Bordstrom aus Wind: Wann sich ein Windgenerator lohnt

​Dass sich Windenergie effektiv nutzen lässt, weiß jeder Segler. Auch an Land zählt sie inzwischen zu den wichtigsten regenerativen Energiequellen: In Deutschland stammt heute rund ein Drittel des Stroms aus Windkraft – mehr als aus Photovoltaik, Kohle oder Gas. Sie ist nachhaltig und funktioniert auch nachts sowie bei bedecktem Himmel, sofern ausreichend Wind weht. Auf Yachten verheißen regenerative Energiequellen Autarkie: Man bleibt länger unabhängig von Landstrom­anschlüssen und Treibstoffen, die sich nur in begrenzter Menge an Bord vorhalten lassen. Dafür kommen vor allem drei Lösungen infrage: Solarmodule, Schleppgeneratoren oder Windturbinen. Direkte Leistungsvergleiche sind jedoch wenig zielführend, da die Energiequellen unterschiedliche Bedarfe decken und daher häufig kombiniert werden.

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Solarmodule lohnen sich vor allem in der Sommersaison, um ausgedehnte Ankerzeiten zu erschließen. Denn der Ertrag hängt stark von der Intensität der Sonneneinstrahlung ab, die je nach Jahreszeit sowie geografischer Breite variiert. Schleppgeneratoren richten sich wiederum primär an Langstreckensegler, da die Stromerzeugung nur in Fahrt funktioniert. Sie zahlen sich zudem nur unter Segeln aus, da bei Fahrten unter Motor die Lichtmaschine diesen Zweck erfüllt.

Windgeneratoren arbeiten in Fahrt ebenso wie vor Anker – und dies auch nachts oder bei bedecktem Himmel. Sie können damit gerade Solarmodule perfekt ergänzen, zumal diese für eine ­hohe Leistung eine recht große und möglichst verschattungsfreie Fläche benötigen, die auf Segelyachten rar ist. Ein Windgenerator beansprucht dagegen nur wenig Platz und kann somit Bedarfslücken schließen.

Vielfache Analogien zum Segeln

Windgeneratoren benötigen lediglich bewegte Luft. Wie beim Segeln korrespondiert die Leistung mit der Windgeschwindigkeit – und zwar in der dritten Potenz. Das heißt: Verdoppelt sich die Windgeschwindigkeit, steigt die Leistung theoretisch auf das Achtfache. Dies klingt vielversprechend, gilt aber ebenso in der anderen Richtung: Bei einer Halbierung der Windgeschwindigkeit ist nur noch ein Achtel der Leistung zu erwarten.

Unterwegs auf dem Wasser ist wie beim Segeln die scheinbare Windgeschwindigkeit entscheidend. Auf einem Amwindkurs profitiert der Windgenerator davon – auf einem Vorwindkurs reduziert sich die nutzbare Windkraft. Hinzu kommt die Betriebshöhe, denn der Wind wird in Bodennähe abgebremst. Die von einem im Masttopp montierten Windmesser angezeigte Windstärke entspricht also nicht unbedingt der Kraft, die auf den tiefer angebrachten Windgenerator wirkt. Letzteren im Masttopp zu installieren verbietet sich jedoch aus verschiedenen Gründen: Platzbedarf, Toppgewicht, erschwerte Erreichbarkeit, Beanspruchung durch Krängung und Gieren.

Eine weitere Analogie zum Segeln ergibt sich beim Verhältnis von Fläche und Leistung: Ein größerer Rotordurchmesser bedeutet mehr Ertrag. Allerdings spielen auch die Anzahl und die Form der Flügel mit hinein. Manche Modelle liefern daher trotz etwas kleinerem Durchmesser höhere Leistungen als größere Generatoren. Auf gängigen Fahrtenyachten sind dem Durchmesser allerdings enge Grenzen gesetzt. Schließlich soll der Rotor in einer sicheren Höhe über den Köpfen der Crew arbeiten. Yachtübliche Montagemasten weisen im Allgemeinen eine Höhe um die drei Meter auf. Hinzu kommt das beträchtliche Gewicht größerer Generatoren.

