Wind

Aug 23, 2023

Heizen ist heute eine der größten Energieanwendungen in der menschlichen Gesellschaft. Wo wir einst Holzscheite verbrannten, um die brutale Winterkälte abzuwehren, verlassen wir uns heute auf Gas und Strom, um unsere Häuser zu heizen und uns sicher und warm zu halten. In einigen kälteren Klimazonen wie dem Vereinigten Königreich kann die Heizung 60–80 % des gesamten Energiebedarfs der Haushalte ausmachen.

Es gibt jedoch alternative Möglichkeiten, für Wärme zu sorgen. Die Nutzung von Windenergie zur direkten Wärmebereitstellung könnte in diesem Bereich von entscheidender Bedeutung sein und eine Vielzahl interessanter Methoden nutzen, die einige einzigartige Nischenanwendungen bieten könnten.

Wenn eine Schlagzeile in den letzten zwei Jahren eintönig und langweilig geworden ist, dann sind es die steigenden Gas- und Strompreise. Dadurch zahlen Millionen Menschen auf der ganzen Welt mehr denn je für die Heizung ihrer Häuser. Nachhaltige Energiequellen im Privathaushalt können dies bis zu einem gewissen Grad ausgleichen, wenn sie auf elektrische Heizmethoden angewiesen sind – sei es durch Widerstandsheizungen oder über Wärmepumpen. Natürlich sind im kältesten Winter die üblichen Solarmodule für Privathaushalte leider am niedrigsten, was bestenfalls zu geringen Einsparungen führt.

Diese Probleme haben ein neues Licht auf alternative Methoden zur sauberen und erneuerbaren Beheizung von Häusern geworfen. Insbesondere Windenergie kann bei richtiger Nutzung zum Heizen genutzt werden. Die naheliegendste Lösung ist die indirekte Lösung, bei der ein Windgenerator Strom für den Betrieb einer konventionellen Elektroheizung liefert. Interessanter sind jedoch die direkten Methoden, die in manchen Fällen günstiger und energieeffizienter sein können.

Die intuitivste Art der Wind-Wärme-Erzeugung erfolgt über ein Flüssigkeitsbremssystem, auch Joule-Maschine genannt. Dabei dreht eine Windmühle ein Paddel in einem Behälter mit Flüssigkeit, meist Wasser. Die vom Windstrom aufgenommene Energie wird im Wesentlichen durch den Widerstand, den sie der Windmühle entgegensetzt, in die Flüssigkeit abgeleitet und erwärmt diese. Die erhitzte Flüssigkeit kann dann zu den Heizkörpern gepumpt werden, um die Wärme dort abzugeben, wo sie benötigt wird. Das Konzept ist recht einfach, erfordert jedoch eine sorgfältige Konstruktion, damit es in der Praxis funktioniert. Der Schlüssel liegt in der richtigen Dimensionierung der Windmühle und der Flüssigkeitsbremse, damit sie zueinander passen, und in der Wahl der richtigen Parameter, um die Flüssigkeit auf ein nützliches Maß zu erhitzen. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass das System mechanische Energie direkt in Wärme umwandelt und dabei die elektrische Stufe umgeht, was erhebliche Kosten und Komplexität mit sich bringt. Außerdem wird eine zusätzliche Energieumwandlungsstufe eingespart, was sich positiv auf die Effizienz auswirken kann.

Eine Windmühle mit Flüssigkeitsbremse ist mechanisch gesehen ein bemerkenswert einfaches Gerät. Es hätte in der frühen Industriezeit zum Heizen verwendet werden können, wenn damals jemand auf die Idee gekommen wäre. Sie erlangten jedoch erstmals Bekanntheit, als bestimmte unternehmungslustige Personen in Dänemark in den 1970er Jahren mit der Technologie experimentierten. Das Land wurde von der globalen Ölkrise heimgesucht, da es auf eine zuverlässige Wärmeversorgung angewiesen war. Als die Ölpreise in die Höhe schossen, wurden Alternativen schnell attraktiv.

Es ist zu beachten, dass dieses Konzept vor allem für Menschen in ländlichen Gebieten mit Platzangebot anwendbar ist. Es handelt sich auch um Orte, an denen der Wind wahrscheinlich stärker zur Verfügung steht. Außerdem ist es im Gegensatz zu bebauten Gebieten einfacher, eine größere und leistungsfähigere Turbine zu bauen. Kleine oder schwache Windkraftanlagen haben in der Regel eine schlechte Leistung, insbesondere in überfüllten Stadtgebieten. Für ein ländliches Anwesen mit viel Platz und begrenzter Anbindung an das Stromnetz könnte ein Wind-zu-Wärme-Gerät jedoch gut funktionieren.

