Kleinwind-Innovationen und Startups: Konzepte umfassend prüfen

Dynamische Gründerszene bei Kleinwindanlagen

Die weltweite Dynamik in der Forschung und Entwicklung neuer Kleinwindkraftanlagen ist nach wie vor beeindruckend. Fast wöchentlich stößt man auf aktuelle F&E-Projekte oder Neugründungen. Mit sehr unterschiedlichen technischen Konzepten, darunter horizontale und vertikale Windenergieanlagen.

Langfristig sorgt der Markt für eine Bereinigung: Wer nicht genug Käufer für seine kleinen Windkraftanlagen findet, wird die Segel streichen müssen. Als Investor muss man eine Entscheidung fällen: Welchen Gründern gebe ich mein Geld?

Experten sehen große Diskrepanzen bei Erfolgsaussichten

Im Dialog mit anderen Kleinwind-Experten über technische Neuerungen und Geschäftsmodelle ist man sich oft einig. Manchen Startups werden gute Chancen bescheinigt, das technische Konzept der Kleinwindanlage ist stimmig. Auch für das Anwendungskonzept gibt es einen Markt. 

Andere Gründer lassen ein konsistentes Konzept vermissen. Dazu gehören Leistungsdaten der Windanlage, die zu physikalisch nicht möglichen Wirkungsgraden führen. Darauf aufbauende Ertrags- und Wirtschaftlichkeitsrechnungen werden ad absurdum geführt. 

Rolle der Kleinwindkraft als Energietechnik

Welche Rolle kann eine Kleinwindkraftanlage als Teil eines dezentralen Energiesystems erfüllen? Wo wiederum sind die Grenzen gesetzt?

Windkraft ergänzt fehlende Sonnenkraft

Mini-Windanlagen können PV-Anlagen als Stromquelle während sonnenarmer Zeiten sehr gut ergänzen. Weiterer Vorteil: Batterien werden von zwei Quellen gespeist und können kleiner dimensioniert werden.

Woken im Gebirge

Entscheidend ist die Klimazone, verbunden mit der Frage: Gibt es eine längere Periode ohne Solarstrahlung, in der das Kleinwindrad als Stromquelle zum Zuge kommt? Das kann wie in Mitteleuropa der lange und dunkle Winter sein, als auch eine Regenzeit sowie längere Wolkenperioden.

Wenn man allerdings an einem Standort das ganze Jahr über Sonne hat (Wüstenklima), dann wird wohl die Kombination aus Photovoltaik (Solarstrom) und Batterien das wirtschaftlichste System sein.

An sehr windstarken Standorten wie z.B. auf Inseln, in Küstenlagen als auch Höhenlagen kann eine kleine Windanlage im Vergleich mit Photovoltaik konkurrenzfähig sein: Kosten des produzierten Stroms von 10 Cent pro Kilowattstunde sind möglich.

Energie während der Heizperiode

In der klimatisch gemäßigten Zone in Mittel- und Nord-Europa gilt: Der Wind ist vor allem im Herbst und Winter stark d.h. wenn der Bedarf an Wärmeenergie besonders groß ist. Deshalb bietet sich beispielsweise die Kombination eine Kleinwindanlage mit einer Wärmepumpe an. Eine direkte Wassererwärmung durch die Windkraftanlage kann über einen Heizstab (Heizpatrone) erfolgen.

Geringer Platzbedarf

Ein oft übersehener Vorteil von Kleinwindturbinen: Der geringe Platzbedarf. Es wird nur sehr wenig Fläche für die Installation der Anlage benötigt. Der Rotor zur „Ernte“ der Windenergie befindet sich über dem Boden. Ein wichtiger Grund, warum Mikrowindanlagen auf Segelschiffen so beliebt sind: Man hat für Solarstrommodule keinen bzw. nur wenig Platz. PV-Module müssen in der Fläche aufgebaut werden.

mini-windanlage auf segelboot

Eine PV-Anlage mit einer Leistung von 10 kW benötigt eine Fläche von rund 100 Quadratmeter (qm). Das Fundament einer Kleinwindanlage gleicher Leistung wird ungefähr 10 qm Boden beanspruchen. Ein Rohrmast hat einen Durchmesser von wenigen Dezimetern.

Herausforderungen der Kleinwindkraft

Jede Technologie hat Stärken und Schwächen. Was sind die wichtigsten Herausforderungen der Kleinwindkraft?

