Ökologischer Fußabdruck
Die Konzeption der Windturbine ist so ausgerichtet, dass möglichst wenig graue Energie zu ihrer Herstellung benötigt wird. Also sämtliche Energieanteile, die von der Rohstoffgewinnung über den Transport bis zur eigentlichen Formgebung aufgewendet werden müssen. Dieses Ziel wird damit erreicht, dass so viele Teile wie möglich aus Holz hergestellt werden. Denn Holz ist ein leicht zu bearbeitendes, CO²-neutrales, selbst wachsendes Material, das für seine eigene „Herstellung“ keine externe Energie benötigt und zusätzlich CO² für lange Zeit bindet. Im Gegensatz zu allen Metallen und Kunststoffen, die erst lange Prozessketten mit hohen Temperaturen für ihre Gewinnung und Veredelung durchlaufen müssen.
Die kleineren Anteile an Aluminium, Stahl, Kupfer und Neodym, die vor allem für den Generator benötigt werden, sind dennoch nahezu vollständig recyclebar und können im Sinne von „Cradle to Cradle“ für neue Anwendungen wiedergewonnen werden. Für diese Wiederverwertung wird nur ein Bruchteil der Energie benötigt, die das Windrad im Laufe seines Lebens selbst erzeugt.
Mit der Minimierung energieintensiver Rohstoffe und der Schließung der Energie- und Stoffkreisläufe ist dieses Windradkonzept bezüglich seiner ökologischen Amortisation herkömmlichen Anlagen (aus Aluminium-Druckguss, Stahl oder Kunststoffen) somit ein gutes Stück weit voraus.
Bei den verwendeten Ausgangsprofilen, Halbzeugen und Maschinenelementen, handelt es sich ausschließlich um Standardware, die überall problemlos zu beschaffen ist. Mit dem zusätzlichen Vorteil kleiner Transportwege, geringeren Emissionen und geringeren Kosten, da diese Materialien sehr effektiv in großen Stückzahlen gefertigt, und transportiert werden.
Optik
Nachdem Kleinwindräder naturgemäß sehr häufig im eigenen Garten oder in der offenen Landschaft stehen, ist es immer wünschenswert, über einen natürlichen Werkstoff eine harmonische Verbindung zur Umgebung herzustellen. Jedes (meist weiße oder graue) Kunststoff - oder Metallwindrad wird automatisch zum Fremdkörper zwischen Wiesen, Bäumen und Sträuchern, und trägt wenig zu einem gelungenen Landschaftsbild bei.
Ein Windrad aus Holz (am besten mit einem Holzmast) löst dieses Problem praktisch nebenbei und auf sehr angenehme Weise. Die nüchterne Technik verschwindet zum großen Teil im Werkstoff und verschmilzt mit der Umgebung. Es entsteht damit automatisch eine Art Symbiose zwischen Natur und Technik mit wesentlich höherem Sympathiewert ohne nennenswerte technische Nachteile, solange auf eine wetterfeste Konstruktion geachtet wird.
Auch in Bezug einer Dachmontage oder im Zusammenhang mit moderner Architektur gibt ein Windrad aus Holz immer ein ansprechendes Bild ab - sowohl als Nostalgie- als auch als Kontrastelement.
Einzelkomponenten-Bauweise
Die Auftrennung der Gesamtanlage in 4 unabhängige Einzelkomponenten (Rotor, Generator, Drehkopf und Windfahne) bringt sehr viel mehr Freiheit und Variabilität mit sich, als das bei herkömmlichen Komplettsystemen der Fall ist. Fällt hier ein Teil aus, kann es leicht passieren, dass die ganze Anlage unbrauchbar wird, weil vielleicht irgendwann keine Ersatzteile mehr zu beschaffen sind, oder verpresste Teile o.ä. nicht mehr getrennt werden können.
Dagegen kann ein modulares Windkraftwerk im Zweifelsfall über eine wesentlich längere Zeit betrieben werden, da im Schadensfall notfalls eben auch ganze Einheiten wie ein anderer Rotor oder Generator zum Einsatz kommen können. Zudem stehen in Verbindung mit dem einfachen Aufbau und den Bauplänen wesentlich mehr Reparatur- und Austauschoptionen zur Verfügung, was sich immer positiv auf die Gesamtlebensdauer auswirkt. Jede Komponente hat ihren unabhängigen Wert und kann natürlich auch sehr gut in eigene Selbstbauprojekte integriert werden.
Einfachheit
Bei der Konstruktion der Windanlage soll großer Wert auf technische Einfachheit gelegt werden. D.h. keine unnötig komplizierten Geometrien, einfache Maße, Standard-Material und einfache Fertigungsmethoden sollen den Nachbau, die Montage und den Geldbeutel erleichtern.
