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Die Neuerfindung der Windkraftanlage

Sun, 02 Jun 2019 00:00:00 +0000

Eine kleine Windkraftanlage mit Flügeln und Turm aus Holz. Bild: InnoVentum.

Viele handelsübliche Windkraftanlagen mit Kunststoffblättern und Stahltürmen sind berüchtigt für ihre geringe Zuverlässigkeit, hohe Graue Energie und begrenzte Leistung. Mit Holzbauweise kann man diese Probleme angehen.

Aufgrund ihres ästhetischen Reizes und dank der Möglichkeit, sie vor Ort zu produzieren, können kleine Windkraftanlagen aus Holz auch die öffentliche Akzeptanz der Windenergie verbessern. Darüber hinaus erleichtern Innovationen im Turmbau die Installation von Windkraftanlagen, da sie den Bedarf an Betonfundamenten und schweren Maschinen verringern.

Niedrige Leistung

Tests haben gezeigt, dass viele handelsübliche Windkraftanlagen über ihre Lebensdauer hinweg nicht immer genügend Strom erzeugen, um die Energie, die zu ihrer Herstellung benötigt wurde, zu kompensieren.

Es gibt drei Gründe, warum das so ist. Erstens sind da die Gesetze der Physik. Die Energieausbeute einer Windkraftanlage steigt schneller als ihre Höhe und Rotorgröße, was bedeutet, dass, wenn eine Windkraftanlage kleiner wird, ihre Leistungsabgabe überproportional abnimmt.

Zweitens werden die Rotorblätter von Windkraftanlagen üblicherweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, dessen Herstellung energieintensiv ist (und der unmöglich recycelt werden kann). Diese Energie muss während der Lebensdauer der Windkraftanlage “zurückbezahlt” werden, was bei Maschinen mit kleinen Rotordurchmessern eine Herausforderung sein kann.

Drittens hängt die Wartung von Windkraftanlagen von der Fähigkeit des Herstellers ab, im Geschäft zu bleiben und seine Kunden mit Ersatzteilen zu versorgen. Im Gegensatz zu Solarzellen haben Windkraftanlagen viele bewegliche Teile und sind daher eher reparaturanfällig. Dazu kommt, dass die Lieferanten von Windkraftanlagen manchmal eine noch kürzere Lebenserwartung haben als ihre Produkte. ¹

Handgeschnitzte Rotorblätter

Die Gesetze der Physik lassen sich nicht ändern, aber sie allein hindern Windkraftanlagen nicht daran, wirtschaftlich und nachhaltig zu sein. Es sind die beiden anderen Faktoren, die entscheidend sind, und diese können angegangen werden. Tatsächlich werden sie seit mehr als zwei Jahrzehnten vom schottischen Ingenieur Hugh Piggott angegangen, der kleine 1-2 kW-Windkraftanlagen mit 2-4 Meter Rotordurchmesser unter Verwendung von massiven Holzblättern baut. ²

Bild: Handgeschnitzte Rotorblätter. Quelle: [^5]

Es braucht einfache Fähigkeiten zur Holzbearbeitung die Rotoren vor Ort mit einfachen Werkzeugen handzuschnitzen. Anders als bei Glasfaserflügeln wird für die Herstellung wenig oder gar keine Energie verbraucht. Dies erhöht die Chance, dass die Windkraftanlage während ihrer Lebensdauer mehr Energie produziert, als zu ihrer Herstellung benötigt wurde.

Entgegen dem üblichen Fokus auf Effizienz wird bei Piggotts Windkraftanlagen die Spitzenleistung verringert – zugunsten eines zuverlässigeren Betriebs. Die Maschinen verwenden eine Regelung, die die Turbinenleistung bei Winden von 8 m/s (Beaufort 5) begrenzt, während die meisten kommerziellen Modelle bei höheren Windgeschwindigkeiten weiterarbeiten. Das erhöht die Zuverlässigkeit, denn je schneller die Maschine dreht, desto schneller verschleißen ihre Teile. ³

Lokale Herstellung

Ein Vergleich von Piggotts Windkraftanlagen mit kommerziell erhältlichen Modellen ergab, dass der erhöhte Energieertrag, den letztere bei Windgeschwindigkeiten über 8 m/s erzeugen, größtenteils vergeudet wird, da der Großteil der zusätzlichen Leistung erzeugt wird, wenn die Batterien bereits voll sind. Die Studie ergab auch, dass Piggotts Design etwa 20 % billiger ist, wenn man sowohl die Kapital- als auch die Betriebskosten berücksichtigt. ³

Bild: Windturbine aus Holz in Nepal. Quelle: [^5]

Piggott’s Open-Source-Design hat Tausende von kleinen DIY-Windkraftanlagen auf der ganzen Welt hervorgebracht. Es liegt auch mehreren windbasierten ländlichen Elektrifizierungsinitiativen in der Mongolei, Nepal, Peru und Nicaragua zugrunde. ⁴⁵⁶⁷ In “Entwicklungsländern” bietet die Möglichkeit, die Turbinen vor Ort herzustellen und zu warten, gegenüber der Verwendung kommerzieller Windkraftanlagen oder Solarpaneele einen großen Vorteil.

Kommerzielle Windkraftanlagen mit Holz-Rotoren

Die Verwendung von Massivholzblättern, einst üblich für kleinere Windmühlen und Windturbinen, ist in letzter Zeit wieder auf Interesse gestoßen. [^8][^9] Am bemerkenswertesten ist die Erfolgsgeschichte des niederländischen Unternehmens EAZ Wind, das 2014 von vier jungen Windsurfern gegründet wurde. Die Firma, die mittlerweile über 40 Mitarbeiter hat, verkauft Windräder mit massiven Holzblättern an Bauernhöfe und Energiegenossenschaften in der Region. Mit einem Rotordurchmesser von 12 Metern und einer Leistung von 10 kW sind die Anlagen etwa fünfmal so groß wie Piggott’s Maschinen.