Windpotenzial am Standort als kritischer Faktor

Die Höhe von Kleinwindkraftanlagen beträgt in der Regel unter 30 m. Je geringer der Abstand zum Boden, desto schwächer der Wind. Jedes Objekt in Hauptwindrichtung schmälert den Energieertrag.

Man muss die Eignung eines Standorts genau prüfen: Ist in Rotorhöhe genug Wind vorhanden? Bei Solaranlagen ist es einfacher, sofern das Solarpotenzial generell hoch genug ist: Fast jeder Standort ist geeignet, weil die Sonne auch in Bodennähe genug Kraft hat.

Spezifische Investitionskosten

Kleinwindanlagen sind noch nicht in der Massenproduktion wie Solarzellen und -module. Die spezifischen Investitionskosten sind höher. Die Kosten pro Kilowatt Leistung liegen im Schnitt bei 5.000 Euro und damit höher als bei Photovoltaik-Anlagen. Nichtsdestotrotz können vor allem gewerblich genutzte Kleinwindenergieanlagen ab 10 kW Leistung an windstarken Standorten günstig Strom produzieren.

Wichtig: Die spezifischen Investitionskosten (€/kW) sind bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit und dem Vergleich verschiedener Modelle nicht entscheidend. Maßgeblich sind die Kosten des produzierten Stroms

Hohe Anlagenqualität unverzichtbar

Eine hohe Güte der Anlagentechnik ist essenziell, da der Wind bei hohen Geschwindigkeiten enorme Lasten ausübt. Der erste Test eines Prototypen auf freiem Feld: Überlebt die Anlage einen Sturm? Viele gute Hersteller haben bewiesen, dass Kleinwindkraft ausgereift ist.

Kleinwindrad Gondel

Evaluierung von Kleinwind-Innovationen

Auf was sollte man achten, wenn man technische Konzepte und Geschäftsmodelle evaluiert?

Windangebot am typischen Aufstellungsort

An welchen Standorten sollen die Windanlagen in der Regel laufen? Auf sehr windstarken Bohrinseln in der Nordsee oder im deutschen Binnenland?

Windanlagen werden für konkrete Umweltbedingungen konstruiert, für Standorte mit einem spezifischen Windpotenzial (Windklassen). Es gibt Windanlagen für dezidierte Starkwindstandort und Windräder für mäßiges Windangebot. Gibt es hierfür ein klares Konzept? Sind die typischen Anlagenstandorte überhaupt ausreichend vorhanden bzw. realistisch?

Beispiel 1:
Eine Mikrowindanlage wird speziell für die autarke Energieversorgung von Sendemasten oder ähnlichen Anwendungen konstruiert. Sendemasten sind fast immer hochgelegen und haben guten Windbedingungen. Ferner kann man die Marktgröße gut analysieren, wie dieser Bericht zeigt. Ein sinnvolles Konzept.

Beispiel 2:
Eine Mikrowindanlage soll vorwiegend auf den Dächern von Privathäusern d.h. in Wohngebieten installiert werden. Generell haben die meisten Wohngebietslagen zu wenig Wind. Dächer sind zudem meist nicht geeignet, ebenfalls aufgrund schwieriger Windverhältnisse. Ein höchst fragwürdiges Konzept.

Solarangebot prüfen

Wenn bestimmte Länder als Märkte ins Auge gefasst wurden, sollte man dort das Angebot an Solarstrahlung prüfen. Brauche ich überhaupt eine Kleinwindanlage? Kann ich ggf. die Tage ohne Sonne durch Batterien überbrücken? Ist die Kombination PV + Batterie ausreichend?

Wirtschaftlichkeit: Ist das Kleinwindrad konkurrenzfähig?

Wirtschaftlichkeit bezieht sich auf die Kosten des produzierten Stroms. Welchen Strompreis zahlen die typischen Käufer der Windanlage heute? Bei autarken Inselnetzen werden es die Kosten der Kilowattstunde Strom durch den Dieselgenerator sein. Bei normalen mit dem öffentlichen Stromnetz verbundenen Objekten zieht man den Strompreis heran.

Vor allem in Deutschland ist der hohe und steigende Strompreis ein Kernargument für die Anschaffung einer Kleinwindanlage. In Österreich ist der Strompreis deutlich niedriger, der Anreiz für die Anschaffung einer kleinen Windturbine geringer. Wichtig: Die Strompreiserhöhung mit beachten.

