WIND BEWEGT
Kleine Windräder bauen

Vom Miniwindrad bis zum Stromerzeuger

Günther Hacker / Gabriele Jerke

Teil 1

Warum Windräder bauen?

Kleine Windräder drehen sich an vielen Balkongeländern, in Gärten oder werden von Kinderhänden in den Wind gehalten. Die meisten sind fertig gekaufte Produkte aus Kunststoff, Stoff, Holz und Draht. Sie alle haben nur die eine Aufgabe, den Besitzer mit dem Drehen der bunten Flügel zu erfreuen und zu zeigen, woher der Wind weht. So faszinieren sie mit ihrem Farbenspiel den Betrachter schon bei der kleinsten Windböe.

Ab und zu sind in Schrebergärten oder bei Bauernhöfen auch liebevoll selbst gebaute Windräder zu sehen, die oft sogar eine Funktion haben. Sie können über einen kleinen Dynamo Strom für Lampen erzeugen oder einen kleinen Akku laden. Andere mehrflügelige Windräder pumpen sogar Wasser aus einem Bachlauf, ganz so wie ihre großen Westernvorbilder.

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Strom aus dem Wind zu produzieren und das noch für sein eigenes Haus, das ist der Wunschtraum vieler Hausbesitzer. Durch die von unserem Solar-Wind-Team entwickelten und industriell gefertigten Kleinwindräder mit Netzeinspeise-Wechselrichter, der den Windstrom direkt ins eigene Hausnetz leitet, ist das möglich. So haben schon einige Kindergärten und Schulen neben einer Solarstromanlage solch ein Kleinwindrad zur Stromproduktion auf dem Dach.

Und bei der Beratung dazu sind wir immer wieder von Gruppenleitern und Lehrern gefragt worden, ob man solch ein Kleinwindrad nicht im Unterricht oder im Rahmen eines Projekts gemeinsam bauen könne. Leider erfordern solche High-Tech-Windräder zu viel Materialkenntnis, handwerkliches Geschick und Kenntnis von der Materie, so dass viele Bastler, besonders Kinder und Jugendliche schnell überfordert wären.

Es kann pädagogisch sinnvoll sein, durch die Entwicklung und Fertigung der verschiedensten kleinen Windradmodelle sich mit den Grundlagen der Windenergienutzung auseinanderzusetzen. Wenn dann nach dem einfachen Testmodell, das nur das Prinzip der Windnutzung zeigt, mit dem Dynamo-Windradmodell der Schritt zur ersten Windstromproduktion gemacht ist, dann ist meist der Stolz der Jugendlichen groß.

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Windstärketabelle

Wenn die Tabelle mit den Windstärken nicht richtig dargestellt wird, dann liegt das an einer zu hohen Schriftgrößeneinstellung auf Ihrem Reader. Bitte vorübergehend eine kleinere Schriftgröße wählen.

Bft

m/s

km/h

Knoten

Bezeichnung der Windstärke

Auswirkung

0

0-0.2

0-0.8

0-0.5

Stille

Rauch steigt gerade empor

1

0.3-1.5

0.9-5.5

0.6-3.0

leiser Zug

Rauch zeigt Wind an, kleine Kräuselwellen

2

1.6-3.3

5.6-12.1

3.1-6.5

leichte Brise

Wind im Gesicht fühlbar, kleine kurze WellenWind im Gesicht fühlbar, kleine kurze Wellen

3

3.4-5.4

12.2-19.6

6.6-10.5

schwache Brise

Blätter und dünne Zweige bewegen sich, Kämme beginnen sich zu brechen

4

5.5-7.9

19.7-28.5

10.6-15.5

mäßige Brise

dünne Äste bewegen sich, Wellen mit weißen Schaumköpfen

5

8.0-10.7

28.6-38.8

15.6-20.9

frische Brise

kleine Laubbäume beginnen zu schwanken, überall Schaumkämme

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Warum dreht sich ein Windrad?

