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LOW←TECH MAGAZINE

Heizen sie ihr Haus mit einer mechanischen Windkraftanlage

Unter den richtigen Voraussetzungen ist eine mechanische Windkraftanlage mit einem überdimensionierten Bremssystem eine preisgünstige, effektive und nachhaltige Heizung.

Übersetzt von: Pascal Vollmer

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Bild: Illustration von Rona Binay für das Low-tech Magazine.

Die Erzeugung erneuerbarer Energien ist fast ausschließlich auf die Erzeugung von elektrischer Energie ausgerichtet. Wir verbrauchen jedoch mehr Energie in Form von Wärme, die von Solarpanels und Windturbinen nur indirekt und relativ ineffizient erzeugt werden. Ein solarthermischer Kollektor verzichtet auf die Umwandlung in Strom und liefert erneuerbare Wärmeenergie auf direkte und effizientere Weise.

Weit weniger bekannt ist, dass eine mechanische Windkraftanlage in einem windigen Klima dasselbe leisten kann. Wenn ihr Bremssystem überdimensioniert wird, kann eine Windkraftanlage durch Reibung viel direkte Wärme erzeugen. Eine mechanische Windkraftanlage kann auch mit einer mechanischen Wärmepumpe gekoppelt werden, was billiger sein kann als die Verwendung eines Gaskessels oder einer elektrischen Wärmepumpe, die von einer Windturbine angetrieben wird.

Wärme versus elektrische Energie

Weltweit entspricht der Wärmeenergiebedarf einem Drittel des Primärenergieangebots, während der Strombedarf nur ein Fünftel beträgt. 1 In gemäßigten oder kalten Klimazonen ist der Anteil der Wärmeenergie sogar noch höher. Im Vereinigten Königreich zum Beispiel macht Wärme fast die Hälfte des gesamten Energieverbrauchs aus. 2 Betrachtet man nur die Privathaushalte, so kann die Wärmeenergie für Raumheizung und Warmwasserbereitung in gemäßigten und kalten Klimazonen 60-80 % des gesamten häuslichen Energiebedarfs ausmachen. 3

Trotzdem spielen erneuerbare Energiequellen bei der Wärmeerzeugung eine vernachlässigbare Rolle. Die wichtigste Ausnahme ist die traditionelle Nutzung von Biomasse zum Kochen und Heizen - aber in der “entwickelten” Welt wird sogar Biomasse oft zur Stromerzeugung statt zur Wärmeerzeugung genutzt. Die Nutzung von direkter Sonnenwärme und geothermischer Wärme deckt weniger als 1 % bzw. 0,2 % des weltweiten Wärmebedarfs 4 5. Während erneuerbare Energiequellen mehr als 20 % des weltweiten Strombedarfs decken (hauptsächlich Wasserkraft), machen sie nur 10 % des weltweiten Wärmebedarfs aus (hauptsächlich Biomasse). 5 6

Direkte versus Indirekte Wärmeerzeugung

Strom aus erneuerbaren Energiequellen kann auf indirekte Weise in Wärme umgewandelt werden - und wird es auch. Beispielsweise wandelt eine Windturbine ihre Rotationsenergie mit Hilfe eines elektrischen Generators in Strom um, und dieser Strom kann dann mit einem elektrischen Heizgerät, einem Elektrokessel oder einer elektrischen Wärmepumpe in Wärme umgewandelt werden. Das Ergebnis ist durch Windenergie erzeugte Wärme.

Insbesondere die elektrische Wärmepumpe wird von vielen Regierungen und Organisationen als nachhaltige Lösung für die Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien gefördert. Sonnen- und Windenergie können jedoch auch direkt genutzt werden, ohne sie vorher in Strom umzuwandeln - und das Gleiche gilt natürlich auch für Biomasse. Die direkte Wärmeerzeugung ist billiger, kann energieeffizienter sein und ist nachhaltiger als die indirekte Wärmeerzeugung.