Bild: Windkraftanlage mit Holz-Rotoren, von EAZ Wind hergestellt.

Die Rotoren werden aus massiven Holzbalken hergestellt, die miteinander verleimt und dann geschliffen werden, um die richtige Form zu erhalten. Anschließend werden sie mit einer Epoxidbeschichtung überzogen, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen, während die spitz zulaufende Seite des Flügels einen Streifen aus glasfaserverstärktem Kunststoff erhält, um sie haltbarer zu machen. Nach Angaben des Herstellers produzieren die Windturbinen – installiert auf 15 m hohen Türmen – etwa 30.000 kWh Strom pro Jahr, was dem Stromverbrauch von zehn niederländischen Haushalten entspricht. Eine Maschine wird für 46.000 Euro verkauft, was sie billiger macht als eine Solar-PV-Anlage (4.600 Euro pro Haushalt, oder weniger als die Hälfte des Preises einer Solar-PV-Anlage). Die Amortisationszeit - in den windigen nördlichen Niederlanden - beträgt 7 bis 10 Jahre.

Akzeptanz in der Öffentlichkeit

Interessanterweise ist die Entscheidung von EAZ Wind für Holz-Rotoren nicht vom Ziel geleitet, die graue Energie der Windturbine zu senken. Vielmehr setzt sich das Unternehmen das Ziel, das Land – insbesondere Bauernhöfe, aber auch kleine Dörfer – in Bezug auf die Stromerzeugung autark zu machen, indem man schönere und lokal produzierte Windturbinen entwirft, über die sich die Menschen nicht beschweren. Wie in vielen anderen Ländern stoßen große Windkraftanlagen - und die dazugehörigen Übertragungsleitungen – auch in den Niederlanden auf viel Widerstand bei den Anwohnern.

Bild: Eine Windkraftanlage mit Rotoren aus Holz wird installiert. Bild: EAZ Wind.

Der Ansatz scheint zu funktionieren. Wenn ein Betrieb eine Windturbine installiert, sind seine Nachbarn meist die nächsten Kunden. EAZ Wind hat inzwischen mehr als 400 Windkraftanlagen verkauft. Die öffentliche Akzeptanz der Windkraft scheint durch zwei Faktoren begünstigt zu werden. Erstens sehen Windkraftanlagen mit Holzflügeln natürlicher aus, das erhöht ihren ästhetischen Reiz. Zweitens werden die Anlagen vor Ort produziert, was bedeutet, dass der Kauf einer Windkraftanlage die lokale Wirtschaft unterstützt. Das Holz für die Flügel kommt aus einer nahe gelegenen Provinz und wird von Unternehmen in der Region verarbeitet.

Türme aus Holz

Die Turbinen von EAZ Wind haben Holzblätter, aber Stahltürme. Einen anderen Ansatz verfolgt das schwedische Unternehmen InnoVentum: Seine Windturbinen haben einen Holzturm, während die Flügel aus Kunststoff gefertigt sind. Die 12 m oder 20 m hohen Türme haben ein einzigartiges Design, das aus kleinen Holzmodulen besteht, die in wenigen Stunden am Boden zusammengeschraubt werden können.

Bild: Der hölzerne Windradturm von InnoVentum.

Die mehrbeinigen Türme benötigen keinen oder viel weniger Beton für ihre Fundamente und sie können ohne den Einsatz eines Krans errichtet werden, stattdessen werden ein Seil und eine Winde verwendet. Rund fünfzehn Anlagen wurden seit 2012 installiert. Wie EAZ Wind will das Unternehmen eine neue Stufe ästhetischer Qualität erreichen, die dazu beitragen kann, die Akzeptanz von Windkraftanlagen zu erhöhen.

Bild: Der hölzerne Windradturm von InnoVentum.

Natürlich könnten beide Ansätze kombiniert werden, was zu kleinen Windturbinen mit hölzernen Flügeln, Turm und anderen Bauteilen führen würde. Eine kleine Windturbine, die fast vollständig aus Holz gebaut ist - abzüglich des Getriebes und des Generators – verringert die Energie, die zu ihrer Herstellung benötigt wird, weiter und macht sie so über ihre gesamte Lebensdauer hinweg wirtschaftlicher und nachhaltiger. In Bezug auf die Kohlenstoffemissionen kann eine Kleinwindkraftanlage aus Holz sogar als Kohlenstoffsenke betrachtet werden, da das Holz CO2 bindet, das die Bäume der Atmosphäre entzogen haben.

Kombination von Wind- und Solarenergie

Die neuesten Produkte sowohl von EAZ Wind als auch von InnoVentum fügen an der Basis der Struktur Solarmodule an. Da die Windturbine und das Solar-PV-System dieselbe Tragstruktur, das selbe elektrische System und denselben Energiespeicher nutzen können, spart dieser Ansatz Geld und Ressourcen. Die Kombination von Solar- und Windkraftanlagen erhöht außerdem die Wahrscheinlichkeit, dass zu jeder Zeit ausreichend Strom produziert wird, was den Bedarf an Energiespeichern reduziert: das ist der am wenigsten nachhaltige Teil bei der netzunabhängigen Stromerzeugung.

Bild: InnoVentum.

Im Hybridmodell Solar-Wind von EAZ Wind ist die Leistung der Windturbine doppelt so hoch wie die Leistung der Solar-PV-Paneele, was das lokale Klima widerspiegelt (windig, aber nicht sehr sonnig). Durch die Hinzunahme der Solarpaneele erhöht sich der Stromertrag auf 45.000 kWh pro Jahr, was dem Strombedarf von 14 niederländischen Haushalten entspricht. Die Verwendung von Solarmodulen erhöht jedoch die graue Energie des Systems beträchtlich, so dass es möglicherweise keine Kohlenstoffsenke mehr ist.