Bei einem Windradflügel ist stets die flache Seite dem Wind zugewandt, die runde Seite zeigt nach hinten. Wird der Flügel von vorne vom Wind angeströmt, so strömt der Wind an der Vorderseite schneller als an der Rückseite vorbei. Durch den kürzeren Weg an der glatten Vorderseite entsteht ein höherer Druck, an der Rückseite ein niedrigerer Druck. Dieser Unterschied erzeugt eine Kraft, die aus Auftrieb (Sogwirkung) und Widerstand (Verdrängung) besteht. Da die Flügel aber in der Mitte an einer Achse befestigt sind, treibt diese Antriebskraft die Flügel in Drehrichtung an.

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Natürlich bietet sich wegen der Höhe die Montage auf Hausdächern an. Allerdings können auf Dächern (Vorsicht: Resonanzgeräusche im Haus möglich!) je nach Dachneigung und Fassadenabstand starke Verwirbelungen entstehen.

Besonders auf Flachdächern stören Mauervorsprünge oder Kamine die gleichmäßige Anströmung des Windrades. Oder bei der Montage an der Dachkante kommt es zu plötzlichen böenartigen Aufwinden.

Deshalb ist es sinnvoller, einen möglichst verwirbelungsfreien Standort für einen Mast im Garten zu suchen.

Seit wann gibt es Windräder?

Die Windkraft war beginnend vom Altertum bis zum 19. Jahrhundert neben der Wasserkraft die einzige Energiequelle, um etwas anzutreiben. Es fehlten noch die Dampfturbinen, Dieselmotoren oder Elektromotoren. So ist es nicht verwunderlich, dass für die Windkraftnutzung bis zu 200 verschiedene Anwendungsgebiete erfunden wurden. Vom Wasserpumpen über die klassische Kornmühle bis zur Sägewindmühle reichte die Ideenvielfalt.

In Mesopotamien sollen schon 2000 v. Chr. Windräder mit senkrecht stehender Achse zur Bewässerung eingesetzt worden sein. Die Kreuzritter brachten im 12. Jahrhundert die Zeichnungen von Windrädern mit nach Europa, die sie überall in Kleinasien noch in Betrieb gesehen hatten.

In Frankreich und in England entstanden dann im Laufe des 12. Jahrhunderts die ersten Bockwindmühlen ganz aus Holz, so genannt, weil sie auf Holzböcken standen und wieder abgebaut und weitertransportiert werden konnten. Zuerst hatten sie noch mehrere Flügel, bald setzte sich aber der Vierflügler durch.

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Teil 2

1. Windräder bauen

Wie können Sie die kostenlose PDF-Dateien nutzen?

Auf unserer Webseite www.wind-mobil.de oder direkt mit www.wind-mobil.de/buecher.html finden Sie den Download. In der kostenlosen PDF stehen Ihnen die wichtigsten Texte, Bilder und Bauanleitungen aus diesem Buch zur Verfügung. Vor dem Herunterladen werden Sie nach einem Passwort gefragt. Lesen Sie das Buch aufmerksam durch oder gucken Sie im Windradlexikon am Buchende nach, dort finden Sie das Passwort.

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Wo finden Sie das Baumaterial?

Nicht jeder wird im Keller oder in der Schule im Werkraum die passenden Materialien für den Selbstbau der Kleinwindräder finden. Aber wenn Sie die kurzen Materiallisten der nachstehenden Bastelanleitungen einmal anschauen, so werden Sie sicher feststellen, dass Sie das eine oder andere Bauteil doch vorrätig haben oder leicht irgendwo beschaffen können.

Wir haben manches Windrad mehrmals umgebaut, weil uns das Material nicht gefiel oder weil es einfach zu speziell war. Wir wollten auch zeigen, wozu alltägliches Material wie Plastikeimer, Windlichte, Joghurtbecher oder Plastiklöffel, die normalerweise achtlos weggeworfen werden, verwendet werden können. Was eben nicht im Haushalt zu finden ist, muss man kaufen oder im Bastelversand bestellen. Deshalb haben wir versucht, die einzelnen Teile möglichst genau zu beschreiben und auf Fotos festzuhalten.