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Bild: Prototypen von Windkraft-Anlagen, die Wärme erzeugen, 1974 von Esra L. Sorensen gebaut. Photo von Claus Nybroe. Quelle: 13

Die direkte Alternative zur Photovoltaik ist die Solarthermie, eine Technologie, die im neunzehnten Jahrhundert aufkam als Produktionstechnologien für Glas und Spiegel kostengünstiger wurden. Solarthermische Energie kann für die Warmwasserbereitung, die Raumheizung oder für industrielle Prozesse genutzt werden und das ist im Vergleich zum indirekten Weg über die Umwandlung in elektrische Energie 2-3 Mal so energieeffizient.

Fast niemand weiß, dass ein Windrad direkt Wärme erzeugen kann

Die direkte und jedermann bekannte Alternative zur Stromerzeugung aus Windkraft ist die altmodische Windmühle, die mindestens 2.000 Jahre alt ist. Sie übertrug die Rotationsenergie von ihrem Windrotor direkt auf die Achse einer Maschine, zum Beispiel zum Sägen von Holz oder zum Mahlen von Getreide. Dieser althergebrachte Ansatz ist nach wie vor relevant, auch in Kombination mit neuen Technologien, da er energieeffizienter ist als die Umwandlung zuerst in elektrische Energie und dann wieder zurück in Rotationsenergie.

Eine althergebrachte Windmühle kann jedoch nicht nur mechanische Energie liefern, sondern auch Wärmeenergie. Das Problem ist, dass fast niemand dies weiß. Selbst die Internationale Energieagentur erwähnt die direkte Umwandlung von Wind in Wärme nicht, wenn sie alle möglichen Optionen für die Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Quellen vorstellt. 1

Die Wasserwirbelbremse

Der ursprüngliche Typ des wärmeerzeugenden Windrads wandelt die Rotationsenergie direkt in Wärme um, indem er die Reibung im Wasser mit Hilfe einer sogenannten “Wasserwirbelbremse” oder “Joule-Maschine” erzeugt. Ein Wärmeerzeuger, der auf diesem Prinzip beruht, ist im Grunde ein windgetriebenes Rührwerk oder Laufrad, das in einen isolierten, mit Wasser gefüllten Behälter eingebracht ist. Durch die Reibung zwischen den Wassermolekülen wird mechanische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Das erwärmte Wasser kann zum Heizen oder Waschen in ein Gebäude gepumpt werden, und dasselbe Konzept könnte auch bei industriellen Prozessen in einer Fabrik angewendet werden, soweit sie relativ niedrige Temperaturen benötigen. 7 8 9

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Bild; Wärmeerzeugung mit einer Wasserwirbelbremse. Quelle: 8

Die Joule-Maschine war ursprünglich als Messgerät konzipiert. James Joule baute sie in den 1840er Jahren für seine berühmte Messung des mechanischen Wärmeäquivalents: eine Kalorie entspricht der Energiemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von einem Kubikzentimeter Wasser um ein Grad Celsius zu erhöhen. 10

Ein Wärmeerzeuger, der auf diesem Prinzip beruht, ist im Grunde ein windgetriebenes Rührwerk oder Laufrad, das in einen isolierten, mit Wasser gefüllten Behälter eingebracht ist.

An den Windkraftanlagen mit Wasserwirbelbremse fasziniert am meisten, dass sie hypothetisch gesehen schon vor Hunderten oder gar Tausenden von Jahren gebaut worden sein könnten. Sie benötigen einfache Materialien: Holz und/oder Metall. Aber obwohl wir ihre Verwendung in vorindustrieller Zeit nicht ausschließen können, stammt der erste Hinweis auf wärmeerzeugende Windkraftanlagen aus den 1970er Jahren, als Dänen im Zuge der ersten Ölkrise mit dem Bau solcher Anlagen begannen.

