche revolutionieren.

Windenergiepotential Schweiz und Nutzung

In der Schweiz spielt die Nutzung der Windenergie gegenwärtig noch eine geringe Rolle. Lediglich 0.2 % (120 GWh) des gesamten Schweizer Stromverbrauchs wurden 2016 durch die 37 bestehenden Anlagen aus der Windkraft gewonnen. Mit der Energiestrategie 2050 soll sich das ändern. Vorgesehen ist darin, dass dieser Anteil auf 7 bis 10 % ansteigen soll. Das Ziel ist ambitioniert, aber nicht abwegig. So bestritten Ende 2016 beispielsweise Deutschland 16 %, Österreich 10.4 % und Holland 8.4 % ihres Stromverbrauchs mit Windenergie. Dänemark gar 42 %.

Dass das Potential der Windenergie einen erheblichen Beitrag zur Energiewende in der Schweiz beitragen kann, wurde unlängst auch durch den vom Bundesamt für Energie (BFE) veröffentlichten „Windatlas Schweiz“ noch einmal bestätigt und erweitert. Gemäss diesem eignen sich bedeutend mehr Gebiete in der Schweiz, insbesondere im Mittelland und in der Nordostschweiz, zur Nutzung von Windenergie als bisher angenommen. Bereits 2004 ging das BFE in seinem „Konzept Windenergie“ von einem maximalen Potential bei der Nutzung von Windenergie in der Schweiz mit konventionellen Windturbinen von einer möglichen Jahresproduktion von 4000 GWh aus. Um diese zu erreichen wären rund 100 Standorte mit 730 Turbinen und 1900 Einzelturbinen notwendig. Zum Vergleich: Im benachbarten Baden-Württemberg stehen heute 563 Windenergieanlagen und in Bayern deren 1061. Ca. 650 solcher Anlagen würde es nach heutigem Stand brauchen um die Leistung eines AKWs der Grösse von Mühleberg (2300 GWh) zu ersetzen.

Wenn man nun die Möglichkeit hätte, Winde in bedeutend höheren Lagen zur Energieproduktion zu nutzen, als dies mit Windturbinen möglich ist, ergäben sich daraus ganz neue Dimensionen. Rolf Luchsinger, CEO und Mitgründer von TwinTec meint dazu: „Klassische Windkraftanlagen haben ihre Begrenzungen. Es ist ein wenig so, als würde man eine Solarzelle im Wald aufstellen. Sie liefert auch hier Strom. Aber sie ist nicht unbedingt am Ort mit den besten Voraussetzungen dafür.“ TwingTec möchte mit ihrem Produkt an diesen Ort. In luftigere Höhen.

Flugwindkraftwerke – Der neue Ansatz aus der Luft

Im Ausgangszustand bei Windstille oder wenn sich das Seil neu aufwickelt.

Sogenannte Flugwindkraftwerke (engl. airborne wind-energy conversion systems) bilden einen ganz neuen Ansatz in der Nutzung der Windenergie zur Stromproduktion. Bei den „Crosswind kite power systems“ (CWKPS) werden drachenähnliche Fluggeräte eingesetzt, die die stärker gehenden Winde in grösseren Höhen zur Produktion von Strom nutzen. Die theoretischen Grundlagen dafür legte der amerikanische Ingenieur Miles L. Loyd in seinem Fachartikel „Crosswind Kite Power“ bereits 1980. In den Jahren nach der Erdölkrise von 1973 verlangte der Zeitgeist nach Alternativen zu fossilen Brennstoffen. Die Phase hielt nicht lange. Mit dem bald darauf wieder sinkenden Ölpreis verschwand das Interesse am stromproduzierenden Drachen und die Forschung verlagerte sich wieder hin zu konventionellen Windkraftanlagen.