In manchen Ländern gibt es einen Einspeisetarif für Kleinwindanlagen. Liegt dieser höher als der Strompreis, ist der Einspeisetarif die Grundlage für Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen. Allerdings bergen solche Tarife für die Hersteller auch eine Gefahr, wie weiter unten beschrieben wird.

Mit dem Kleinwindanlagen-Rechner erfährt man die Zusammenhänge zwischen Windangebot, Investitionskosten und Wirtschaftlichkeit. Am besten zuerst das Lern-Video anschauen, danach des Online-Tool selbst ausprobieren.

Motive der Käufer jenseits der Wirtschaftlichkeit

Für viele an Kleinwindkraft interessierte Menschen stehen keine monetären Aspekte im Vordergrund. Das merke ich häufig im Dialog mit meinen Lesern. Vor allem viele private Hausbesitzer wollen mit einer Kleinwindanlage ihren Autarkiegrad erhöhen. Andere sehen es als Hobby und haben Spaß an der Technik. Als Startup muss man diese Käuferpsychologie richtig einschätzen können.

Rahmenbedingungen einzelner Ländermärkte

In fortgeschrittenen Kleinwind-Märkten wie den USA gibt es spezielle Zertifizierungen für Kleinwindanlagen. Diese benötigt man, wenn der Käufer der Windanlage wichtige Vorteile wie Einspeisetarife oder steuerliche Begünstigungen nutzen möchte. Die Vollzertifizierung einer Windturbine ist für den Hersteller teuer, pro Anlage ab 100.000 Euro. Wenn man in diese Märkte will, sollte dafür Geld vorhanden sein.

Vom Staat implementierte Anreizsysteme wie Einspeisetarife oder Net-Metering (Stromzähler läuft bei Einspeisung rückwärts) sind auf den ersten Blick zu begrüßen, stellen aber für Anbieter kleiner Windkraftanlagen eine Gefahr da. Es gibt diverse Beispiele dafür, dass der Staat Förderbedingungen in kürzester Zeit abgeschafft hat. Resultat: Zusammenbruch des Marktes.

Nachhaltig sind Geschäftsmodelle, die auf dem Eigenverbrauch des Stroms basieren. Das gilt zum einen für netzferne, autarke Systeme. Zum anderen für Länder mit hohem Strompreis wie Deutschland.

Zu den wichtigen Rahmenbedingungen gehört die Baugenehmigung. Diese ist oft abhängig von der Größe der Windanlage. Hier sollte man in den Kernmärkten die Genehmigungspraxis unbedingt prüfen.

Prüfung des technischen Konzepts

Wichtigste Komponente ist der Rotor. Hier gibt es bei Kleinwindanlagen eine große Bandbreite an technischen Konzepten. Der Rotor beeinflusst maßgeblich den Wirkungsgrad und damit die Stromerträge. Stand der Technik sind eindeutig Windanlagen mit horizontaler Rotorachse. Doch das Interesse an vertikalen Windanlagen ist ungebrochen groß. Um einen Überblick zum technischen Design und Rotorkonzepten zu bekommen, sollte man das Buch von Paul Gipe lesen (siehe unten). Zur Prüfung einer konkreten Windanlage sollte man einen Experten kontaktieren (siehe Empfehlungen weiter unten).

Rotor einer kleinen Windanlage

Jede professionelle Windanlage benötig eine Sturmsicherung. Es muss eine zuverlässige Regelung für Sturmsituationen geben. Wortwörtlich gilt: Damit steht und fällt die Kleinwindanlage.

Augenmerk sollte man auch auf die Einspeisetechnologie richten: Laderegler für eine Batterie oder Wechselrichter für die Netzeinspeisung. Gibt es hierfür eine eigene Lösung oder durch einen Zulieferer? Bei Wechselrichtern muss man länderkonforme Richtlinien einhalten.

Neues Buch von Paul Gipe lesen

Paul Gipe

Jeder der Zeit und Geld in die Entwicklung einer Kleinwindkraftanlage stecken will, muss das aktuelle Buch des US-Experten Paul Gipe lesen:
Windenergy for the rest of us. Neu erschienen im Dezember 2016, auf Englisch. Formate und Anbieter des Buchs erwähnt er auf seiner eigenen Seite.