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Was passiert bei Sturm?

Die großen Windräder werden bei Sturm (Windgeschwindigkeiten ab 16 m/s) mechanisch abgebremst. Zuerst werden die Rotorblätter durch Elektromotoren so verdreht, dass die Luftströmung dahinter „abreißt“ und die Flügel langsamer werden (Pitchverstellung). Dann bremsen Scheibenbremsen wie beim Autorad den kompletten Flügel ab.

Industriell gefertigte Kleinwindräder werden durch Flügelverstellung, Kippvorrichtungen oder elektronisch durch Generatorkurzschluss bei Sturmböen abgebremst. Mitgeliefert wird auch meist ein Kurzschlussschalter, mit dem das Windrad von Hand zu Wartungsarbeiten oder bei Sturm angehalten werden kann. Dabei werden alle zwei oder drei Generatorphasen kurzgeschlossen, so dass das Windrad im Sturm nur noch langsam weiterdrehen kann.

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2.3. Löffelwindrad

Durch die Auswahl des Baumaterials ist dieses kleine Westernwindrad leicht zu bauen und durch die Farbe ein lustiger Blickfang.

Material: 6-9 Plastiklöffel (Partylöffel, Eier- oder Eislöffel), Styroporkugel (50 mm), leere Großraummine eines Kugelschreibers, Schraube als Achse, Unterlegscheiben, Farbspray oder Acryllack

Werkzeug: Handsäge, Heißklebepistole oder Kleber, Lineal, Bleistift, Bohrer

Bauanleitung

1. Falls eine farbige Styroporkugel gewünscht wird, sollte sie vor dem Baubeginn bemalt oder besprüht werden.Die leere Großraummine wird später als Achse verwendet und muss deshalb auf den Durchmesser der Styroporkugel vorsichtig abgesägt werden.

2. Für die Achse muss die Styroporkugel möglichst genau in der Mitte durchbohrt werden, damit das Windrad später nicht mit Unwucht läuft. Das kann mit Hilfe eines Nähmaßbandes ermittelt werden, dabei hilft die Mittelnaht („Äquator“), die bei der Herstellung der Kugel entstanden ist. Auf dieser Naht werden später die Löffel eingeklebt, also muss die Achse rechtwinklig dazu stehen.

3. Die Löffelstiele müssen Sie bis auf ca. 30 mm absägen.

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2.5. Westernwindrad

Der Bau eines kleinen vielflügeligen Westernwindrades ist leicht, dazu wird nicht viel Material und nur wenig Übung benötigt. Außerdem kann das Windrad mit einer kleinen Änderung auch als Wasserrad genutzt werden.

Wie der Name schon sagt, kommt dieser Windradtyp aus den USA, wo im vorletzten Jahrhundert Tausende dieser Windräder auf den Farmen Wasser schöpften. Es gibt kaum einen Westernfilm, in dem die oft quietschenden Langsamläufer nicht zu sehen sind. Die Flügel sind ähnlich wie ein Autolüfter aufgebaut.

Solche Windräder arbeiten alleine mit der Luftverdrängung, dadurch erreichen sie keine hohen Drehzahlen. Sie sind aber wegen ihrer Größe stark genug, um über ein Gestänge Wasser aus der Tiefe zu pumpen. In Südeuropa wurden diese Windräder bis ins letzte Jahrhundert nachgebaut und mit den Pumpen das Vieh getränkt oder Felder bewässert.

Material: Runde Holzscheibe, weißer Plastikeimer, Holzstab oder Besenstiel, Metallröhrchen oder leere Großraummine, Schraube, Mutter, Unterlegscheiben, Sandpapier

Werkzeug: Schere, Messer, Säge, Geodreieck, Bleistift, Bohrer, Klebstoff

Bauanleitung

1. Mit Hilfe des Geodreiecks wird auf der Holzscheibe zunächst der Mittelpunkt eingezeichnet, falls noch keine Bohrung vorhanden ist. Dann werden 6 gegenüberliegende Teilungen eingezeichnet für die 6 Flügel.