Ab der Jahrtausendwende erlebte die CWKP eine Renaissance. Technische Neuerungen in den Bereichen von Materialien, Sensoren und autonom fliegenden Systemen und nicht zuletzt auch das Aufkommen des Kitesurfens rückten die Möglichkeit der kommerziellen Nutzung der CWKP wieder in den Fokus einer zunächst kleinen Öffentlichkeit. „Das Potential der CWKP ist enorm. Und wenn es erst einmal voll ausgeschöpft werden kann, beinahe unendlich.“ Rund ein Duzend Unternehmen existieren heute weltweit, die, auf unterschiedlichen Wegen, an der Realisierung solcher Systeme arbeiten.

TwingTec und Technologiesynergien

Eines davon ist TwingTec. Die Firma ist ein Spin-Off-Unternehmen der EMPA und der Fachhochschule Nordwestschweiz und existiert seit 2013. Die Idee zum Twing (einem Kompositum der englischen Wörter „tethered“ und „wing“) ging aus einem interdisziplinären Forschungsprojekt von EMPA, ETH und der FHNW heraus, das 2011 begann und auf zwei Jahre ausgelegt war. In dieser Zeit entstanden die Grundlagen für das neue Fluggerät. Nach Beendigung des Projekts beschlossen fünf ehemalige Mitarbeiter desselben die Idee weiterzuverfolgen und gründeten TwingTec. Waren erste Entwürfe des Twings optisch noch stark an klassische Lenkdrachen angelehnt, gleicht er heute viel mehr einem Flugzeug.

Einen besonders starken Entwicklungsschub erlebte der Twing in den vergangenen fünf Jahren durch die Fortschritte, die bei der zivilen Drohnentechnologie in den Bereichen der Sensorik und der Steuerung gemacht wurden. „Was hier früher dem Militär vorbehalten war, hat sich heute immer mehr auch für die private Anwendung durchgesetzt.“ Für den Twing eröffneten sich dadurch ganz neue Perspektiven. „Diese technologischen Neuerungen haben es möglich gemacht den Twing kleiner, leichter und super effizient zu machen. Gerade das sind heute die zentralen Voraussetzungen dafür, dieses Gerät zur kommerziellen Stromproduktion zu nutzen.“ TwingTec war denn auch das erste Unternehmen, das bei seinem Produkt auf Drohnentechnologie setzte und Rotoren bei seinem Fluggerät einbaute.

Was Luchsinger hier anspricht ist ein zentraler Aspekt im Bereich des technischen Fortschrittes zur Nutzung alternativer Energie: das Wahrnehmen und Verarbeiten von Synergien aus unterschiedlichen Bereichen und Branchen zur Entwicklung neuer Technologien. Durch sie werden neue Systeme letztlich auch wirtschaftlich marktfähiger. An einem anderen Beispiel des Twing-Systems lässt sich dies gleichfalls veranschaulichen. „Unsere Bodenstation ist, etwas salopp gesprochen, ein Elektroauto, das auf dem Dach liegt und wo um eine Radfelge eine Schnur herumgewickelt ist. Mit den Fortschritten in der Elektroautobranche in der jüngsten Vergangenheit sind die Komponenten, wie Motoren und Batterien, für das System erschwinglich geworden. Konventionelle Windkraftanlagen kranken etwas daran, dass es diese nur in relativ kleinen Stückzahlen gibt. Das hält den Preis heute noch hoch.“

Von den Vorteilen einer fliegenden Chimäre

Zentral für die Produktion von Strom mit CWKP-Systemen sind die stärker werdenden Winde in höheren Lagen. Da sich die Windleistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit erhöht, ist die durchschnittliche, nutzbare Energiedichte in einem Jetstream (rund 10 km Höhe), bei einer Windgeschwindigkeit von 40m/s 512 Mal höher als bei Wind am Boden, der mit einer Geschwindigkeit von 5m/s weht. „Ganz am Anfang existierte in der Branche noch die Vorstellungen, dass man mit Stoffdrachen bis zu den Jetstreams fliegen kann um hier Energie zu gewinnen. Heute ist man aber realistischer.“