Paul Gipe ist einer der weltweit führenden Windkraft-Experten mit großem Erfahrungsschatz und im Vorstand des Welt-Windenergie-Verbands WWEA. Paul Gipe beobachtet seit den 70er Jahren die Entwicklung der Windkraft-Branche. Damals gab es nur Kleinwindanlagen, Großwindanlagen und Windparks kamen später hinzu.

Er beschreibt ausführlich, was alles an technischen Konzepten und Rotorformen probiert wurde. Was funktioniert hat und welches Anlagendesign sich bislang nicht durchgesetzt hat. Das können wichtige Hinweise vor allem für Startups sein, die neue oder ungewöhnliche Rotorformen im Blick haben. Wurde etwas Ähnliches schon probiert? Wenn ja, warum hat sich das Anlagendesign nicht durchgesetzt? Was genau war das Problem? Haben wir für das Problem heute eine Lösung?

Aus Kleinwind-Perspektive nicht verpassen sollte man folgende Kapitel:
6 - Vertical-Axis and Darrieus Wind Turbines.
7 - Novel Wind Systems.

Prototyp auf freiem Feld testen

Für den Fußball gilt: Die Wahrheit liegt auf dem Platz. Für das Mini-Windrad: Die Wahrheit liegt auf freiem Feld.

Der Test der Windanlage auf freiem Feld unter natürlichen Windbedingungen ist unverzichtbar! Tests im Windtunnel sind dafür kein Ersatz. Zunächst wird auf dem Testfeld die Sturmsicherheit geprüft. Ferner wird die Leistung des Generators gemessen und daraus die Leistungskurve abgeleitet. Ohne korrekte Leistungskurve können keine Ertrags- und Wirtschaftlichkeitsberechnungen durchgeführt werden. Auch die Schallvermessung ist wichtig.

Für die Erstellung eines Prototypen und dessen Erprobung auf einem windstarken Testgelände muss man genug Zeit und Geld einplanen. Der erfolgreiche Betrieb auf einem unabhängigen Testfeld ist zugleich die beste PR. Für mich als neutralen Fachjournalisten sind Testfeldergebnisse mit die wichtigsten Informationen. Der selbst gemalten Leistungskurve eines Herstellers begegne ich erst mal mit Skepsis. Maßgeblich sind die vom Testfeld-Betreiber ausgestellten Prüfdokumente.

Unabhängige Experten für Kleinwind-Technik

Für die Prüfung einer konkreten Windanlage sollte man die Einschätzung eines Experten einholen. Dieser sollte neutral d.h. herstellerunabhängig und erfahren sein. Expertise: Test und Vermessung von Windanlagen. Ansprechpartner findet man z.B. in unabhängigen Prüfinstituten, bei Betreibern von Testfeldern und in spezialisierten Ingenieurbüros.

Empfehlungen für Kleinwind-Experten:

Uwe Hallenga, Betreiber des Kleinwind-Forums unter kleinwindanlagen.de, Windenergie-Gutachter und Fachbuch-Autor.

Eric Effern und Robert Weis, Windtest Grevenbroich GmbH.
Das Unternehmen betreibt ein Testfeld in NRW. www.windtest-nrw.de

Günther Hacker, Entwicklung von Mikrowindanlagen und Einspeisetechnologie, Fachbuch-Autor. www.wind-mobil.de

Matthias Gehling, Sprecher der Regionalgruppe Ost im Bundesverband Kleinwindanlagen, sein Ingenieurbüro: www.gehl-ing.de

Dr. Dieter Frey, Ingenieurbüro für Windanlagen-Vermessung:
www.ing-buero-frey.de

Kurt Leeb, Experte aus Österreich, zuständig für das Kleinwind-Testfeld in Österreich.

Man kann auch die Betreiber des Kleinwind-Testfelds in Dänemark kontaktieren.

Fazit

Die Betrachtung der technischen Innovation alleine reicht nicht. Die Technik muss für einen konkreten Standorttyp und Anwendungszweck ausgelegt sein. Dafür muss es ein Konzept geben. Die ganzheitliche Betrachtung einer Geschäftsidee im Bereich der Kleinwindkraft ist unverzichtbar. Dann hat man deutlich bessere Chancen, sich langfristig mit seiner Innovation durchzusetzen.

Autor: Patrick Jüttemann