Wie können Windkraftanlagen zu einer autarken Stromversorgung beitragen?

Windkraftanlagen als autarke Stromversorgung


Was ist autarke Stromversorgung?

Der Begriff “autark” oder “off-grid” im Englischen beschreibt Gebäude, Ortsgemeinschaften oder einen Lebensstil, die von einigen oder allen Versorgungseinrichtungen unabhängig sind. In der Regel liegt dabei der Fokus auf einer netzunabhängigen Stromversorgung, prinzipiell können aber auch Wasser- und Abwassersysteme mit einbezogen werden.

Herkömmliche Methoden für eine autarke Stromversorgung sind beispielsweise Diesel-Generatoren, deren umweltschädigender Einfluss heute allerdings stark in der Kritik steht. Moderne netzunabhängige Energiesysteme bestehen üblicherweise aus einer oder mehreren erneuerbaren Energiequellen und nutzen Batterien oder Dieselgeneratoren als Notstromversorgung. Um autarke Systeme praktikabel zu machen, werden für gewöhnlich Steuerungs- und Energiespeichersysteme installiert.


Was sind die Vor- und Nachteile autarker Stromversorgung?


Unabhängigkeit vom Stromnetz

Der bedeutendste und offensichtlichste Vorteil bei der Nutzung einer autarken Stromversorgung ist die Unabhängigkeit vom Stromnetz. Für Menschen, die in abgelegenen Gebieten leben, ermöglicht diese Lösung die Vermeidung hoher Kosten für die Bereitstellung der Infrastruktur, die für den Anschluss an das Stromnetz erforderlich ist. Diese können sich normalerweise auf Zehntausende Euro pro Kilometer Entfernung belaufen. In Entwicklungsländern werden zunehmend netzunabhängige Stromversorgungssysteme als eine zuverlässige und oft sogar die einzige Möglichkeit zur Bereitstellung von Elektrizität für die Menschen genutzt.

Und sogar für Bewohner städtischer Gebiete kann eine unabhängige Stromerzeugung eine attraktive Option sein. Off-Grid-Energiesysteme sind von Stromausfällen nicht betroffen. Darüber hinaus können sie eine umweltfreundlichere Lösung darstellen, je nach den Energiequellen, die vom Stromnetz und vom netzunabhängigen System genutzt werden.


Kosten

All diese Vorteile haben ihren Preis, sowohl im wörtlichen als auch im übertragenen Sinne. Vor dem Kauf eines Systems, das in der Lage ist, den Energiebedarf eines Gebäudes oder Haushalts zu decken, muss man wissen, wie viel elektrische Energie dort verbraucht wird. Trotz langfristiger Einsparungen kann die Anschaffung der Anlagen eine kostspielige Erstinvestition sein.

Des Weiteren erfordert die Installation eines netzunabhängigen Stromversorgungssystems mehr als lediglich die Montage eines Photovoltaikmoduls oder einer Windturbine auf dem Dach. Es müssen Batterien und diverse Steuerungshardware installiert werden, was die Gesamtkosten im Vergleich zu einem netzgebundenen System gleicher Leistung um etwa ein Drittel erhöht.


Zusätzliche Ausrüstung

Der Großteil der zusätzlichen Ausrüstung, die für den Betrieb eines netzunabhängigen Stromversorgungssystems benötigt wird, stellt den sogenannten „Systemausgleich“ dar. Der Zweck dessen Installation besteht darin, saisonale und tägliche Schwankungen der Stromversorgung und des Verbrauchs auszugleichen. Denn einerseits scheint die Sonne nicht immer mit der gleichen Intensität und ebenso sehr schwankt auch die Windstärke. Zudem werden viele Geräte im Haushalt häufig ein- und ausgeschaltet.

Eines der zentralen Elemente der erforderlichen Technologie ist eine Batterie, die Energie speichert, wenn ein Überschuss vorhanden ist, und Strom liefert, wenn der Verbrauch das momentane Leistungsangebot übersteigt. Um sicherzustellen, dass die Batterie nicht beschädigt wird, ist außerdem ein Laderegler erforderlich. Wenn das System Gleichstrom (DC) erzeugt, ist ein Leistungswandler erforderlich, da die meisten elektronischen Geräte bei einer festgelegten Spannung mit Wechselstrom (AC) arbeiten.  Eine ordnungsgemäße Erdung, ein Überspannungsschutz und Sicherheitseinrichtungen sind ebenfalls grundlegende Bestandteile eines zuverlässig und sicher arbeitenden Stromversorgungssystems.