Bild: InnoVentum.

Dezentrale Energieerzeugung

Kleine Windkraftanlagen aus Holz bieten weitere Vorteile, die allen dezentralen Energiequellen eigen sind. Die Tatsache, dass sie von den Menschen bezahlt werden, die auch ihre Vorteile genießen, erhöht ihre öffentliche Akzeptanz. Außerdem machen sie Übertragungsleitungen überflüssig, und je mehr Strom vor Ort produziert und genutzt wird, desto einfacher ist es, den schlecht vorhersagbaren Windstrom in das zentrale Netz zu bringen. Nicht zuletzt fördert die Verbindung zwischen Energienutzung und -nachfrage [eine energieärmere Lebensweise] ((https://qelnixcor.cloud/de/2018/12/keeping-some-of-the-lights-on-redefining-energy-security/). ).

Kostakis, Vasilis, et al. “The convergence of digital commons with local manufacturing from a degrowth perspective: two illustrative cases .” Journal of Cleaner Production 197 (2018): 1684-1693. ↩︎
“How to build a wind turbine”. High Piggott, 2003. ↩︎
Sumanik-Leary, Jon, et al. “Locally manufactured small wind turbines: how do they compare to commercial machines.” Proceedings of 9 th PhD Seminar on Wind Energy in Europe. 2013. ↩︎ ↩︎
Mishnaevsky, Leon, et al. “Materials for wind turbine blades: an overview.” Materials 10.11 (2017): 1285. ↩︎
Mishnaevsky Jr, Leon, et al. “Strength and reliability of wood for the components of low-cost wind turbines: computational and experimental analysis and applications.” Wind Engineering 33.2 (2009): 183-196. ↩︎
Mishnaevsky Jr, Leon, et al. “Small wind turbines with timber blades for developing countries: Materials choice, development, installation and experiences.” Renewable Energy 36.8 (2011): 2128-2138. ↩︎
Sinha, Rakesh, et al. “Selection of Nepalese timber for small wind turbine blade construction.” Wind Engineering 34.3 (2010): 263-276. ↩︎

Wie Windenergie wieder nachhaltig werden kann

Sun, 02 Jun 2019 00:00:00 +0000

Abbildung: Eva Miquel für Low-tech Magazine.

Mehr als zweitausend Jahre lang wurden Windmühlen aus recycelbaren und wiederverwertbaren Materialien gefertigt: Holz, Stein, Backstein, Segeltuch, und Metall. Die Materialien veränderten sich auch nicht, als in den 1880er Jahren die neuartigen Windmühlen auftauchten, die Strom erzeugen konnten. Erst mit dem Aufmarsch von Rotorblättern aus Kunststoff in den 1980er Jahren wurde Windenergie zur Quelle von toxischem Abfall, der auf Deponien landet.

Neue Technologien der Holzproduktion und neue Entwürfe ermöglichen es mittlerweile größere Windkraftanlagen beinahe wieder vollständig aus Holz zu bauen – nicht nur die Rotorblätter, sondern auch das restliche Konstrukt. So könnte man das Abfallproblem lösen und die Herstellung von Windanlagen von fossilen Brennstoffen und Materialien aus Minen größtenteils unabhängig machen. Ein Wald inmitten der Windkraftanlagen könnte das Holz für die kommenden Generationen von Anlagen liefern.

Wie nachhaltig ist ein Rotorblatt?

Windkraftanlagen werden zu den sauberen und nachhaltigen Energiequellen gezählt. Obwohl sie in der Tat weniger CO2 ausstoßen als Anlagen, die fossile Brennstoffe nutzen, erzeugen auch sie jede Menge Abfall. Das übersieht man leicht, da ungefähr 90% der gesamten Masse einer Windkraftanlage aus Stahl ist und sich hauptsächlich im Turm konzentriert. Stahl ist wiederverwertbar. Das erklärt, wieso Windkraftanlagen so schnell die Energie zurückgewinnen, die nötig ist, um sie zu bauen – der wiederverwertete Stahl kann bei der Herstellung von neuen Bestandteilen genutzt werden. Das spart viel Energie.

Die Rotorblätter anderseits werden aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, der voluminös ist und nicht recycelt werden kann. Obwohl die Masse im Vergleich zur gesamten Masse einer Windkraftanlage klein ist, sollte sie nicht unterschätzt werden. Ein 60m langes Rotorblatt wiegt 17 Tonnen, was bedeutet, dass die drei Rotorblätter von einer 5-MW-Windkraftanlage alleine mehr als 50 Tonnen nicht recyclebaren Abfall produzieren.

Abbildung: Ein Rotorblatt aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Quelle: [Gurit](https://www.gurit.com/Our-Business/Industries--Markets/Wind).

Ein Rotorblatt besteht normalerweise aus einer Kombination von Epoxidharz – ein Petroleum-Produkt – verstärkt durch Glasfasern. Die Blätter sind zudem gefüllt mit Materialien auf Kunststoffbasis, zum Beispiel teilvernetztem PVC-Schaum, und umhüllt von einer Schutzschicht auf Polyurethan-Basis.¹²³⁴

Im Gegensatz zum Stahl des Turmes kann das Plastik der Rotorblätter nicht recycelt werden, um neue Blätter herzustellen. Das Material kann man nur “downcyceln”, indem man es beispielsweise schreddert. Dabei gehen die Fasern jedoch kaputt und eignen sich dann nur noch als Füllmaterial für die Produktion von Zement oder Asphalt. Andere Methoden werden noch erforscht, aber sie stoßen bis jetzt immer wieder auf dasselbe Problem: Niemand will das “recycelte” Material haben. Einige Architekten haben die Rotorblätter wiederverwendet, indem sie damit Bänke oder Spielplätze gebaut haben. Aber wir können nicht alles aus Rotorblättern anfertigen!