2. Die Holzscheibe wird nun im Schraubstock senkrecht befestigt, so dass an jeder Markierung mit der Stich- oder Handsäge jeweils ein schräger Einschnitt von ca. 10 mm eingesägt werden kann. Die Schräge ist frei wählbar, wir haben 45° gewählt. Achten Sie bitte darauf, dass alle Schrägschnitte möglichst gleich im Winkel sind, sonst flattert das Windrad bei stärkerem Wind.

3. Wasserrad: Wer die Sägeschnitte nicht schräg, sondern gerade macht, der bekommt die Grundlage für ein Schaufel-Wasserrad, allerdings dürfen die Flügel dann nicht so lang werden, sonst würden sie sich durch den Wasserdruck zu sehr durchbiegen. Ein Draht durch den Mittelpunkt, zwei Astgabeln als Aufnahme rechts und links vom Wasserrad – und schon kann sich unser kleines Wasserrad in jedem Wasserlauf drehen.

4. Damit das Westernwindradmodell später leichter läuft, müssen Sie noch eine „Achslagerung“ einbauen. Dazu genügt, das Mittelloch etwas aufzubohren, so groß, dass ein Stück einer leeren Großraummine aus einem Kugelschreiber (Vorsicht beim Aufsägen, sonst gibt es wegen der Farbe schmutzige Hände) oder ein kleines Aluröhrchen eingeklebt werden kann.

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2.7. Plastikflaschenwindrad

Diese Bauanleitung beschreibt die faszinierende Möglichkeit aus einem Abfallprodukt mit ein wenig Geschick und Geduld ein richtig funktionierendes Windrad herzustellen, das mehrfach angefertigt auf einer langen Schnur zu einem interessanten Windspiel werden kann. Die Idee für dieses Windrad ist beim Camping in Frankreich entstanden, weil sich dort die leeren Getränkeflaschen ansammelten und sich zum Experimentieren mit der Windkraft anboten.

Material: Leere runde Mineralwasserflaschen aus weichem Kunststoff mit Verschluss, Schnur

Werkzeug: Schere, Bohrer, Filzstift

Bauanleitung

1. Zunächst muss das Etikett entfernt werden. Auf der leeren Kunststoffflasche werden drei gleichlange Teile markiert.

2. Mit der Schere wird das obere Flaschendrittel mit dem Verschluss abgeschnitten.

3. Auf dem größeren Flaschenteil werden jetzt im Abstand von 30 – 40 mm Markierungen angebracht, die Anzahl ist abhängig vom Umfang der Flasche.

4. Mit der Schere wird bis zur Markierung am Flaschenbodendrittel eingeschnitten.

5. Die so entstandenen „Flügel“ werden aufgebogen und kräftig nach hinten geknickt.

6. Die scharfkantigen Flügelenden werden mit der Schere abgerundet.

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2.8. Segeltuchwindmühle

Im Mittelmeerraum, vorwiegend in Griechenland, standen im Mittelalter an der Küste tausende Turmwindmühlen. Es waren Steinbauten mit in der Hauptwindrichtung befestigten Holzstangen als Flügel, an denen dreieckige Tücher befestigt waren. Durch Ausrollen oder Einziehen der Tücher konnte die Drehzahl reguliert und somit das Windrad vor Sturm geschützt werden.

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2.14. Rohrflügler mit Nabendynamo

Ein Windrad mit einem richtigen Stromgenerator zu bauen, scheitert meist an der Materialbeschaffung, denn passende kleine Generatoren sind schwer zu finden und kosten mehr, als sich ein Bastler erhofft. Und was in einigen Bastelbüchern steht, ist nicht mehr aktuell: Auto-Lichtmaschinen sind nicht mehr als Windgeneratoren geeignet und Flügel aus Holzlatten zu schnitzen, ist problematisch.