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Bild: Der Generator einer wärmeerzeugenden Windkraftanlage. Quelle: 8

Damals war Dänemark fast vollständig von Ölimporten abhängig, was dazu führte, dass viele Haushalte ohne Heizung waren, wenn die Ölversorgung einmal gestört war. Da die Dänen bereits eine ausgeprägte Heimwerkerkultur für kleine Windturbinen zur Stromerzeugung auf Bauernhöfen hatten, begannen sie mit dem Bau von Windrädern zur Beheizung ihrer Häuser. Einige wählten den indirekten Weg, indem sie den durch Wind erzeugten Strom mit Hilfe elektrischer Heizgeräte in Wärme umwandelten. Andere hingegen entwickelten mechanische Windkraftanlagen, die direkt Wärme erzeugten.

Günstiger herzustellen

Der direkte Weg zur Wärmeerzeugung ist wesentlich billiger und nachhaltiger als die Umwandlung von Wind- oder Solarstrom in Wärme mit Hilfe von Elektroheizgeräten. Hierfür gibt es zwei Gründe.

Erstens, und das ist das Wichtigste, sind mechanische Windkraftanlagen weniger komplex, wodurch sie erschwinglicher und weniger ressourcenintensiv in der Herstellung sind, und was außerdem ihre Lebensdauer erhöht. Bei einer Windkraftanlage mit Wasserwirbelbremse können Stromgenerator, Stromrichter, Transformator und Getriebe entfallen, und aufgrund der Gewichtseinsparung kann die Windkraftanlage weniger robust gebaut werden. Die Joule-Maschine hat im Vergleich zu einem Stromgenerator ein geringeres Gewicht, eine geringere Größe und wird mit niedrigeren Kosten betrieben. 11 Wichtig ist auch, dass die Kosten für die Wärmespeicherung um 60-70 % niedriger sind als bei Batterien oder dem Einsatz von Ersatzwärmekraftwerken. 2

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Eine Windkraftanlage mit Wasserwirbelbremse am Institut für Agrartechnik, 1974. Photo von Ricard Matzen. Quelle: 13

Zweitens kann die direkte Umwandlung von Wind- oder Sonnenenergie in Wärme (oder mechanische Energie) energieeffizienter sein als der indirekte Weg über elektrische Energie. Das bedeutet, dass weniger Solar- und Windenergiewandler—und damit weniger Platz und Ressourcen—benötigt werden, um eine bestimmte Wärmemenge zu liefern. Kurz gesagt, das wärmeerzeugende Windrad behebt die Hauptnachteile der Windenergie: ihre geringe Leistungsdichte und ihre Unbeständigkeit.

Mechanische Windkraftanlagen sind weniger komplex und das macht ihren Bau erschwinglicher und weniger ressourcenintensiv und verlängert außerdem ihre Lebensdauer

Außerdem verbessert die direkte Wärmeerzeugung die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit kleinerer Windkraftanlagen erheblich. Tests haben gezeigt, dass kleine Windturbinen, die Strom erzeugen, sehr ineffizient sind und nicht immer so viel Energie erzeugen, wie zu ihrer Herstellung benötigt wurde. 12 Die Verwendung ähnlich dimensionierter Modelle für die Wärmeerzeugung verringert jedoch die zur Herstellung erforderliche Energie und die Kosten, erhöht die Lebensdauer und verbessert den Wirkungsgrad.

Wieviel Wärme kann eine Windkraftanlage erzeugen?

Die dänische Windkraftanlage mit Wasserwirbelbremse aus den 1970er Jahren war eine relativ kleine Maschine mit einem Rotordurchmesser von etwa 6 Metern und einer Höhe von etwa 12 Metern. Größere wärmeerzeugende Windkraftanlagen wurden dann in den 1980er Jahren gebaut. Die meisten verwendeten einfache Holzflügel. Insgesamt sind mindestens ein Dutzend verschiedene Modelle dokumentiert, sowohl Selbstbau- als auch kommerzielle Modelle. 7 Viele wurden aus gebrauchten Autoteilen und anderen ausrangierten Materialien gebaut. 13

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Bild: Eine Calorius-Windkraftanlage, die bis zu 4 kW Wärme erzeugt. Bild zur Verfügung gestellt vom Nordic Folkecenter in Dänemark.