Leistung und Ertrag

Für Fahrtenyachten zwischen etwa 35 und 50 Fuß dominieren heute Windgeneratoren in der Leistungsklasse zwischen 350 und 450 Watt das Angebot. Sie wiegen je nach Bauart meist zwischen 6 und 15 Kilogramm. Der Rotordurchmesser bewegt sich zwischen 1,10 und 1,50 Metern. Kleinere Anlagen sind auf dem Markt nur noch selten zu finden, was den gestiegenen Batteriekapazitäten geschuldet sein dürfte.

Die 350 bis 450 Watt beziehen sich auf die Nennleistung. Sie setzt entsprechend hohe Windgeschwindigkeiten voraus. Ein Beispiel: Der Windgenerator Superwind SW 350-II erreicht seine Nennleistung von 350 Watt erst ab etwa 24 Knoten Wind. Der Silentwind 400+ benötigt für die Nennleistung von 420 Watt eine Windgeschwindigkeit von etwa 28 Knoten. In beiden Fällen braucht es dafür also Starkwindbedingungen. Diese Nennwindgeschwindigkeit findet sich in den technischen Produktdaten.

Bei einer mäßigen Brise von 12 Knoten liefern beide lediglich etwa 40 bis 50 Watt. Diese Werte lassen sich der jeweiligen Leistungskurve entnehmen, die für viele Windgeneratoren auf den Herstellerseiten im Internet abrufbar ist. Sie bietet eine gute Grundlage für eine belastbare Einschätzung des Ertrags. Manche Anbieter stellen darüber hinaus Kurvendiagramme zum erwartbaren Monats- oder Jahresertrag in Abhängigkeit von der mittleren Windgeschwindigkeit im Revier bereit. Der tatsächliche Ertrag hängt neben den Windverhältnissen aber noch von weiteren gerätespezifischen Charakteristika wie unter anderem dem Startverhalten bei Leichtwind, dem Verlauf der Leistungskurve sowie der Regelstrategie bei Starkwind und Sturm ab.

Anlaufgeschwindigkeit und Drosselung

Wie jede Segelyacht erst bei einem gewissen Winddruck in Fahrt kommt, nimmt auch ein Windgenerator erst ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit seine Arbeit auf. Die Anlaufgeschwindigkeit liegt bei den meisten Modellen der genannten Leistungsklasse zwischen etwa 2,00 und 3,50 Metern pro Sekunde. Die Stromerzeugung setzt je nach Modell bei etwa 4 bis 7 Knoten Wind ein – dies ist die Einschaltgeschwindigkeit, auch Cut-in Speed genannt. Zu viel Wind darf es allerdings auch nicht sein, sonst droht ein sogenannter Overspeed. Damit ist ein Überschreiten der sicheren Drehzahl gemeint, was zu einer Überlastung der Anlage führen und gefährlich werden kann. Denn ein Windgenerator weist eine Vielzahl beweglicher Komponenten auf, die bei hohen Drehzahlen enormen Fliehkräften ausgesetzt sind.

Um einen Overspeed zu vermeiden, muss die Drehzahl ab einer gewissen Windgeschwindigkeit gedrosselt oder der Windgenerator stillgelegt werden. Dafür gibt es verschiedene Wege. Der einfachste besteht darin, den Rotor händisch aus dem Wind zu drehen und mit einem Stropp festzusetzen. Dies ist angesichts der Gefahren für Gerät und Bediener allerdings nicht zu empfehlen. Besser ist eine elektronische Drosselung der Drehzahl. Hier schließt der Regler den Generator ab einer bestimmten Drehzahl kurz, wodurch der Rotor elektrisch abgebremst wird. Vorteil: Die Abschaltung erfolgt automatisch ohne Eingreifen der Crew. Meist dreht sich der Rotor zwar weiter, aber deutlich langsamer – die veränderte Anströmung unterstützt den Brems­effekt. Nachteil: Die Energieausbeute fällt ab einer gewissen Windgeschwindigkeit rapide ab. Ferner ist das System auf eine funktionierende Elektronik angewiesen.