Schon allein die Rotorblätter einer 5-MW-Windkraftanlage produzieren mehr als 50 Tonnen nicht recycelbaren Abfalls.

Wegen der begrenzten Möglichkeiten zum Recyceln und Wiederverwerten werden Rotorblätter normalerweise auf Deponien entsorgt (in den USA), oder verbrannt (in der EU). Letzteres ist auch nicht nachhaltiger, da das Verbrennen der Rotorblätter nur einen Teil des Materials reduziert (60% bleiben als Asche übrig) und der Rest verschmutzt die Luft. Es kann außerdem kaum Energie zurückgewonnen werden, da Glasfaser ohnehin nicht brennbar ist. ¹²³⁴

Müllentsorgung mit 25 Jahren Verspätung

Die meisten der ca. 250.000 Windkraftanlagen, die momentan weltweit in Betrieb sind, wurden vor weniger als 25 Jahren installiert, was ihrer voraussichtlichen Lebensdauer entspricht. Das schnelle Wachstum von Windenergie in den letzten zwei Jahrzehnten wird bald einen zwar verspäteten, aber stetig wachsenden Strom von Abfallprodukten zur Folge haben.

In Europa zum Beispiel steigt der Anteil an Windkraftanlagen, die älter als 15 Jahre sind, von 12 % in 2016 auf 28 % in 2020 an. In Deutschland, Spanien und Dänemark beläuft sich ihr Anteil sogar schon auf 41 - 57 %. Im Jahr 2020 alleine werden diese Länder zwischen 6.000 und 12.000 Rotorblätter entsorgen müssen. ⁵

Abbildung: Die Flügel von altmodischen Windmühlen wurden gänzlich aus recycelbaren Materialien hergestellt. Bild: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Entsorgte Rotorblätter werden nicht nur immer zahlreicher sondern auch größer, da Rotorblätter mit stets größerem Umfang im Trend liegen. Windkraftanlagen vor 25 Jahren hatten ca. 15 - 25m lange Rotorblätter, wohingegen die heutigen Rotorblätter zwischen 75 - 80m oder länger sind.³ Schätzungen auf Basis von aktuellen Wachstumsprognosen für Windenergie suggerieren, dass der Abfall aus Rotorblättern sich bis 2028 auf 330.000 Tonnen jährlich belaufen wird und bis 2040 sogar auf 418.000 Tonnen pro Jahr.¹

Das schnelle Wachstum von Windenergie in den letzten zwei Jahrzehnten wird bald einen zwar verspäteten, aber stetig wachsenden Strom von Abfallprodukten zur Folge haben.

Diese Schätzungen sind konservativ, da es zum einen immer wieder defekte Rotorblätter gibt und zum anderen neue Innovationen dazu führen, dass viele der Blätter weit vor ihrem Verfallsdatum ausgetauscht werden – gegen effizientere Rotorblätter mit verbessertem Energieertrag.¹⁶ Außerdem stammt diese Abfallmenge von Windkraftanlagen, die zwischen 2005 und 2015 installiert wurden, als Windenergie gerade mal 4% der globalen Energiequellen ausmachte. Würde Windenergie die gewünschten 40% des (heutigen) globalen Energievierbauchs decken, wären es drei bis vier Millionen Tonnen Abfall pro Jahr.

Die Geschichte der Windmühlenflügel

Die Geschichte der Windenergie macht deutlich, dass Plastik als Bestandteil eigentlich nicht zwingend notwendig ist. Die Nutzung von Wind zur mechanischen Erzeugung von Energie geht auf die Antike zurück und die ersten stromerzeugenden Windmühlen – die heute Windkraftanlagen heißen – wurden um 1880 gebaut. Glasfaser-Rotorblätter wurden allerdings erst in den 1980er Jahren populär. 2000 Jahre lang waren Windmühlen, ganz gleich aus welchem Material, also komplett recycelbar.

Die Windmühlen in Europa, die von Paul La Cour in Dänemark gebaut wurden, hatten traditionelle Holzflügel. Bild: Image: Paul La Cour Museum.

Traditionelle Windmühlen hatten Türme, die aus Holz, Stein oder aus Backstein gebaut wurden. Ihre Flügel wurden normalerweise aus einem Holzgerüst gefertigt, an dem die Segel oder Holzklappen befestigt wurden. Später wurden Teile der Windmühlen zunehmend aus Eisen hergestellt – ebenfalls ein recycelbares Material.

Trotz sich wandelnder Designs ab dem 18. Jahrhundert haben sich die Materialien der Flügel nicht groß verändert, abgesehen von der Anwendung von Aluminium ab dem 20. Jahrhundert, das jedoch auch recycelbar ist.⁷] Im Gegensatz zu modernen Windkraftanlagen, die regelmäßig komplett erneuert werden müssen, konnten traditionelle Windmühlen durch stetige Wartung und Reparatur über Jahrzehnte hinweg genutzt werden, manchmal sogar jahrhundertelang.

Die Geschichte der Windenergie macht deutlich, dass Plastik kein notwendiges Material ist.

Die erste Windkraftanlage in den USA von Charles F. Brush hatte einen Rotordurchmesser von 17m, mit 144 dünnen Blättern aus Zedernholz. Die erste Windkraftanlage in Europa von Paul La Cour in Dänemark hatte vier traditionelle Holzflügel mit einem Rotordurchmesser von 22,8m.