Eine der kleineren frühen dänischen Windkraftanlagen zur Wärmeerzeugung wurde offiziell getestet. Der Calorius Typ 37 - mit einem Rotordurchmesser von 5 Metern und einer Höhe von 9 Metern - erzeugte 3,5 Kilowatt Wärme bei einer Windgeschwindigkeit von 11 m/s (eine starke Brise, Beaufort 6). Dies ist vergleichbar mit der Wärmeleistung der kleinsten elektrischen Heizkessel für die Raumheizung. Von 1993 bis 2000 baute die dänische Firma Westrup insgesamt 34 Wasserbremswindräder nach diesem Konzept, 2012 waren noch 17 in Betrieb. 7

Eine viel größeres Wasserbremswindrad (7,5 m Rotordurchmesser, 17 m Turmhöhe) wurde 1982 von den Gebrüdern Svaneborg gebaut und beheizte das Haus des einen Bruders (der andere entschied sich für eine Windturbine und ein elektrisches Heizsystem). Das Windrad mit seinen drei Glasfaserflügeln erzeugte nach inoffiziellen Messungen bis zu 8 Kilowatt Wärme - vergleichbar mit der Wärmeleistung eines Elektroboilers für ein eher kleines Haus. 7

In den 1980er Jahren baute Knud Berthou das bis dahin ausgeklügeltste wärmeerzeugende Windrad: das LO-FA. Bei anderen Modellen erfolgte die Wärmeerzeugung am unteren Ende des Turms - von der Spitze des Windrads führte ein Schacht nach unten, wo die Wasserbremse installiert war. Beim LO-FA-Windrad wurden jedoch alle mechanischen Teile zur Energiewandlung an die Spitze des Turms verlegt. Die unteren 10 Meter des 20 Meter hohen Turms wurden mit 15 Tonnen Wasser in einem isolierten Reservoir gefüllt. So konnte heißes Wasser buchstäblich aus dem Windrad gezapft werden. 7

Der Turm des LO-FA-Windrads wurde mit 15 Tonnen Wasser in einem isolierten Tank gefüllt: Warmes Wasser konnte buchstäblich aus dem Windrad gezapft werden.

Das LO-FA-Windrad war mit einem Rotordurchmesser von 12 Metern auch das größte wärmeerzeugende Windrad. Seine Wärmeleistung wurde auf 90 Kilowatt bei einer Windgeschwindigkeit von 14 m/s (Beaufort 7) geschätzt. Dieses Ergebnis scheint im Vergleich zu den anderen wärmeerzeugenden Windrädern übertrieben zu sein, aber die Energieabgabe eines Windrads steigt überproportional mit dem Rotordurchmesser und der Windgeschwindigkeit. Außerdem handelte es sich bei der Reibungsflüssigkeit in der Wasserbremse nicht um Wasser, sondern um Hydrauliköl, das auf viel höhere Temperaturen erhitzt werden kann. Das Öl gab dann seine Wärme an den Wasserspeicher im Turm ab. 7

Erneuertes Interesse

Das Interesse an wärmeerzeugenden Windrädern ist vor einigen Jahren wieder aufgeflammt, auch wenn es sich bisher nur um eine Handvoll wissenschaftlicher Studien handelt. In einem Papier aus dem Jahr 2011 schreiben deutsche und britische Wissenschaftler, dass “kleine und abgelegene Haushalte in nördlichen Regionen eher Wärmeenergie als Strom benötigen und daher Windkraftanlagen an solchen Orten für die Erzeugung von Wärmeenergie gebaut werden sollten”. 8

Die Forscher erklären und veranschaulichen die Funktionsweise des Wasserbremswindrads und berechnen die optimale Leistung dieser Technologie. Es wurde festgestellt, dass die Drehmoment-Drehzahl-Charakteristiken von Windrotor und Laufrad sorgfältig aufeinander abgestimmt sein müssen, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen. So wurde beispielsweise für die sehr kleine Savonius-Windmühle, die die Wissenschaftler als Modell verwendeten (0,5 m Rotordurchmesser, 2 m Turm), berechnet, dass der Laufraddurchmesser 0,388 m betragen sollte.