Rein mechanisch arbeitet demgegenüber die Rotorblattverstellung: Einige hochwertige Generatoren verändern bei hohen Windgeschwindigkeiten automatisch den Anstellwinkel der Flügel zum Wind. So bleibt die Drehzahl im Rahmen, während der Generator weiterhin Strom produzieren kann. Hier fällt die Leistungskurve also bei Sturm nicht ab, sondern bleibt konstant.

Geregelte Ladung

Als weiteres Kernelement jeder Anlage übernimmt der Laderegler somit häufig mehrere Aufgaben gleichzeitig: Er schützt die Batterien vor Überladung, gleicht die mitunter hohen Leistungsschwankungen bei böigem Wind aus und trägt dazu bei, das Durchgehen des Rotors bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten zu verhindern.

Darüber hinaus sollte der Laderegler überschüssige Energie an einen Last­widerstand ableiten können, falls der Windgenerator mehr Strom liefert, als die Batterien aufnehmen können. Dies ist ebenso eine Voraussetzung für eine sichere elektronische Drehzahlregulierung. Vorsicht: Solche Lastwiderstände können ziemlich heiß werden und sollten in einem gut belüfteten Bereich fernab von brennbaren Materialien untergebracht werden!

Laderegler, Generator und Batterietyp sollten aufeinander abgestimmt sein. Auch die Kabelquerschnitte müssen den zu erwartenden Strömen sicher standhalten können. Windgeneratoren für Yachten gibt es für die Betriebsspannungen 12, 24 und 48 Volt. Bei einem 12-Volt-System kann der Nennstrom eines 400 Watt starken Windgenerators immerhin mehr als 30 Ampere betragen.

Erstrebenswerte Eigenschaften

Zusammengefasst sollte ein optimaler Windgenerator also einen möglichst breiten Arbeitsbereich abdecken, eine zu den Reviergegebenheiten passende Leistungskurve aufweisen, schon bei wenig Wind zuverlässig anlaufen und auch noch bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten ausreichend Energie liefern (etwa durch eine Rotorblattverstellung). Wichtig ist ferner ein zuverlässiger Schutz vor Overspeed, der ­ohne manuelles Eingreifen funktioniert. Hinzu kommt eine robuste und für den harten maritimen Einsatz ausgelegte Bauweise.

Die Preise bewegen sich in der vor­genannten Leistungsklasse zwischen 1.500 und 3.000 Euro. Hochwertige Modelle überzeugen durch Langlebigkeit, Laufruhe und eine stabile Ertragsleistung. In Kombination mit einer Solaranlage lassen sich damit insbesondere im Frühjahr sowie zum Herbst hin Bedarfslücken schließen, wenn die Sonne schwächelt, es aber gern ausgiebig weht. Gleiches gilt für trübe Tage während der Hauptsaison.

Und dies schon bei mäßiger Brise: 45 Watt Dauerleistung über 24 Stunden ergeben immerhin 1.080 Wattstunden, also 90 Amperestunden bei einem 12-Volt-System.

Potenzielle Gefahren

Yachtübliche Windgeneratoren können im regulären Betrieb Drehzahlen von bis zu 1.700 Umdrehungen pro Minute erreichen. Bei einem Rotordurchmesser von 1,10 Metern wirbeln die Blattspitzen dann mit mehr als 350 Stundenkilometern durch die Luft (Umfanggeschwindigkeit). Gleichzeitig werden die Flügel bei hoher Drehzahl nahezu unsichtbar. Kollisionen, zum Beispiel durch das laufende Gut wie eine schlagende Reffleine oder lose Backstagen oder mit einem geworfenen Festmacher, führen meist zu einer Zerstörung der Rotorblätter. Dies birgt die Gefahr, dass die Crew oder Passanten durch umherfliegende Teile verletzt werden. Wird an hohen Kaimauern festgemacht, könnte die Crew sogar direkt in den Einflussbereich des Rotors gelangen.