Für die Herstellung der Windturbine werden somit keine besonderen Maschinen oder aufwendigen Formen benötigt. Sämtliche Teile können mit bereits vorhandenen, gängigen CNC-Portalfräsmaschinen und Drehmaschinen hergestellt werden, was sich ebenfalls positiv auf die Klimabilanz auswirkt.
Mit dem Werkstoff Holz stehen (auch jedem Laien) grundsätzlich viel mehr Anpassungs- und Reparaturoptionen zur Verfügung, so dass immer etwas verschraubt, geklebt, verstärkt, gebohrt, geschliffen, erweitert oder geändert werden kann.
Baugröße
Die hier konzipierte Microwindanlage zählt zu den kleinsten Windgeneratoren, die die aufgrund der aerodynamischen Gegebenheiten noch wirklich Sinn machen und effektive Leistung abgeben. Denn bei kleineren Durchmessern (unter 1m) reißt schnell die Strömung ab, ohne die keine wirkliche Kraftentfaltung mehr möglich ist. (Stichwort Reynoldszahl)
Grundsätzlich ist es immer effizienter, möglichst groß zu bauen, da mit zunehmendem Rotordurchmesser das Verhältnis von Stromausbeute zu Materialaufwand zunimmt, und damit der selbst erzeugte Strom günstiger wird. Deshalb ist jeder gut beraten, sich im Zweifelsfall für das größere Windkraftwerk zu entscheiden sofern es die persönlichen Möglichkeiten zulassen.
Auf der anderen Seite steigt mit größerem Rotordurchmesser der Gesamtaufwand des Projekts in fast exponentieller Weise an. Der Platzbedarf ist größer, der Mast wird dicker, man benötigt vielleicht ein Fundament, Vorrichtungen, Hilfsgeräte, Helfer, usw. und auch mehr Kapital um alles erfolgreich realisieren zu können.
Im Gegenzug ergeben sich für kleine Windkraftanlagen wesentlich mehr Einsatzmöglichkeiten und Vorteile die ab einer gewissen Größe grundsätzlich wegfallen:
- alles bleibt mit einfachen Mitteln von einer Person handhabbar ohne zum „Großprojekt“ auszuufern
- das Windrad ist transportabel – z.B. für Wohnmobile, Ferienhäuser, Boote oder Camping
- es ergeben sich in Verbindung einer effektiven Schallentkopplung interessante Möglichkeiten einer Dachmontage ohne Probleme mit der Statik zu bekommen
- es entfallen (im Normalfall) lästige Genehmigungsverfahren (bei Masthöhen unter 10m)
Es gilt also grob die Formel – je größer die Anlage desto kleiner die Stückzahl, bzw. je kleiner die Anlage desto mehr können auch tatsächlich installiert werden. Beide haben ihre eigenen Vor-und Nachteile und sollten nicht gegeneinander ausgespielt, oder als „Spielzeug“ abgewertet werden.
Denn im Endeffekt zählt die Energiebilanz über die Produktlebenszeit. Ist diese eindeutig positiv (wie hier angestrebt), handelt es sich um ein sinnvolles Produkt. Alles Weitere ist eine Frage der Stückzahlen.
Leistung und Preis
Das Besondere dieser Windkraftanlage ist ihre Auslegung auf schwache und böige Windverhältnisse, die in Bodennähe und insbesondere in bebauten Gebieten sehr häufig vorkommen. Diese Turbulenzen verringern die Stromausbeute ganz erheblich und sollten durch einen guten Standort möglichst vermieden werden. Dennoch steckt in den Böen sehr viel Energie, die bei vielen Anlagen aber kaum zum Tragen kommen, da der gesamte (metallische) Aufbau inklusiv zäh laufender Eisenkern-Generatoren einfach zu träge auf schnelle Windänderungen und Leichtwinde reagiert. Bis der Rotor sich neu ausgerichtet hat und in Schwung kommt, ist die Böe schon wieder vorbei.
Deshalb ist der hier angestrebte Leichtbau aus Holz in Verbindung mit einem eisenlosen und absolut rastmomentfreien Scheibengenerator und leichtgängigem Drehkopf von großem Vorteil.
Der Rotor kommt damit schon bei kleinen Luftbewegungen soweit in Schwung und damit nahe an seinen aerodynamischen Arbeitspunkt, dass auch kurze Böen durch eine schnelle Beschleunigung energetisch verarbeitet werden, wo schwergängigere Anlagen gerade erst anfangen sich überhaupt zu drehen. Nachdem Schwachwinde sehr viel häufiger vorkommen als Starkwinde (Weibullverteilung) kann hier (vor allem im Binnenland) über das Jahr gesehen einiges an Energie mehr eingesammelt werden und sollte nicht unterschätzt werden.