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Anschließend simulierten die Forscher eine Betriebszeit von fünfzig Stunden, um die Wärmeleistung des Windrads zu berechnen. Obwohl es sich beim Savonius-Rotor um eine Windturbine mit geringer Geschwindigkeit handelt, die für die Stromerzeugung ungeeignet ist, erweist sie sich als hervorragender Wärmeerzeuger: Die kleine Windturbine erzeugte bis zu 1 kW Wärmeleistung (bei einer Windgeschwindigkeit von 15 m/s). 8 Eine Studie aus dem Jahr 2013, bei der ein Prototyp verwendet wurde, kam zu ähnlichen Ergebnissen und berechnete den Wirkungsgrad des Systems auf 91 %. 9 Dies ist mit dem Wirkungsgrad einer Windturbine vergleichbar, die Wasser durch Strom erhitzt.

In einer Prototypen-Studie aus dem Jahr 2013 wird ein Wirkungsgrad von 91 % angegeben.

Natürlich stürmt es nicht immer, was bedeutet, dass die durchschnittliche Windgeschwindigkeit mindestens genauso wichtig ist. Eine Studie aus dem Jahr 2015 untersucht die Möglichkeiten der Wärmeerzeugung durch Windräder in Litauen, einem baltischen Land mit kühlem Klima, das auf teure Brennstoffimporte angewiesen ist. 14 Die Forscher berechneten, dass bei der durchschnittlichen Windgeschwindigkeit in diesem Land (4 m/s, entspricht etwa einer Windstärke von 3 Beaufort) für die Erzeugung von einem Kilowatt Wärme eine Windkraftanlage mit einem Rotordurchmesser von 8,2 Metern erforderlich ist.

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Eine wärmeerzeugende Windkraftanlage mit einer Wasserwirbelbremse, die sich im unteren Teil des Turms befindet. Die Mühle wurde 1975 von Jorgen Andersen gebaut und stand in Serritslev. Photo von Claus Nybroe. Quelle: 13

Sie vergleichen dies mit dem Wärmeenergiebedarf eines 120 Quadratmeter großen, energieeffizienten Neubaus, der nach Standards für modernen Komfort beheizt wird, und kommen zu dem Schluss, dass ein wärmeerzeugendes Windrad zwischen 40 und 75 % des jährlichen Wärmebedarfs decken könnte (je nach Energieeffizienzklasse des Gebäudes). 14

Wärmespeicherung

Auch für die durchschnittliche Windgeschwindigkeit gibt es keine Garantie, was bedeutet, dass ein wärmeerzeugendes Windrad einen Wärmespeicher benötigt—andernfalls würde es nur dann Wärme liefern, wenn der Wind weht. Ein Kubikmeter erhitztes Wasser (1 Tonne oder 1.000 Liter) kann bis zu 90 kWh Wärme speichern, was etwa der Versorgung eines Vier-Personen-Haushalts für ein bis zwei Tage entspricht.

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Das selbe Windrad wie das oben abgebildete, von unten betrachtet. Quelle: 7

Um eine Woche ohne Wind zu überbrücken, sind also bis zu 7 Tonnen Wasser erforderlich, was einem Volumen von 7 Kubikmetern plus Isolierung entspricht. Allerdings sind auch die Energieverluste (durch Abkühlung) zu berücksichtigen, weshalb die dänischen wärmeerzeugenden Windkraftanlagen in der Regel einen Speicher mit zehn- bis zwanzigtausend Litern Wasser hatten. 13

Ein wärmeerzeugendes Windrad kann auch mit einem Solarboiler kombiniert werden, so dass sowohl Sonne als auch Wind mit einem kleineren Wassertank direkt Wärmeenergie liefern können.

