Das ist eine Heizung

Celle liegt wahrlich nicht im Epizentrum der deutschen Windenergieindustrie. Aber es liegt ungefähr in der Mitte von drei Standorten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), die eines gemeinsam haben: Sie sind in den Testbetrieb einer Windmühle im niedersächsischen Celle involviert, die keinen Strom erzeugt, dafür aber direkt Wärme. Das Forschungsvorhaben trägt den Namen „Windthermie“ und ist nicht nur hierzulande ein absolutes Pioniervorhaben.

Dies verwundert den Normalsterblichen, einfach weil der Ansatz „Windkraft zu Wärme“ doch ziemlich naheliegend erscheint. Und doch hat sich bislang weder ein renommierter Hersteller von Windenergieanlagen noch ein anerkanntes Forschungsinstitut mit diesem Thema beschäftigt.

Die Gründe dafür sind banal: Die Preise für Wärme aus Kohle, Atom, Gas oder Erdöl lagen in der Vergangenheit vermeintlich extrem niedrig. Und vor 20 Jahren war der Klimawandel zwar auch schon da, genauso wie die Kassandra-Rufer, aber wer scherte sich schon um nörgelnde Randfiguren? Kein Zweifel, die Zeiten haben sich geändert. Außerdem gab und gibt es verschiedene technische Ansätze, zumindest aus Windstrom, also über den Umweg der Stromerzeugung, nachhaltige Wärme zu erzeugen.
 
Enertrag: nur bei verstopften Netzen

Eines der bekanntesten Beispiele hierfür ist sicherlich Enertrag aus dem brandenburgischen Dauerthal. Das Erneuerbaren-Unternehmen versorgt das nahe gelegene Dorf Uckerland-Nechlin schon seit einigen Jahren erfolgreich über ein kleines Nahwärmenetz ausreichend mit Wärme aus Windstrom. Enertrags Prinzip ist dabei einfach: Wenn das Stromnetz ausgelastet ist und sich kein zusätzlicher Windstrom einspeisen lässt, dann wird die Windenergieanlage bei kräftigem Wind gerade nicht wie sonst wo abgeschaltet, sondern der erzeugte Strom an Heizspiralen weitergeleitet, die einen großen kommunalen Wärmespeicher aufheizen. Das funktioniert bereits seit einigen Jahren störungsfrei, wenngleich immer noch der energiepolitische Rahmen für die Etablierung solcher örtlichen Lösungen mit allerlei Hürden ausgestattet ist.

DLR: Der Generator muss draußen bleiben

Hingegen wird beim DLR-Projekt „Windthermie“ auf Strom gänzlich verzichtet. Der Fokus ist ganz auf die direkte Wärmeerzeugung gerichtet. So hat das Team von Projektleiter Malte Neumeier den Generator aus der DLR-Testanlage des ortsansässigen Kleinwindanlagenherstellers PSW entfernt. Stattdessen ist ein Winkelgetriebe integriert worden, das die Antriebswelle vom Turmfuß in einen nebenstehenden Container umleitet.
 
Dort befindet sich nun das Herzstück zur Umwandlung der mechanisch drehenden Energie in thermische Energie. Dies gelingt durch einen sogenannten hydrodynamischen Retarder, der an die Welle montiert wird. Vereinfacht gesagt ist ein solcher Retarder eine Bremseinheit, die während des Bremsens Wärme an einen Wärmetauscher abgibt. Solche hydrodynamischen Retarder vom süddeutschen Unternehmen Voith sind keine Unbekannten, sondern werden seit Langem in unzähligen Lkw als Bremsvorrichtung standardmäßig verbaut. Das Wirkprinzip ist dabei so, dass die drehende Achse (Welle) über die Verdichtung von Öl Widerstand erfährt und dadurch in seiner Drehgeschwindigkeit gedrosselt wird.

Wenn man sich die Vollbremsung eines voll beladenen 40-Tonners bei Tempo 100 auf abschüssiger Straße vorstellt, kann man sich auch vorstellen, dass bei solchen Vorgängen große Mengen Wärme freigesetzt werden. Im Lkw verpufft die umgewandelte Energie größtenteils. Im Fall der Windthermie bietet sie einen großen thermischen Nutzen. 

All diese Überlegungen sind auch in das Windthermieprojekt in Celle geflossen. Den letzten Kick, um sich als DLR mit dieser erstaunlich unerforschten Materie intensiver zu beschäftigen, gab es 2017. Damals erörterten deutsche und japanische Forscher auf einem internationalen Workshop die Chancen und Optionen dieser Technologie so überzeugend, verrät Projektleiter Malte Neumeier, dass das DLR entschied, das Thema selber zu besetzen. Der 34-Jährige, der an der Technischen Universität Braunschweig Technologieorientiertes Management studierte, organisiert das Projekt, das mit einem 15-kW-Modell des Celler Kleinwindanlagenherstellers PSW arbeitet.