La Cours Design wurde von lokalen dänischen Unternehmen kopiert, was dazu führte, dass zwischen 1900 und 1920 tausende Windkraftanlagen auf dänischen Farmen gebaut wurden. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden auch dutzende experimentelle Windkraftanlagen gebaut, manche mit Stahlflügeln, wie das US-amerikanische Smith-Putnam-Modell von 1939.

Eine Struktur aus Stahldraht stabilisierte die drei Rotorblätter der Gedser Windkraftanlage.

1957 baute Johannes Juul, ein Schüler von Paul La Cour, die Gedser Windkraftanlage mit drei Rotorblättern. Die Anlage hatte einen Rotordurchmesser von 24m und wurde zusammengehalten von einem Stahlgerüst, das für extra Stabilität der Rotorblätter sorgte. Die Rotorblätter wurden aus Stahl konstruiert, mit Aluminium umhüllt und gestützt durch Holzrippen.

Bis Mitte der 1980er galt die Gedser Windkraftanlage als die erfolgreichste. Sie war ohne Wartung 11 Jahre in Betrieb und generierte bis zu 360.000 kWh pro Jahr, aber sie wurde nicht repariert, als ein Lager ausfiel. Als die Turbine in den späten 1970ern getestet und überholt wurde, stellte sich heraus, dass sie besser funktionierte als die ersten Windkraftanlagen mit Rotorblättern aus Kunststoff.⁸⁹

Die Größe spielt eine Rolle

Die erste Windkraftanlage mit Rotorblättern aus Kunststoff wurde 1978 in Dänemark installiert, wo sie eine Schule mit Strom versorgte. Mit einem Rotordurchmesser von 54m war die Tvind Windkraftanlage damals die größte existierende Windkraftanlage. Nach 1980 wurden Rotorblätter aus Kunststoff zum Standard in Dänemark und das ‘Dänische Design’ wurde überall auf der Welt kopiert. Rotorblätter aus Kunststoff, so könnte man sagen, definieren die moderne Windkraftanlage. Das stellt uns vor ein Dilemma!

Der Wechsel zu Rotorblättern aus Kunststoff hatte hauptsächlich mit dem Wunsch nach größeren Windkraftanlagen zu tun. Es gibt zwei Gründe, warum größere Anlagen die Kosten pro Kilowattstunde generierter Elektrizität verringern: die Windgeschwindigkeit nimmt in der Höhe zu und das Verdoppeln des Rotorradius vervierfacht den Energieertrag.

Der Wunsch nach immer größeren Windkraftanlagen treibt die Industrie seitdem voran. Der Rotordurchmesser ist von ca. 50m in den 1990ern auf bis zu 120m im Jahr 2000 angestiegen. Heute haben die größten Offshore-Windkraftanlagen einen Rotordurchmesser von mehr als 160m. In den Niederlanden wird gerade eine 12-MW-Windkraftanlage mit einem Rotordurchmesser von 220m gebaut. ³⁶¹⁰

Ein verbesserter Windmühlenflügel aus den 1940ern, gebaut und entworfen von P.L. Fauel. Bild: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Je größer die Rotorblätter, desto größer auch die Masse der Blätter, wodurch immer leichtere Materialien benötigt werden. Gleichzeitig biegen sich größere Blätter auch leichter, wodurch ihre strukturelle Steifigkeit immer wichtiger wird, um eine optimale Aerodynamik zu erreichen und zu vermeiden, dass die Blätter den Turm streifen. Kurz gesagt, größere Windkraftanlagen mit längeren Rotorblättern stellen neue Anforderungen, was die Materialien betrifft, und diese übersteigen die Möglichkeiten von recycelbaren Materialien.¹¹¹² Windkraftanlagen sind effizienter geworden, aber weniger nachhaltig.

Größere Windkraftanlagen stellen neue Anforderungen, was die Materialien betrifft.

Dieser Trend schlägt sich nieder in der vermehrten Nutzung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, der noch stabiler, steifer und leichter ist als glasfaserverstärkter Kunststoff.¹¹ Das Nutzen von Kohlenstofffasern, was das Recyceln noch weiter erschwert, ist bei großen Rotorblättern zum Standard geworden – vor allem in Bereichen, die großer Belastung ausgesetzt sind, wie zum Beispiel die Wurzel des Blattes. Wir haben demnach ein neue Phase erreicht, in der Rotorblätter so groß sind, dass sie nicht einmal mehr aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden können.

Das Rotorblatt neu erfinden

Eine Industrie, die sich selbst nachhaltig und erneuerbar nennen will, sollte nicht jährlich Millionen Tonnen Plastikabfall produzieren. Wäre es denn möglich Rotorblätter aus recyclebaren Materialien zu bauen? Wie groß könnten diese Anlagen sein? Inwieweit lassen sich Effizienz und Nachhaltigkeit miteinander vereinen?

Ein verbesserter Windmühlenflügel aus den 1930ern, entworfen von Kurt Bilau. Der Turm ist aus Stein, die Segel aus Holz und Aluminium. Bild: Frank Vincentz (CC BY-SA 3.0).

Die meiste Forschung zu nachhaltigeren Rotorblättern bleibt bei Kunststoff als Hauptmaterial. “Thermoplaste”, wie zum Beispiel PVC, können geschmolzen und wiederverwendet werden, was es ermöglicht, die Rotorblätter zu recyceln, um neue herzustellen, selbst vor Ort. Da das Material aber nicht so belastbar ist, waren die gebauten Rotorblätter bis jetzt noch nicht größer als 9m.¹¹³

Ein weiterer Bereich ist der Erforschung von Holz- oder Flachsfasern als Alternative zu Glasfasern gewidmet. Diese Rotorblätter können zwar größer werden, aber sie sind nur minimal nachhaltiger als die Glasfaser-Epoxidharz-Rotorblätter.¹⁴¹⁵ Denn das aus Petroleum gewonnene Epoxidharz ist besonders schädlich und Produkte, die auf natürlichen Fasern basieren, absorbieren mehr davon als Glasfaserprodukte.¹⁶¹⁷¹²

Die Länge von Holz-Rotorblättern ist nicht mehr abhängig von der Verfügbarkeit großer Bäume von einheitlicher Qualität.