Die Wahl eines einsenlosen Scheibengenerators stellt einen guten Kompromiss her zwischen der Forderung nach einfacher, günstiger und leicht zu replizierender Bauweise und einer zufriedenstellenden Stromausbeute. Größter Nachteil dieser einfachen Bauart sind zunehmend geringere Wirkungsgrade bei hohen Strombelastungen und damit eine geringere Maximalleistung im Vergleich zu industriell produzierten Eisenkern-Generatoren. Für dieses relativ seltene Mehr an Leistung (Weibullverteilung) muss ein großer Aufwand betrieben werden, der sich in hohen Gesamtkosten niederschlägt und die Wirtschaftlichkeit in Frage stellt.
Unter dem Strich punktet die Konstruktion also tendenziell weniger mit kurzzeitigen (werbewirksamen) Spitzenleistungen, als mit kontinuierlichen und ausgewogenen Energieerträgen über möglichst lange Zeiträume, so dass in Zusammenhang mit geringen Herstellungskosten (günstiges Material, einfache Fertigung) auch der Preis pro Kwh über die Lebenszeit entsprechend niedrig ist. Mit der Einbindung einer Kleinwindanlage in schon bestehende Solar-Heimspeichersysteme, lässt sich der Strompreis nochmals weiter reduzieren, da die bereits bestehende Infrastruktur (Batteriespeicher, Wechselrichter) ressourcenschonend mit genutzt werden kann.
Sturmsicherung
Um die Konstuktion so einfach und robust wie möglich zu halten, soll eine ausreichende Sturm-Festigkeit idealerweise über ein Kurzschluss- oder Lastwiderstand-System erreicht werden das den Rotor auf eine akzeptable Drehzahl bremst. Sollte sich herausstellen, dass es dennoch zu Überhitzungsproblemen des Generators kommt, könnte die feste Windfahne auch durch eine Seitenfahne erweitert oder durch eine schwenkbare Lösung bzw. ein Furlingsystem ausgetauscht werden, um den Rotor mit zunehmneder Windstärke unter Beibehaltung der Nennleistung aus dem Wind zu drehen.
Open-Source
Aufgrund beschränkter Zeit- und Fertigungskapzitäten, und im Sinne einer starken Energiewende "von unten" durch Kooperation und Vielfalt, stehen die Baupläne der Windturbine für alle frei zur Verfügung. Mit der Bereitstellung der technischen Zeichnungen und Informationen, wird Selbstbauern, Hobbyfräsern und (Klein-)unternehmen die Möglichkeit gegeben, sämtliche Bauteile selbst herzustellen, zu nutzen oder weiterzuverkaufen . Durch den Zukauf von Einzelteilen anderer Hersteller, können somit auch schnell komplette Baugruppen (z.B. der Generator), bis zur kompletten Windkraftanlage zusammengestellt und angeboten werden. Jede Firma, die etwas zum Verkauf anbieten möchte, kann sich in die Firmen-Liste eintragen lassen um Aufträge zu bekommen, bzw. kann darin andere Unternehmen finden, deren Teile sie benötigt.
Die Vision der Wind-Werkstatt ist, eine selbst organisierende Fertigungsentwicklung in Gang zu setzen, die nicht innerhalb einer begrenzten Firma stagniert, sondern durch mehrere Akteure gestützt und wechselseitig weiterentwickelt wird, ohne großes unternehmerisches Risiko. Die Produktionsfirmen profitieren somit langfristig von höheren Stückzahlen, die Kunden von niedrigeren Preisen, das Projekt von einem höheren Bekanntheitsgrad, die Produkt-Qualität von viel technischem Know-How, und das Klima von weniger CO².
Diese Idee ist ein offenes Experiment und als freies Angebot bzw. Inspirationsquelle, besonders für kleinere Betriebe und Start-Ups zu sehen. Jede Firma ist dabei in vollem Umfang für ihre angebotenen Produkte selbst verantwortlich.
In diesem Sinne sind die skizzierten (nicht normgerechten) technischen Zeichnungen und Informationen der Baugruppen mit ihren Einzelteilen auch nur als Vorlage zu verstehen und bilden das aktuelle Funktionsprinzip ab.
Ideen, Korrekturen, Verbesserungen und Weiterentwicklungen können immer gerne mitgeteilt werden, so dass sich die technischen Informationen ab und zu auch ändern können.