Vor diesem Hintergrund empfiehlt es sich, den Windgenerator mit einem Stoppschalter auszustatten. Dieser schließt den Generator kurz und ermöglicht eine Stilllegung in potenziell gefährlichen Situationen – zum Beispiel vor Segelmanövern oder beim Festmachen im Hafen. Stoppschalter müssen hohen Strömen standhalten und zum jeweiligen Gerät passen. Viele Generatorhersteller bieten sie als Zubehör an.

Sämtliche Komponenten des Windgenerators sollten zudem aus seewasserbeständigen Materialien bestehen. Sonst könnte Korrosion dazu führen, dass Teile sich lösen oder versagen. Beim Kauf empfiehlt es sich, auf explizit für den maritimen Einsatz ausgelegte Produkte zu achten.

Geräuschvermeidung und Montagetipps

Gelegentlich liest man in Erfahrungsberichten, dass ein Windgenerator der Besatzung den Schlaf raubt. Völlig geräuschlos arbeitet keiner, doch viele moderne Modelle sind deutlich leiser geworden – insbesondere durch aerodynamisch optimierte Flügel und eine verbesserte Lagertechnik. So verschmilzt das Betriebsgeräusch zunehmend mit der allgemeinen Windkulisse.

Während Wind- und Flügelgeräusche durch die Luft übertragen werden, macht sich unter Deck vor allem Körperschall bemerkbar. Dieser wird über den Geräteträger ins Boot übertragen und lässt sich durch eine konsequente akustische Entkopplung unterbinden. Der Fachhandel bietet spezielle Montagesätze mit Gummi- oder Kunststoffpuffern an, die eine Körperschallübertragung wirkungsvoll dämpfen. Bei einigen Generatoren ist eine solche Entkopplung bereits werksseitig in der Aufnahme integriert.

Der Generator sollte generell in einer Höhe betrieben werden, in der die Crew unter normalen Umständen nicht in den Bereich des drehenden Rotors gelangen kann. Bewährt hat sich die Montage auf soliden Geräteträgern oder speziellen Masten am Heck. Dort ist obendrein eine weitgehend freie Anströmung gewährleistet. Träger und Aufhängung müssen so ausgelegt sein, dass sie den ständigen Lastwechseln durch Seegang, Krängung und Gieren dauerhaft standhalten. Die Montage auf einer Trägerstange erfordert in der Regel eine Abstagung, zumal Heckkörbe für solche Beanspruchungen meist nicht ausgelegt sind. Schraubverbindungen, Dämpfer, Lager und Rotorblätter sollten in festen Intervallen überprüft werden. Unwuchten oder ungewöhnliche Geräusche sind oft frühe Warnzeichen für Wartungsbedarf.

Buchtipps

Theorie und Praxis der Bordelektrik erklärt die Grundlagen einer sicheren Stromversorgung an Bord – von Batterien und Ladetechnik über Gleichstromverteilung bis zum Energiemanagement. Für den Einbau eines Windgenerators liefert das Buch vor allem das nötige Verständnis, um Erzeuger, Regler, Verbraucher und Speicherkapazität als Gesamtsystem sinnvoll aufeinander abzustimmen.

Watt, Volt und andere Schikanen konzentriert sich auf das technische Verständnis hinter der Bordelektrik: Strom, Spannung, Leistung, Komponentenwahl und systematische Fehlersuche. Der Titel ergänzt den Blick auf den Windgenerator um die Frage, wie sich die erzeugte Energie im bestehenden Bordsystem nutzen lässt und wie typische Fehler bei Installation, Verkabelung oder Betrieb methodisch eingegrenzt werden.

Sind Windgeneratoren eine überzeugende Ergänzung zur Solaranlage oder überwiegen für Sie Geräusche, Platzbedarf und Sicherheitsrisiken? Schreiben Sie Ihre Erfahrungen und Ihre Meinung in die Kommentare.