Windkraftanlagen in ihrer heutigen Form schöpfen nicht das ganze Potenzial aus, welches aus Wind gewonnen werden kann. Die Umwandlung von Wind in Strom ist mit vielen Schritten verbunden die alle einen Teil der potenziellen Energie zunichte machen. Die Frage also ist: Wie lässt sich Wind bzw. bewegte Luft direkter nutzen? Wir, Ben Kaipallil und Jonas Eimermacher, haben uns diese Frage vor gut einem Jahr gestellt und haben darauf eine Antwort gefunden.

Vom Solarhauswettbewerb zur komprimierten Windenergie

Im April 2013, zu Beginn des neuen Semesters an der TU Berlin, platzte ich im Rahmen der Gebäudetechnikvorlesung gerade noch rechtzeitig mitten in die Präsentation eines Studentenprojektes zum Entwurf und Bau eines Plusenergiehauses als Teil des Solarhauswettbewerbs Solar Decathlon 2014. Es wurden Studenten gesucht, die Lust hatten, das Projekt zu unterstützen. Mein Interesse war geweckt und so kam es, dass ich daraufhin viele Samstage und Zeit unter der Woche damit verbrachte, mich in verschiedenen Bereichen mit dem Plusenergiehaus auseinander zu setzen. Ben war schon seit Start des Projektes dabei und verantwortlich für die Mechanik und Elektrotechnik. Über die folgende Zusammenarbeit in Untergruppen des Projektes sind wir gute Freunde geworden, haben aber auch Meinungsverschiedenheiten als Anstoß genommen, um die besten gemeinsamen Lösungsansatz zu finden.

Energieproduktion einer standard Windturbine im Vergleich zum geplanten Prototyp

Energieproduktion einer normalen Windturbine im Vergleich zum geplanten Prototyp

Auf dem Weg zum Bus nach einem Arbeitstreffen im Frühjahr 2014 kamen wir auf die Idee, ein eigenes Projekt im Bereich erneuerbare Energien auf die Beine zu stellen. Während dieser Zeit spielte Ben schon mit verschiedenen Gedanken für seine Masterarbeit. Der erste Ansatz war die direkte Kompression von Wind, um mehr Energie daraus zu gewinnen und einen Lösungsansatz für die Speicherproblematik bei erneuerbaren Energien zu finden. Unser Ziel war es, uns für das Climate-KIC Greenhouse Programm im November 2014 zu bewerben und bis dahin eine erste ausgearbeitete Idee vorzeigen zu können.

Mit der Druckluftwindmaschine ins Greenhouse Programm

Die erste Idee war vergleichsweise unkompliziert: Kaufen einer Kleinwindkraftanlage, Getriebe und Generator ausbauen, Kompressor einbauen, Drucklufttanks anschließen, fertig ist die erste Druckluftwindmaschine. Natürlich wäre das Ganze noch mit einer Menge an Modifizierungen verbunden und nicht so einfach umsetzbar, wie es sich anhört. Als direkte Anwendung für Druckluft gäbe es neben der Speicherung und späteren Stromerzeugung Möglichkeiten zur effizienteren Klimatisierung von Gebäuden, Meerwasserentsalzung oder für die industrielle Kältetechnik. Mit dieser hier sehr kurz gefassten Idee gelang uns der Eintritt in das Greenhouse Programm.

Modifizierungen und Iteration führen zur Geschäftsidee

Nach einiger Zeit im Programm überkam uns der erste Zweifel ob wir mit dieser Idee richtig lagen. Irgendwie stimmte alles nicht so ganz. Erstens fehlte uns die Innovation an der Maschine, da im Prinzip ‚einfach nur’ existierende Technologien zusammengefasst wurden, zweitens merkten wir nach einer gründlichen Analyse, dass sich die Vorteile der Maschine vor allem im großen Kapazitätsbereich zeigen würde und nicht so sehr in Kleinwindkraftanlagen, für die das bereitgestellte Kapital jedoch grade ausreichend gewesen wäre. Also mussten Änderungen her. Unsere Ideen haben sich seitdem in verschiedene Richtungen bewegt und wir haben verschiedene Ansätze entwickelt, die teilweise gar nichts mehr mit der Ursprungsidee zu tun haben. Nichts desto trotz gelang es uns, eine Idee zu entwickeln von der wir nun letztendlich sehr überzeugt sind und die wir am Ende des Programms in Form eines Prototyps vorstellen wollen. Da wir großes Potential in der neuen Entwicklung sehen, soll an dieser Stelle jedoch noch nicht mehr zur Umsetzung verraten werden. Wir selber sind sehr gespannt auf das Ergebnis und hoffen ebenso auf gespannte Ohren während der Endpräsentation. Um ein wenig auf den Geschmack zu kommen, möchten wir hier allerdings schon über die Vorteile und Eigenschaften berichten, die wir uns von der finalen Version erhoffen.