Welche erneuerbaren Energiequellen werden in der netzunabhängigen Stromversorgung am häufigsten  eingesetzt?

Die meisten autonomen Stromversorgungssysteme arbeiten mithilfe einer oder mehrerer der folgenden Technologien:


Solarenergie / Photovoltaik

Besonders in Äquatornähe sind Photovoltaikanlagen oft die einzige Energiequelle, die in netzfernen Systemen genutzt werden. Bei starker Sonneneinstrahlung liefern sie beachtliche Leistungen und sind dabei leise, einfach zu installieren und wartungsarm – Vorteile, die sich aus der Tatsache ergeben, dass es sich bei Sonnenkollektoren um unbewegliche Stromerzeuger handelt.

Da die Sonneneinstrahlung je nach Standort stark fluktuiert und im Winter in der Regel rar ist, bleibt sie in der Regel nur ein Baustein der Gesamtlösung für netzferne Stromversorgungssysteme in nördlicheren Regionen.


Windenergie

Bei geeigneten Windverhältnissen sind kleine Windturbinen derzeit eine weniger häufig genutzte Option, aber sie bergen ein großes Potenzial, insbesondere bei Wetterbedingungen und Jahreszeiten, die für die Nutzung von Solarenergie ungeeignet sind.

Noch deutlicher als bei der Solarenergie schwankt die Energieleistung von Windkraftanlagen unter verschiedenen Umweltbedingungen. Aus diesem Grund lohnt es sich, für jeden Standort die lokale Topographie und Windgeschwindigkeiten bei der Wahl geeigneter Windkraftanlagen zu berücksichtigen. Da Windturbinen in der Regel bewegliche Teile haben, muss jedes konkrete Design gut durchdacht sein, um die potenzielle Geräuschentwicklung und den Wartungsbedarf gering zu halten.


Wasserkraft

Wasserkraft ist eine wesentlich zuverlässigere Energiequelle als Wind und Licht. Trotzdem wird sie nur selten genutzt, da sie ganz spezifische Umweltbedingungen erfordert, darunter eine fließendes Gewässer mit genügend Höhenunterschied und Durchfluss, um Energie zu liefern. Dies macht sie nur für eine sehr kleine Anzahl von Standorten attraktiv.


Wie genau können Windturbinen als netzunabhängiges System betrieben werden?

Bei vollständig netzunabhängigen Energiesystemen wird die Kombination von Windkraftanlage, Solarkollektor und Batterie als sogenanntes „Hybridsystem“ in der Regel als die effektivste und umweltfreundlichste Lösung angesehen. Häufig ergänzen sich Wind- und Solarressourcen saisonabhängig und sind zuverlässig, wenn sie in ein Gesamtsystem kombiniert werden. Da die Kombination die Leistungsschwankungen verringert, arbeitet die Batterie über einen längeren Zeitraum innerhalb ihres optimalen Ladezustands und hat daher eine längere Lebensdauer.

Es ist definitiv zu beachten, dass die beste Lösung von Standort zu Standort stark variiert. Rund um den Äquator dienen Solarzellen heute schon teilweise als alleinige, netzunabhängige Stromquelle. In nördlicher gelegenen Küstengebieten oder an Orten mit der geeigneten Topologie für hohe Windgeschwindigkeiten wäre das gleiche für Kleinwindkraftanlagen ebenfalls denkbar.

Eine weitere Alternative kann es sein, einen Netzanschluss als Backup-Option zu nutzen. Wenn man sich für diesen Mittelweg entscheidet, kann man Batterien und die starke Wetterabhängigkeit komplett autarker Systeme vermeiden. Zugleich kann man die am attraktivsten scheinenden und für den Standort best geeignetsten erneuerbaren Energiequellen wählen.

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Wie können Windkraftanlagen zu einer autarken Stromversorgung beitragen?

Der Begriff "autark" oder "off-grid" im Englischen bezieht sich auf Gebäude oder Gemeinden, die ohne Anschluss an das Stromnetz betrieben werden. Der Strom, den sie verbrauchen, wird in der Regel durch Solar- oder Windsysteme bereitgestellt. Die Kombination dieser beiden Systeme zu einem Hybridsystem kann eine sehr effiziente Lösung sein.

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