Manche Ingenieure und Wissenschaftler wählen andere Wege und konzentrieren sich auf traditionellere Holzkonstruktionen. Für kleine Windkraftanlagen können die Rotorblätter aus solidem Holz geschnitzt werden. Für größere Windkraftanlagen können die Rotorblätter aus einer leeren aerodynamischen Hülle mit einem inneren Gerüst aus Rippen und einem Holm als Stütze konstruiert werden – allesamt aus laminiertem Furnierholz.

Laminiertes Furnierholz

Laminiertes Furnierholz, bei dem das Holz zuerst vom Baum geschält und dann in dünnen Schichten wieder aneinander geleimt wird, ist ein Holzprodukt, das in den 1980ern auftauchte und das einen wichtigen Vorteil gegenüber Massivholzprodukten bietet. Die Beschaffenheit des Holzes kann innerhalb eines Baumes variieren. Deswegen war die Länge der Holme aus Holz, die in vorindustriellen Windmühlen eingesetzt wurden, abhängig von der Verfügbarkeit von ausreichend großen Bäume einheitlicher Qualität. Die größte traditionelle Windmühle, die je gebaut wurde – die ‘Murphy Mill’ in San Francisco (1900) – hatte einen Rotordurchmesser von 35m.

Verbesserte Windmühlenflügel aus den 1940ern. Bild: Reboelje.

Im Gegensatz dazu verteilt der Prozess des Furnierens Defekte im Holz, wie zum Beispiel Knoten, gleichmäßig und gewährleistet somit eine bessere Steifigkeit. Dadurch wird es möglich, größere Rotorblätter aus Holz zu bauen.¹² Laminiertes Holz ist viel günstiger und leichter als Glasfaser. Da Rotorblätter vor allem ihr eigenes Gewicht aushalten müssen und Holz leichter als Glasfaser ist, müssen Holzrotorblätter nicht so stark und steif wie Glasfaserblätter sein.¹² Nichtsdestotrotz ist es aufgrund der geringen Steifigkeit von Holz schwer, das Durchbiegen bei sehr großen Rotorblättern zu verhindern.

Eine Studie aus 2017 zu einer 5-MW-Windkraftanlagen mit 61,5m langen Rotorblättern, die an der UmassAmherst in den USA durchgeführt wurde, hat errechnet: Für eine ausreichende Steifigkeit muss ein Rotorblatt aus laminiertem Furnierholz eine Laminatschicht von über 50cm aufweisen und 2,8 Mal schwerer sein als sein Kunststoff-Gegenpart (48 statt 17 Tonnen Gewicht).¹² Obwohl es also technisch möglich ist, Rotorblätter aus Holz zu bauen, die über 60m groß sind, ist dies nicht besonders praktikabel. Mit schwereren Rotorblättern müssen die Windkraftanlagen viel robuster gebaut werden, wodurch sowohl die Kosten als auch der Verbrauch anderer Rohstoffe steigen.

Das Beste aus zwei Welten?

Es gibt zwei mögliche Lösungen für dieses Problem: Die erste wäre ein Rotorblatt zu entwerfen, das hauptsächlich aus laminiertem Furnierholz besteht, aber gestützt wird durch Holme aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, mit einer zusätzlichen Außenschicht von glasfaserverstärktem Kunststoff. In der oben genannten Studie wurde errechnet, dass ein Holz-Kohlenstoff-Kombinationsrotorblatt steif genug ist, um bei einer 5-MW-Windkraftanlage eine Länge von 61,5m zu erreichen, und 3 Tonnen leichter wäre als ein Glasfaserrotorblatt.¹² Eine andere Studie zu einem Holz-Kohlenstoff-Rotorblatt kommt zu einer ähnlichen Schlussfolgerung, aber in diesem Fall ist das Holz-Kohlenstoff-Rotorblatt etwas schwerer als das Kunststoff-Blatt.¹⁴

Ein Rotorblatt aus Furnierholz und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff kann mit einer Länge von über 60m gebaut werden.

Holz-Kohlenstoff-Rotorblätter enthalten weniger Kunststoff und der Kunststoff ist nicht mit dem Holz im Inneren des Rotorblatts verwebt, sondern deutlich davon getrennt, wodurch das Wiederverwerten, Recyceln oder Verbrennen des Rotorblatts einfacher wird. Laut den genannten Studien enthält ein solches Rotorblatt allerdings immer noch 2,5 ¹⁴ - 6,2 ¹² Tonnen Kunststoff, was bedeutet, dass die drei Rotorblätter einer 5-MW-Windkraftanlage 7,5 -18,4 Tonnen nicht recycelbaren Abfall produzieren würden – verglichen mit den 50 Tonnen eines gewöhnlichen Rotorblatts.

Dann doch lieber kleine Windkraftanlagen?

Den Umweltschaden, den Kohlenstoff-Epoxidharz-Holme verursachen, könnte man vielleicht akzeptieren, wenn man ihn mit dem größeren Schaden vergleicht, den konventionelle Windkraftanlagen anrichten. Aber das Problem des Abfalls wäre immer noch nicht gelöst und das stetige Wachstum der Windenergie-Branche würde nach wie vor mit immer mehr Abfall einhergehen.