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Aufbau

H.-J. Schleinhege verwendet nicht nur für die Flügel ein Kunststoffrohr, sondern auch für den Aufbau und die Halterung für die Windfahne. Das erleichtert den Bau sehr. Dieses KG-50-Rohr sollte zur besseren Stabilität im Wind nicht zu kurz sein, empfehlenswert sind 50 – 60 cm.

1. Der Nabendynamo wird in eine Kerbe im Rohr eingesteckt und mit einer Rohrschelle fixiert. Als Drehlager dient eine Schraube oder ein Metallrohr mit U-Scheiben. Um an diese senkrechte Achse hinzukommen, sollte ein Loch ins waagerechte Kunststoffrohr geschnitten werden. Das wird mit einem Stück vom Rohr später wieder verschlossen.

2. Unter dem Rohr sehen Sie einen einfachen Verdreh-Anschlag aus einer Erdungsschelle für Heizungsrohre (Baumarkt oder Sanitärhandel), damit sich das Mastkabel nicht verdrillen kann.

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2.15. Scheibengenerator-Windrad

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Bauanleitung

1. In die beiden Metallscheiben werden 20 mm vom Rand im gleichen Abstand 12 Löcher mit dem Durchmesser von 6 mm gebohrt. Dort werden später die 12 Schrauben eingesteckt, die die beiden Scheiben zusammen halten. Eine Scheibe bekommt ein kleineres Achsloch, die andere ein großes, damit sie auf die Achshülse passt.

In die Mittelachse wird in eine Scheibe ein 30 mm langes Gewinde für die spätere Befestigung im Windradgehäuse geschnitten.

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Bau des Gehäuses

1. Sie brauchen ein Stahl-U oder Viereck, 100 x 100 x 60 mm. Es kann gebogen und verschweißt oder einfach von einem Vierkantrohr abgesägt werden. Drei Löcher müssen gebohrt werden für die Generatorachse, die Windfahnenstange und die Mastführung. Der Lochdurchmesser richtet sich nach dem Material, wir haben 30 mm große Löcher gebohrt.

2. Das Stahlviereck muss nun drehbar auf einem senkrechten Achsrohr befestigt werden, entweder durch Kunststoffhülsen oder besser mit einem oder zwei Kugellagern. Das Achsrohr sollte unten noch 150 mm herausgucken, damit es in den Mast gesteckt und dort mittels Schrauben fixiert werden kann. Oben seitlich im Gehäuse sollte eine Bohrung für die Befestigung des 50 x 50 mm großen Gleichrichters gemacht werden.

3. Windfahnenstange: In ein 700 – 750 mm langes und 20 mm dickes verzinktes Stahlrohr wird ein Gewinde geschnitten, damit es mit einer Mutter hinten im Gehäuse befestigt werden kann. Für die Schwanzflosse kann ein Schlitz eingefräst werden oder die Flosse wird mit zwei Schrauben nur seitlich am Rohr befestigt. Die Schwanzstange muss unbedingt aus Metall sein, denn sonst würde das Gegengewicht zum schweren Generator fehlen.

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Teil 3

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Gibt es das perfekte Kleinwindrad?

Kleinwindräder sollen schon bei wenig Wind starten, möglichst viel Leistung bringen, jeden Sturm überstehen, nicht mit Geräuschen die Nachbarn stören und dazu noch wenig kosten.

Daran sind schon Windradhersteller gescheitert, die oft nach ungenügenden Tests ihre nicht ausgereiften Produkte auf den Markt gebracht und damit die Käufer verärgert haben. Deshalb sind nur noch wenige Hersteller für Kleinwindräder übrig geblieben, aber auch deren Produkte sind qualitativ sehr unterschiedlich.

Wir vom Solar-Wind-Team haben viel Geld investiert und uns die Mühe gemacht, mittlerweile 32 Kleinwindräder zur Akkuladung oder Netzeinspeisung zu testen. Dazu haben wir den Windkanal der Stuttgarter Universität gemietet oder die Windräder im Freiland auf verschiedenen Masten aufgebaut. Um möglichst viele Erfahrungen zu sammeln, haben wir die Kleinwindräder in verschiedenen Windgegenden in Europa und in Kanada testen lassen und viele Erfahrungsberichte von Besitzern gesammelt.