Ein wärmeerzeugendes Windrad kann auch mit einem Solarkessel kombiniert werden, so dass sowohl die Sonne als auch der Wind über denselben Wärmespeicher direkte Wärmeenergie liefern können. In diesem Fall ist es möglich, ein ziemlich zuverlässiges Heizsystem mit einem kleineren Wärmespeicher zu bauen, weil die Kombination von zwei—oft komplementären—Energiequellen die Chancen einer direkten Wärmeversorgung erhöht. Vor allem in weniger sonnigen Klimazonen sind wärmeerzeugende Windräder eine gute Ergänzung zu einer solarthermischen Anlage, da letztere im Winter, wenn der Wärmebedarf am größten ist, relativ wenig Wärme erzeugt.

Retarder und mechanische Wärmepumpen

Die bisher aktuellsten und umfangreichsten Studien stammen aus den Jahren 2016 und 2018 und vergleichen verschiedene Arten von wärmeerzeugenden Windrädern mit verschiedenen Arten der indirekten Wärmeerzeugung. 1 15 Bei der indirekten Wärmeerzeugung wird die Wärme mit mechanischen Wärmepumpen oder hydrodynamischen Retardern erzeugt, nicht mit einer Wasserwirbelbremse.

Eine mechanische Wärmepumpe ist einfach eine Wärmepumpe ohne Elektromotor—stattdessen ist der Windrotor direkt mit dem/den Verdichter(n) der Wärmepumpe verbunden. Dadurch ist ein Umwandlungsschritt weniger erforderlich, was die Kombination mindestens 10 % energieeffizienter macht als eine elektrische Wärmepumpe, die von einer Windturbine angetrieben wird.

Der hydrodynamische Retarder ist als Bremssystem in schweren Fahrzeugen bekannt. Wie eine Joule-Maschine wandelt er Rotationsenergie in Wärme um, ohne dass Elektrizität benötigt wird. Retarder und mechanische Wärmepumpen haben die gleichen Vorteile wie Joule-Maschinen in dem Sinne, dass sie viel kleiner, leichter und billiger sind als elektrische Generatoren. Allerdings ist in diesem Fall ein Getriebe erforderlich, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen.

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Verschiedene Arten der direkten und indirekten Wärmeerzeugung werden verglichen. Quelle: 15

Die Studie vergleicht wärmeerzeugende Windkraftanlagen auf der Grundlage von Retardern und mechanischen Wärmepumpen mit der indirekten Wärmeerzeugung mittels Elektrokesseln und elektrischen Wärmepumpen. Sie vergleicht diese vier Technologien für drei Systemgrößen: eine kleine Anlage für die Beheizung eines netzunabhängigen Haushalts, eine große Anlage für die Wärmeversorgung eines Dorfes und einen Windpark, der Wärme für 20.000 Einwohner erzeugt. Die vier Heizkonzepte werden anhand ihrer jährlichen Investitions- und Betriebskosten eingestuft, wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren angenommen wird. 1 15

Die direkte Kopplung eines mechanischen Windrads mit einer mechanischen Wärmepumpe ist billiger als die Verwendung eines Gaskessels oder die Kombination aus Windrad und elektrischer Wärmepumpe.

Für das netzunabhängige System ist die direkte Kopplung einer mechanischen Windkraftanlage mit einer mechanischen Wärmepumpe die billigste Option, während die Kombination einer Windkraftanlage mit einem Elektrokessel zwei- bis dreimal so teuer ist. Alle anderen Technologien liegen dazwischen. Berücksichtigt man sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten, so sind kleine wärmeerzeugende Windräder mit mechanischen Wärmepumpen gleich teuer oder etwas günstiger wie herkömmliche Gaskessel, wenn man von der typischen Leistung einer kleinen Windkraftanlage ausgeht (die über einen Zeitraum von einem Jahr 12 % bis 22 % ihres maximalen Energieoutputs erzeugt).