Abbildung: Ein Rotorblatt aus laminiertem Holz mit Holmkappen aus Kohlenstoff.[^14]

Alternativ könnten wir das Thema Nachhaltigkeit auch ambitionierter angehen und Rotorblätter wieder komplett aus Holz bauen – auch wenn das bedeutet, dass sie kleiner sind. Es gibt nämlich ein weiteres Argument dafür, den Fokus auf Effizienz in Frage zu stellen: Die geringe Nachhaltigkeit liegt nicht nur an den Rotorblättern. Andere Teile der Windkraftanlagen werden in zunehmenden Maße auch aus Kunststoff hergestellt, wie zum Beispiel die Gondel, die den Generator schützt, oder die Nabe.¹²³⁴

Weitere Trends sind die zunehmende Nutzung von Elektronik, die nicht recycelt werden kann, und von Dauermagnet-Generatoren aus seltenen Rohstoffen, was verglichen mit einer mechanischen Lösung zwar Kosten spart, aber dafür destruktiven Bergbau voraussetzt. Größere Windkraftanlagen töten zudem mehr Vögel und Fledermäuse.¹⁸

Mit wenigen Einschnitten bei der Effizienz würden wir viel zur Nachhaltigkeit beitragen.

Mit wenigen Einschnitten bei der Effizienz würden wir viel zur Nachhaltigkeit beitragen. Die Befürworter von Windenergie sind da wahrscheinlich anderer Meinung. Denn dies bedeutet auch, dass die Windenergie nicht mehr mit fossilen Brennstoffen konkurrieren kann. Der sich verteuernden Windenergie könnte aber mit höheren Preisen für fossile Brennstoffe begegnet werden.

Das eigentliche Problem ist, dass wir billige fossile Brennstoffe als Maßstab nehmen, um die Wirtschaftlichkeit von Windenergie zu bemessen. Durch den Vergleich mit fossilen Brennstoffen – und ausgehend von einem Lebensstil, der erst durch fossile Brennstoffe möglich wurde – wird Windenergie in zunehmenden Maße schädlich für die Umwelt. Wenn wir den allgemeinen Energiebedarf senken würden, wären kleinere und weniger effiziente Windkraftanlagen kein Problem.

Abbildung: Die erste Windkraftanlage in den USA von Charles F. Brush hatte einen Rotordurchmesser von 17m, mit 144 dünnen Blättern aus Zedernholz.

Wie groß könnten Rotorblätter aus Furnierholz werden? Niemand scheint es wirklich zu wissen. Ich habe Rachel Koh befragt, die Wissenschaftlerin, die die Berechnungen zu dem 61,5m Holzrotorblatt gemacht hat, aber auch sie konnte nicht weiterhelfen: „Ich habe das Modell nur für eine 5-MW-Windkraftanlage entwickelt“, schreibt Koh. „Es wäre hypothetisch möglich, eine neue Studie zu konzipieren, um die Frage zu beantworten, aber das ist kein kleines Unterfangen.“ Sie wies zudem darauf hin, dass es möglich sei, mit innovativen Herstellungsmethoden die Steifigkeit von Holzlaminaten weiter zu verbessern.

Ein Wald von Windkraftanlagen

Ob wir uns für große Holz-Kohlenstoff-Rotorblätter oder für kleinere nur aus Holz bestehende Rotorblätter entscheiden, in beiden Fällen könnte man den Turm und auch die Gondel aus laminierten Holzprodukten anfertigen. 2012 hat die deutsche Firma TimberTower für eine 1,5-MW-Windkraftanlage einen 100m hohen Turm aus laminiertem Holz gebaut. Ein Turm aus Holz scheint auf den ersten Blick natürlich etwas unsinnig, da er einen Teil des Konstruktes ersetzt, der sowieso schon recycelt werden kann. Eine Windkraftanlage, die fast ganz aus Holz gebaut ist, bietet aber noch andere Vorteile.

Illustration: Eva Miquel für Low-tech Magazine.

Die Verwendung von Holz könnte die Herstellung von Windkraftanlagen von fossilen Brennstoffen und Minen unabhängig machen, ausgenommen der Zahnräder und der nötigen Elektronik (und es geht sogar noch nachhaltiger, wenn Windenergie für die direkte mechanische Energiegewinnung genutzt wird.)¹⁹ Holzwindkraftanlagen könnten außerdem CO2 aus der Atmosphäre speichern, das die Bäume, die ihre Bestandteile liefern, gebunden haben.

Außerdem könnte das Gelände zwischen den Windkraftanlagen, das sich nicht als Wohngebiet eignet, genutzt werden, um Wälder anzupflanzen, die wiederum das Holz für die nächste Generation an Windkraftanlagen liefern. Das Holz könnte vor Ort gesägt und verarbeitet werden, was den Energieverbrauch verringert, der normalerweise mit dem Transport von Bestandteilen einhergeht. Die benötigte Energie, um die Laminate herzustellen und um die neuen Anlagen zu bauen, könnten von den Anlagen im Park selbst sowie aus der Biomasse des Waldes kommen. Wenn die Rotorblätter wirklich nur aus Holz gefertigt würden, könnten Windkraftanlagen tatsächlich zu einem Paradebeispiel für die Kreislaufwirtschaft werden.

Und was ist mit Solarzellen?

Der nächste Artikel wird sich der Nachhaltigkeit der Solarzellen widmen. Ist toxischer und nicht recycelbarer Abfall ein inhärenter Bestandteil der Solarenergie? Könnte man Solarzellen aus nachhaltigen Materialien anfertigen? Welche Folgen hätte das für die Bezahlbarkeit und Effizienz von Solarenergie?