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Teil 4

Kleines Windradlexikon

Anemometer Messgerät für die Windgeschwindigkeit, meist mit drei sich um eine waagerechte Achse drehenden kugelförmige Schalen = Schalenkreuzanemometer.

Asynchrongenerator Ähnlich einem Elektromotor aufgebauter Generator, dessen Magnetfeld in den Spulen aber erst durch Fremdstrom „erregt“ werden muss. Weil der Anker schneller dreht als das dazugehörige Erregermagnetfeld, spricht man von „asynchron“.

Beaufort, Admiral Stellte 1806 eine Windstärkentabelle mit 12 nach ihm genannten Windklassen und einer Beschreibung auf, wie sich die See bei den verschiedenen Windstärken verhält. Später wurden dann die Beobachtungen an Land und andere Maßbezeichnungen hinzugefügt.

Betz, Albert Forscher und Mathematiker, der Mitte der Zwanziger Jahre als erster umfangreiche Berechnungen für Flügel und Windkraftnutzung veröffentlichte.

Blei-Gel-Akku Spezieller auslaufsicherer Akku für Solar- oder Windenergie, lässt sich oft laden und entladen (zyklenfest) und hat eine sehr geringe Eigenentladung. Er verträgt keine Tiefentladung.

Bockwindmühle Sie ist eine frühe Mühlenform, bei der das gesamte drehbare Mühlengebäude auf einem „Holzbock“ (kreuzweise Balken) ruht.

Carbon Kohlefaser, wird im Flügelbau zusammen mit Glasfasern verwendet, gibt den Flügeln besondere Festigkeit.

Drehzahl Sie hängt von der Windstärke ab, beeinflusst die Leistung und die Lautstärke des Windrades.

Drehstromgenerator Er kann mit Permanentmagneten oder mit fremderregten Magnetfeldern ausgerüstet sein. Durch drei versetzt angeordnete Wicklungen wird ein dreiphasiger Wechselstrom erzeugt.

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Impressum

Autor: Günther Hacker

SOLAR-WIND-TEAM

Hansjakobweg 3

D-78112 St. Georgen

Tel. 0049 (0)7724 / 7377

www.wind-mobil.de

info@wind-mobil.de

2. Auflage als E-Book 2014

Webseite Solar-Wind-Team: Peter Hacker www.fatrat.de

Cover und 3D-Grafik: Steffen Hacker www.alexandsteffen.com

Karikatur: Sebastian Badea

Fotos: Günther Hacker, Gabriele Jerke, Steffen Hacker, Peter Hacker, Michael Heyde, Marcel Hendrickx, Christof Stalder, Thomas Fischer, Thomas Schmidt, Johannes Heger, Tjeerd van der Bij, Rolf Heckmann, Hans Sonne, Matthias Sodeik, Lutz Miesel, Henk Penning, Holger Becker, Wolfgang Zwick, Sven Grothe, Alfons Rogg, Klaus Krieger, Daniel Beer, Dr. Horst Brunck, Karl Müller, Florian Lachinger, Bauer Energietechnik, Christoph Blattert-Blüm, Uschi Lebherz, Daniel Bohn und Schüler vom Deutsch-Französischen Gymnasium Freiburg, Southwest Windpower

Mitarbeit: Monika Hacker, Gabriele Jerke, Steffen Hacker, Peter Hacker, Andrea Fritz

E-Book-Erstellung, Webseite für die Windradfachbücher:  Andrea Fritz  www.ebooktreibhaus.de

Published by: epubli GmbH, Berlin, www.epubli.de

ISBN: 978-3-8442-7552-0

Alle Rechte vorbehalten. Kopie oder Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des Autors. Ausnahmen davon sind im E-Book beschrieben.