Normalerweise sind die kommerziellen Kleinwindanlagen von PSW von der Flügelspitze bis zum Turmboden einheitlich grün gestrichen, doch ist die windthermische Testanlage bewusst im neutralen Weiß gehalten, um auch nach außen hin die nicht kommerzielle, wissenschaftliche Intention zu unterstreichen. Neumeier ergänzt: „Der serienmäßig integrierte Generator ist von uns ausgebaut worden und das Getriebegestänge so umgelenkt, dass es in unseren Container hineinführt, wo der besagte Retarder installiert ist.“

Die dort durch Bremsung erzeugte Wärme wird schließlich über diverse Wärmerohre in einen Speicher übergeben. „Was uns wirklich überrascht hat, war, dass wir mit der relativ kleinen Windanlage von 15 Kilowatt Leistung eine Wärme erzeugen können, die Temperaturen von 70 Grad Celsius erreichen“, verrät DLR-Projektleiter Neumeier über die ersten Ergebnisse, die in einen noch nicht veröffentlichten Abschlussbericht eingehen werden.

Dieser vielversprechende Aspekt sei nicht zu unterschätzen, so Neumeier weiter, denn bei nur etwas größeren Anlagen lässt sich ausmalen, dass auch höhere Temperaturen erzielbar sind. Neumeier sieht künftig gute Einsatzmöglichkeiten in vielen Segmenten: „Damit wäre die Windthermie an vielen Orten für Heizenergie einsetzbar, denn bei rund der Hälfte der in Deutschland genutzten Heizenergie werden nur Temperaturen bis maximal 200 Grad Celsius benötigt.“

Wenngleich die Zeiten kalter Winter sich in hiesigen Breiten dem Ende zuzuneigen scheinen, spielt das Heizen von Wohnung, Büro, Werkstatt und allen anderen Gebäuden weiterhin eine zentrale Rolle in der Energiewirtschaft: Dessen Anteil am gesamten Energiebedarf liegt bei aktuell rund 40 Prozent. Nicht einmal 20 Prozent des Heizbedarfs werden bisher mit erneuerbaren Quellen gedeckt. Überall in der Republik wird noch mit Heizöl oder Erdgas gefeuert. Rund 75 Prozent entfallen allein auf diese beiden Energieträger. 2045 will Deutschland aber auch beim Heizen klimaneutral sein.

​Noch erhebliche Wirkungsverluste

Insofern könnte neben anderen Optionen auch die Windthermie eine Alternative bieten. Allerdings steckt der Teufel wie immer im Detail. Neumeier lässt nicht unerwähnt, dass bei der bisherigen Testanlage noch erhebliche mechanische und thermische Wirkungsverluste identifiziert wurden. „Die Effizienz wollen wir in der jetzt vor uns liegenden zweiten Testphase mit dem Bau eines windthermischen Prototyps deutlich erhöhen“, blickt er nach vorne.

Vor allem durch clevere Dämmung der Wärmerohre seien die Verluste deutlich reduzierbar. Aber auch die mechanischen Übertragungsverluste von der Gondel bis zum Retarder will man entscheidend optimieren, so der Projektleiter. „Wir werden mit einer Weiterentwicklung des Prototyps die mechanischen Verluste reduzieren, indem wir den Retarder in die Gondel einbauen“, erklärt er zuversichtlich, „es funktioniert und wir wissen jetzt, wie man das besser machen kann.“

Für den geplanten Prototypen sucht das DLR-Team derweil noch einen geeigneten Wärmeabnehmer in der Großregion Braunschweig, egal ob Kommune, Wohngenossenschaft oder Gewerbeunternehmen. Und wenn alles gut läuft, dann wird vielleicht schon bald an den Einbau einer − nein, nicht elektrischen, sondern mechanisch arbeitenden − Wärmepumpe gedacht. Die Idee dazu kam vom Direktor des DLR-Instituts für Flugsystemtechnik in Braunschweig, Stefan Levedag. Er erachtet den Bau einer mechanischen Wärmepumpe als integriertes, weiter optimierendes Bauelement der Windthermie für vielversprechend.

Um diesen Ansatz am windthermischen Prototypen auszuprobieren, braucht es aber ein neuartiges Verbindungsstück zwischen Windenergieanlage und Wärmepumpe. Das Bauteil ist bestellt, der Hersteller liefert aber trotz wiederholter Beteuerung einfach nicht, weil es Lieferengpässe gebe, weil es an Fachpersonal fehle und weil es eine Sonderanfertigung sei. „So warten wir weiter ungeduldig auf das fehlende Verbindungsstück, während uns die Zeit im Projekt davonläuft“, bemerkt Neumeier vom DLR etwas genervt.

Fazit: Wer es warm haben will, muss nicht unbedingt immer unter Strom stehen. Aber offenbar noch Geduld haben, bis neue Technologien auf dem Markt ankommen.