Ramirez-Tejeda, Katerin, David A. Turcotte, and Sarah Pike. “Unsustainable Wind Turbine Blade Disposal Practices in the United States: A Case for Policy Intervention and Technological Innovation.” NEW SOLUTIONS: A Journal of Environmental and Occupational Health Policy 26.4 (2017): 581-598. http://docs.wind-watch.org/ramireztejeda2016-bladedisposal.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Wilburn, David R. Wind energy in the United States and materials required for the land-based wind turbine industry from 2010 through 2030. US Department of the Interior, US Geological Survey, 2011. https://pubs.usgs.gov/sir/2011/5036/sir2011-5036.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Jensen, Jonas Pagh. “Evaluating the environmental impacts of recycling wind turbines.” Wind Energy 22.2 (2019): 316-326. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/we.2287 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Martínez, Eduardo, et al. “Life cycle assessment of a multi-megawatt wind turbine.” Renewable energy 34.3 (2009): 667-673. http://communityrenewables.org.au/wp-content/uploads/2013/02/Life-cycle-analysis-turbines_Renewable-Energy_2009.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Ziegler, Lisa, et al. “Lifetime extension of onshore wind turbines: A review covering Germany, Spain, Denmark, and the UK.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 1261-1271. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032117313503 ↩︎
Lefeuvre, Anaële, et al. “Anticipating in-use stocks of carbon fiber reinforced polymers and related waste flows generated by the commercial aeronautical sector until 2050.” Resources, Conservation and Recycling 125 (2017): 264-272. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344917301775 ↩︎ ↩︎
De Decker, Kris. “Wind powered factories: history (and future) of industrial windmills.” Low-tech Magazine. Barcelona (2009). HERE ↩︎
The Rise of Modern Wind Energy: Wind Power for the World. Pan Stanford Publishing, 2013. https://www.crcpress.com/Wind-Power-for-the-World-The-Rise-of-Modern-Wind-Energy/Maegaard-Krenz-Palz/p/book/9789814364935 ↩︎
Lundsager, P., Sten Tronæs Frandsen, and Carl Jørgen Christensen. “Analysis of data from the Gedser wind turbine 1977-1979.” (1980). http://orbit.dtu.dk/files/33441311/ris_m_2242.pdf ↩︎
Gupta, Ashwani K. “Efficient wind energy conversion: evolution to modern design.” Journal of Energy Resources Technology 137.5 (2015): 051201. http://energyresources.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2211540 ↩︎
Brøndsted, Povl, Hans Lilholt, and Aage Lystrup. “Composite materials for wind power turbine blades.” Annu. Rev. Mater. Res. 35 (2005): 505-538. http://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/MATERIALS&COMPONENTS/Pressure_vessels/FRP_Hutter_flange.pdf ↩︎ ↩︎
Koh, Rachel. “Bio-based Wind Turbine Blades: Renewable Energy Meets Sustainable Materials for Clean, Green Power.” (2017). https://scholarworks.umass.edu/dissertations_2/1102/ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Murray, Robynne, et al. Manufacturing a 9-meter thermoplastic composite wind turbine blade. No. NREL/CP-5000-68615. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2017. https://www.nrel.gov/docs/fy18osti/68615.pdf ↩︎
Borrmann, Rasmus. “Structural design of a wood-CFRP wind turbine blade model.” (2016) https://www.eksh.org/fileadmin/bilder/themen/Energieforschung/02_-Final_Report-_Strcutural_Design_of_a_Wood-CFRP_Wind_Turbine_Blade_Model.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Spera, David. “Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering, Second Edition.” (2009) https://ebooks.asmedigitalcollection.asme.org/book.aspx?bookid=271 ↩︎
Corona, Andrea, et al. “Comparative environmental sustainability assessment of bio-based fibre reinforcement materials for wind turbine blades.” Wind Engineering 39.1 (2015): 53-63. http://orbit.dtu.dk/files/129909032/0309_524x_2E39_2E1_2E53.pdf ↩︎
The use of wood for wind turbine construction. Meade Gougeon, NASA. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19800008214.pdf ↩︎
Loss, Scott R., Tom Will, and Peter P. Marra. “Estimates of bird collision mortality at wind facilities in the contiguous United States.” Biological Conservation 168 (2013): 201-209. https://repository.si.edu/bitstream/handle/10088/35192/NZP_Marra_2013-Estimates_of_bird_collision_mortality_at_wind_facilities_in_the_contiguous_United_States.pdf?sequence=1&isAllowed=y ↩︎
De Decker, Kris. “Heat your house with a mechanical windmill.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2019). here ↩︎

Heizen sie ihr Haus mit einer mechanischen Windkraftanlage

Wed, 27 Feb 2019 00:00:00 +0000

Bild: Illustration von [Rona Binay](https://ronabinay.com/) 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.

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

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.

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

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

Bild: Eine Calorius-Windkraftanlage, die bis zu 4 kW Wärme erzeugt. Bild zur Verfügung gestellt vom [Nordic Folkecenter](http://folkecenter.eu) 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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

Nitto, Dipl-Ing Alejandro Nicolás, Carsten Agert, and Yvonne Scholz. “WIND POWERED THERMAL ENERGY SYSTEMS (WTES)”. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Integration of Thermal Energy Storage into Energy Network, Sharyar Ahmed, 2017 ↩︎ ↩︎
The bright future of solar thermal powered factories, Kris De Decker, Low-tech Magazine, 2011 ↩︎
Solar Heat Worldwide, edition 2018, International Energy Agency (IEA). ↩︎
Renewables 2018, Heat, International Energy Agency (IEA). ↩︎ ↩︎
World Bank: Renewable electricity output. ↩︎
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. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
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. ↩︎ ↩︎ ↩︎
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 ↩︎ ↩︎
Joule’s experiment: An historico-critical approach, Marcos Pou Gallo Advisor. ↩︎
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. ↩︎
Real-world tests of small wind turbines in Netherlands and the UK, Kris De Decker, The Oil Drum, 2010. ↩︎
Selfbuilders, Winds of Change website, Erik Grove-Nielsen. ↩︎ ↩︎
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. ↩︎ ↩︎
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. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
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. ↩︎