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Bild: Von O. Helgason entwickeltes Windrad mit Wasserwirbelbremse (links), Wasserwirbelbremse mit variablem Lastsystem (rechts). Bilder aus “Test at very high wind speed of a windmill controlled by a water brake”, O. Helgason und A.S. Sigurdson, Science Institute, University of Iceland. Quelle: 7

Andererseits erfordert die Kombination einer kleinen Windturbine mit einer elektrischen Wärmepumpe ein Windrad mit einem “Kapazitätsfaktor” von mindestens 30 %, um mit der Gasheizung kostenmäßig konkurrieren zu können—eine so hohe Leistung ist jedoch sehr ungewöhnlich. Größere Systeme weisen die gleiche Rangfolge auf—die Kombination aus mechanischen Windrädern und mechanischen Wärmepumpen ist die billigste Option—, haben aber aufgrund von Größenvorteilen bis zu dreimal niedrigere Kapitalkosten. Größere Windkraftanlagen haben höhere Kapazitätsfaktoren (16-40 %), was zu noch größeren Kosteneinsparungen führt.

Aufgrund der großen Energieverluste beim Wärmetransport eignet sich das wärmeerzeugende Windrad am besten als dezentrale Energiequelle, die einen netzunabhängigen Haushalt oder - im optimalen Fall - eine kleine Stadt mit Wärme versorgt.

Jedoch wird bei größeren Systeme ein Problem bei der Skalierung der Technologie offenbar: Die Speicherung von Wärme mag billiger und effizienter sein als die Speicherung von Strom, aber für den Transport gilt das Gegenteil: Die Energieverluste beim Wärmetransport sind viel größer als die Energieverluste bei der Übertragung elektrischer Energie. Die Forscher berechnen, dass die maximale Entfernung, die unter optimalen Windbedingungen kosteneffizient ist, 50 km beträgt. 15

Folglich ist die wärmeerzeugende Windkraftanlage am besten als dezentrale Energiequelle geeignet, die einen netzunabhängigen Haushalt oder—im optimalen Fall—eine relativ kleine Stadt oder ein Industriegebiet mit Wärme versorgt. Bei noch größeren Anlagen muss die Energie als elektrische Energie transportiert werden. In diesem Fall wird die direkte Wärmeerzeugung—mit all ihren sonstigen Vorteilen—unattraktiv.

Geblendet von Elektrizität

Für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien werden auch wärmeerzeugende Windkraftanlagen untersucht, vor allem weil sie eine bessere Lösung für die Energiespeicherung bieten, entweder im Vergleich zu Batterien oder zu anderen gängigen Technologien. 16 Bei diesen Systemen wird die erzeugte Wärme mithilfe einer Dampfturbine in Strom umgewandelt. Das Speichersystem ähnelt dem eines konzentrierten Solarkraftwerks (concentrated solar power plant – CSP) wobei die Solarkonzentratoren durch wärmeerzeugende Windräder ersetzt werden.

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Eine Induktionsheizung. Quelle: 9

Da zur effizienten Stromerzeugung mit einer Dampfturbine hohe Temperaturen erforderlich sind, können diese Systeme nicht auf Joule-Maschinen oder hydrodynamische Retarder zurückgreifen, sondern sind stattdessen auf eine Art von Retarder angewiesen, der als “Wirbelstromheizung” oder Induktionsheizung bezeichnet wird. Diese bestehen aus einem Magneten, der auf einer rotierenden Welle montiert ist, und können Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius erreichen. Durch den Einsatz von Induktionsheizungen könnten Windkraftanlagen direkte Wärme bei höheren Temperaturen liefern, was ihre potenzielle Verwendung in der Industrie weiter verbessert.