Der frühe dänische Entwurf namens Calorius Typ 37 ist ein gutes Beispiel für eine typische Wind-Wärme-Anlage. Mit einem 5-m-Rotor und einer Höhe von 9 m war es in der Lage, bei einer Brise von 11 m/s 3,5 kW Wärme zu erzeugen. Ein Paar dieser Geräte wäre in der Lage, ein mittelgroßes Haus zu heizen.

Im Vergleich dazu zeigte das fortschrittlichere LO-FA-Design aus den 1980er Jahren, wie leistungsstark ein Wind-Wärme-System sein kann. Mit einem mächtigen 12-Meter-Rotor auf einem 20-Meter-Turm war es in der Lage, bei einer Windgeschwindigkeit von 14 m/s geschätzte 90 kW Wärme zu erzeugen. Insbesondere wurde für die Flüssigkeitsbremse Hydrauliköl mit höherem Widerstand verwendet, und nicht wie bei den meisten anderen Konstruktionen Wasser. Anschließend wurde die Wärme zur Verteilung auf Wasser übertragen. Mit dieser großen Heizkapazität könnte der LO-FA möglicherweise mehrere Häuser heizen, was darauf hindeutet, dass große Wind-Wärme-Anlagen ideal für netzunabhängige Gemeinden oder Familienbetriebe sein könnten.

Natürlich weht der Wind nicht ständig, daher ist bei solchen Systemen oft eine Wärmespeicherung notwendig. Der einfachste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, eine Wind-Wärme-Anlage mit einem großen Wassertank als Wärmespeicher zu kombinieren. Niederländische Systeme stützten sich oft auf Speichertanks mit 10.000 bis 20.000 Litern Wasser. Dies würde genügend Stauraum bieten, um kalte Zeiten mit minimalem Wind zu überstehen, wobei der Stauraum ungefähr so ​​viel Platz einnimmt wie ein kleines Schwimmbad.

Alternativ können auch in diesem Bereich Wärmepumpen von großem Nutzen sein. Ein Flüssigkeitsbremssystem kann bis zu 90 % der eingefangenen Windenergie in Wärme in der Flüssigkeit umwandeln. Eine Wärmepumpe hingegen kann einen Wirkungsgrad von 300 % oder mehr haben. Dies liegt daran, dass die Windenergie die Windenergie nicht direkt in Wärme umwandelt, sondern Wärme von einem Ort zum anderen transportiert.

Der Aufbau eines solchen Systems erfordert nichts besonders Ausgefallenes. Man kann lediglich eine vorhandene elektrische Wärmepumpe nehmen, den Motor entfernen und den mechanischen Antrieb durch die Leistung einer Windkraftanlage ersetzen. Möglicherweise ist eine gewisse Übersetzung erforderlich, um beides zu erreichen, aber im Grunde ist das alles, was erforderlich ist. Dies ist im Allgemeinen effizienter als die Verwendung einer Windkraftanlage zur Stromerzeugung, die dann einen Elektromotor antreibt, der die Wärmepumpe indirekt antreibt.

Wind-Wärme-Systeme, die auf Wärmepumpen basieren, sind sogar noch Nischensysteme als ihre Pendants mit Flüssigkeitsbremse. Erste Untersuchungen deuten jedoch darauf hin, dass sie eine bemerkenswert kostengünstige und effiziente Möglichkeit sein könnten, Wärme direkt aus Windenergie zu erzeugen. Praktische Bedenken schränken ihren Einsatz möglicherweise in netzfernen Gemeinden oder anderen Nischenanwendungen ein, aber die Thermodynamik ist dennoch beweisbar.

Heute, weit entfernt von der Ölkrise der 1970er Jahre, ist die direkte Wind-Wärme-Erzeugung eher eine wissenschaftliche Kuriosität als eine beliebte Methode zur Erwärmung von Häusern. Wenn Sie jedoch ein Universitätsforscher sind, an neuen Konzepten für das Fernwärmesystem Ihrer Stadt arbeiten oder ein ländlicher Hacker auf einem Bauernhof sind, kann es sich lohnen, dies genauer zu untersuchen. In Gebieten mit reichlich vorhandenem Wind und hohem Heizbedarf könnten sich Wind-Wärme-Systeme als nützlich erweisen, um alle emissionsfrei warm und wohlig zu halten.