Das Leistungspotential des Twings überzeugt denn auch in bedeutend niedrigeren Höhen. In einer Flughöhe von 300 Metern erzielt der kleine Prototyp von TwingTec rund 10 KW. Das Twing-System selbst besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Fluggerät, einer Bodenstation und einem Seil, das erstere beide miteinander verbindet. Die Stromproduktion findet in der Bodenstation mittels einer Winde und einem Generator statt. Einmal in der gewünschten Höhe angekommen, fliegt der Twing, durch den Wind angetrieben, autonom Kreise gegen denselben und gibt die dabei entstehende Energie über das Seil zur Bodenstation weiter, wo sie dann in Strom verwandelt wird. Ab einem bestimmten Punkt sinkt der Twing dann wieder herab und ein neuer Produktionszyklus kann beginnen. Rund zwei bis drei Minuten dauert dieser. Bei abflauendem oder ausbleibendem Wind landet der Twing selbständig auf der Bodenstation.

Das wirklich Spezielle am Twing ist, dass er eine flugtechnische Chimäre darstellt. „Zum Starten und zum Landen ist er eine Multikopter-Drohne mit drei Rotoren. Während der eigentlichen Stromproduktionsphase ist er ein Drachen, der im Wind, wie ein Flugzeug mit Klappen gesteuert wird und im Sinkflug wird er zum Segelflugzeug“, so Luchsinger. Die Vorteile des Twing-Systems liegen auf der Hand. Es reduziert die Nutzung der Windkraft auf das absolute Minimum. Im spezifischen Fall auf einen Generator und einen Flügel. Anders als bei konventionellen Windkraftanlagen kommt das System ohne Turm und Fundament aus. Ersetzt werden diese hier durch das Seil. „Der Twing ist damit ein Vielfaches leichter als eine konventionelle Windturbine. Darüber hinaus ist das System äusserst mobil und innerhalb von rund einem Tag einsetzbar.“

Der zentrale Vorteil des Twing-Systems ist aber seine Möglichkeit die Operationshöhe zu variieren und damit die Stromproduktion erhöhen zu können. Herkömmliche Windturbinen erreichen normalerweise eine Maximalhöhe von 150 bis 200 Metern.

Aussichten und Zielmarkt

Offshore-Twings wären im Gegensatz zu Windrädern nicht nur in Untiefen einsetzbar sondern auch auf dem offenen Meer.

Strom mit Twings zu produzieren ist heute bereits Realität. Entsprechende Prototypen existieren. „Jetzt geht es darum den nächsten Schritt zu gehen und ihre Zuverlässlichkeit zu prüfen. Wir möchten damit aufzeigen, dass unser Fluggerät auch marktfähig sein kann.“ Der Twing, der für die zweijährige Pilotphase auf dem Gebiet einer kanadischen Mine im kommenden Jahr vorgesehen ist, wird aktuell gebaut. Je nach Stand der Dinge soll dem Prototyp in wenigen Jahren der TT100, ein Twing mit einer Spannweite von 15 Metern und einer Leistung von 100 KW folgen. Luchsinger sieht das Twing-System nicht primär als direkte Konkurrenz zur konventionellen Windkraft. „Es geht nicht darum Windturbinen zu ersetzen. Vielmehr soll das Potential der Windkraft dort erweitert werden, wo die Möglichkeiten der klassischen Windturbine enden. Damit kann die Windkraft als solche noch nutzbarer gemacht werden. Die dafür notwendigen Technologien und Materialien sind heute vorhanden.“

Grosse Chancen könnte das System schon bald vor allem im Offgrid-Bereich, zum Beispiel bei Minen, abgelegenen Siedlungen oder auf Inseln haben, wo keine Anbindung an ein bestehendes Stromnetz existiert. Hier wäre es eine echte Konkurrenz für Generatoren, die mit Diesel betankt werden, der über weite Distanzen zum Zielort transportiert werden muss. „Mittel- bis längerfristig ist aber auch ein Einsatz der Twings in der Schweiz absolut denkbar. Vor allem im Alpenraum.“ Und wer weiss, womöglich werden dereinst einmal Bergbahnen mit Twings betrieben oder sie ziehen ihre Kreise hoch über einem Schweizer Staudamm und speisen dabei Strom ins Netz ein.

Remo Boretti