Die Nutzung der gespeicherten Wärme zur Stromerzeugung ist jedoch wesentlich kostspieliger und weniger nachhaltig als die Nutzung von Windrädern zur direkten Wärmeerzeugung. Die Umwandlung der gespeicherten Wärme in Strom ist höchstens zu 30 % effizient, was bedeutet, dass zwei Drittel der Windenergie durch unnötige Wandlungsschritte verloren gehen—und dasselbe gilt bei der Verwendung von Solarthermie zur Stromerzeugung. 15

Die direkte Wärmeerzeugung bietet somit die Möglichkeit, mit der gleichen Anzahl von Windrädern, die zudem billiger und nachhaltiger zu bauen sind, dreimal mehr Treibhausgasemissionen und fossile Brennstoffe einzusparen. Es bleibt zu hoffen, dass der direkten Wärmeerzeugung die Priorität eingeräumt wird, die sie verdient. Trotz der Klimaerwärmung ist die Nachfrage nach Wärmeenergie so hoch wie eh und je.

Kris De Decker


  1. Nitto, Dipl-Ing Alejandro Nicolás, Carsten Agert, and Yvonne Scholz. “WIND POWERED THERMAL ENERGY SYSTEMS (WTES)“. 

  2. Integration of Thermal Energy Storage into Energy Network, Sharyar Ahmed, 2017 

  3. The bright future of solar thermal powered factories, Kris De Decker, Low-tech Magazine, 2011 

  4. Solar Heat Worldwide, edition 2018, International Energy Agency (IEA). 

  5. Renewables 2018, Heat, International Energy Agency (IEA). 

  6. World Bank: Renewable electricity output

  7. The Rise of Modern Wind Energy: Wind Power for the World. Pan Stanford Publishing, 2013. See chapter 13 (“Water brake windmills”, Jørgen Krogsgaard) and chapter 16 (“Consigned to Oblivion”, Preben Maegaard). These seem to be the only English language documents on Danish water brake windmills. 

  8. Chakirov, Roustiam, and Yuriy Vagapov. “Direct conversion of wind energy into heat using joule machine.” Fourth International Conference on Environmental and Computer Science (ICECS 2011), Singapore, Sept. 2011. 

  9. SMALL WIND ENERGY SYSTEM WITH PERMANENT MAGNET EDDY CURRENT HEATER, BY ION SOBOR, VASILE RACHIER, ANDREI CHICIUC and RODION CIUPERCĂ. BULETINUL INSTITUTULUI POLITEHNIC DIN IAŞI. Publicat de Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi Tomul LIX (LXIII), Fasc. 4, 2013 

  10. Joule’s experiment: An historico-critical approach, Marcos Pou Gallo Advisor. 

  11. Okazaki, Toru, Yasuyuki Shirai, and Taketsune Nakamura. “Concept study of wind power utilizing direct thermal energy conversion and thermal energy storage.” Renewable energy 83 (2015): 332-338. 

  12. Real-world tests of small wind turbines in Netherlands and the UK, Kris De Decker, The Oil Drum, 2010. 

  13. Selfbuilders, Winds of Change website, Erik Grove-Nielsen. 

  14. Černeckienė, Jurgita, and Tadas Ždankus. “Usage of the Wind Energy for Heating of the Energy-Efficient Buildings: Analysis of Possibilities.” Journal of Sustainable Architecture and Civil Engineering 10.1 (2015): 58-65. 

  15. Cao, Karl-Kiên, et al. “Expanding the horizons of power-to-heat: Cost assessment for new space heating concepts with Wind Powered Thermal Energy Systems.” Energy 164 (2018): 925-936. 

  16. Okazaki, Toru, Yasuyuki Shirai, and Taketsune Nakamura. “Concept study of wind power utilizing direct thermal energy conversion and thermal energy storage.” Renewable energy 83 (2015): 332-338. 

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