Eigenschaften und Vorteile komprimierter Windenergie: speicherbar, modular, wärmeeffizient

Flexibilität der Speicherkapazität der Druckluftwindmaschine

Flexibilität der Speicherkapazität der Druckluftwindmaschine

Das Ergebnis der neuen Idee ist immer noch eine Windkraftanlage die Druckluft erzeugt. Der Grundgedanke dahinter ist nun, vor allem zur Speicherung erneuerbarer Energien beizutragen. Auf umgekehrten Weg wird die Druckluft mit einem Expander und Generator wieder in Strom umgewandelt und ins Stromnetz eingespeist. Durch die Fluktuation bei Wind- und Sonnenenergie werden auf Dauer immer mehr Speicherkapazitäten benötigt, damit auch bei erneuerbaren Energien eine ausgeglichene Stromversorgung erreicht wird. In Zeiten mit überschüssiger Windenergie kann diese in Form von Druckluft gespeichert werden und somit umgekehrt für eine bestimmte Stunden- oder Tageszahl sicher angeboten werden, abhängig von der Kapazität der Druckluftspeicher. Dies kann skaliert deutlich zur Grundlastsicherung beitragen. Das Speichern von Druckluft an sich benötigt nur einen Drucklufttank. Dieser kann überall angewendet werden und ist verglichen mit der Speicherung von Strom in Batterien wesentlich nachhaltiger, da im Gegensatz zu Batterien keine seltenen Erden erforderlich sind und ein Druckluftspeicher eine wesentlich längere Lebenszeit besitzt. Außerdem kann die Speicherkapazität durch einfaches Hinzufügen neuer Speichertanks beliebig erweitert werden.

Durch modulare Zusammensetzung ist die Maschine beliebig erweiterbar. So kann beispielsweise eine Anlage, die für 1 MW ausgelegt ist, durch das Hinzufügen von Modulen auf mehrere MW aufgestockt werden. Die Module sind einfach zu bedienen und können ohne besonderes Fachwissen ausgetauscht werden. Das kann vor allem bei der dezentralen Anwendung in Kommunen von Vorteil sein und reduziert den Preis, da eine bestehende Anlage einfach nur aufgerüstet werden braucht und keine neue angeschafft werden muss. Auch bei einem Defekt gibt es Vorteile, denn im Gegensatz zu einer bisher üblichen Windenergieanlage braucht nur ein Teil des Moduls oder ein ganzes Modul ohne viel Aufwand ausgetauscht werden.

Möglichkeit der Offshore-Anwendung

Möglichkeit der Offshore-Anwendung

Des Weiteren sehen wir die Druckluftwindmaschine zusätzlich als Wärmepumpe. Bei der Kompression von Luft entsteht Wärme. Diese kann extern gespeichert werden, sodass die Druckluft bei Umgebungstemperatur vorliegt. Wenn die Druckluft expandiert, ist sie um einiges kühler als die Umgebung und kann ihr durch die gegebene Temperaturdifferenz Wärme entziehen. In einem Prozess mit doppelter Expansion kann die Luft somit zweistufig vorgewärmt werden, was die Effizienz der Expansion um ein vielfaches erhöht. Da auf diese Weise noch das Wärmepotenzial der Umgebung genutzt wird, ist es theoretisch möglich, letztlich einen höheren Energieertrag zu erzielen, als durch die Rotorbewegung der Windmaschine eingefangen wurde.

Unser Ziel: Eine günstigere, nachhaltigere und effizientere Methode, regenerative Energie zu nutzen.
Das Ergebnis: Wir sind gespannt! Was meinen Sie? Ist unsere Idee nur ,heiße Luft’ oder steckt mehr dahinter?