Thermisches Windkraftwerk

In einem Thermikkraftwerk, auch Aufwindkraftwerk genannt, wird Luft von der Sonne erwärmt und steigt in einem Schornstein auf. Eine oder mehrere Turbinen erzeugen aus dieser Luftströmung elektrischen Strom.

Dieser Kraftwerkstyp wurde bereits 1903 von Isidoro Cabanyes beschrieben. In den 1980er Jahren zeigte eine Versuchsanlage^[1], die von dem Stuttgarter Bauingenieur Jörg Schlaich entworfen wurde und in Manzanares/Spanien entstand, über mehrere Jahre die technische Realisierbarkeit im praktischen Betrieb, allerdings nur im kleineren Maßstab.

Das in Vorbereitung befindliche kommerzielle Thermikkraftwerk Buronga soll in Australien ab 2010 Strom zu Marktpreisen liefern.

Funktionsprinzip

Schema/Aufbau eines Aufwind-Solarkraftwerks

Die Funktionsweise ist sehr einfach. Die Sonne scheint durch ein großes Glas- oder auch ein lichtdurchlässiges Kunststoffdach (Kollektor) und heizt Boden und die Luft darunter wie in einem Treibhaus auf. Die warme Luft steigt nach oben und strömt unter dem Glasdach zu einem Kamin in der Mitte der Anlage. Es entsteht ein Aufwind (Thermik), der mit Hilfe von Turbinen in elektrischen Strom umgewandelt wird.

Es können entweder Horizontalachsenturbinen, die ringförmig am Fuße des Turms, also an der Übergangsstelle vom Kollektor zum Turm auf dem Boden, verwendet werden (geplant beim Mildura-Projekt) oder (wie in Spanien) die Vertikalachsenturbine am unteren Ende der Turmröhre (siehe Zeichnung).

Abgesehen von der Intensität der Sonnenstrahlung hängt die Leistung eines solchen Elektrizitätswerks von zwei Faktoren ab: der Kollektorfläche und der Kaminhöhe. Je größer die überdachte Fläche ist, desto mehr Luft wird erwärmt und desto schneller steigt die Luft im Kamin auf (bei gleich bleibendem Kamindurchmesser), und je höher der Kamin ist, desto größer ist der Druckunterschied zum Boden und desto schneller steigt die Luft im Kamin auf (Kamineffekt). Daher führen sowohl eine Vergrößerung der Kollektorfläche als auch der Kaminhöhe zu einer größeren Leistung der Anlage. Die Versuchsanlage in Manzanares hatte einen Kollektordurchmesser von 244 m und eine Kaminhöhe von 195 m, damit erreichte sie eine Leistung von 50 kW. Ein Aufwindkraftwerk mit einer Leistung von 200 MW benötigt einen Kollektor von 8 km Durchmesser und einen 1000 m hohen Kamin. Derartig große Kraftwerke erfordern jedoch auch hohe Investitionen zum Bau. Die Rentabilität steigt mit der Größe. Während des Betriebes fallen nur Wartungskosten an. Die Sonnenstrahlung als erneuerbare Energie steht kostenlos zur Verfügung.

Wirkungsgrad/Ertrag

Allgemein besitzt die Thermik in der Natur nur eine geringe Energiedichte. Der Grund liegt im relativ zu anderen thermischen Kraftwerken geringen Temperatur- bzw. Druckgradienten, der den Luftstrom antreibt. In Thermikkraftwerken gelingt es, diese Energie im Kamin zu bündeln und zu nutzen. Die Energie des Luftstromes selbst ist nach dem Betzschen Gesetz nur zu maximal 59,3 % nutzbar. Aus diesen beiden Gründen bleibt der auf die von der Sonne eingestrahlte Energie bezogene Wirkungsgrad entsprechend gering, bei 1000 m Turmhöhe beträgt er um ein Prozent. Eine wirtschaftliche Nutzung ist daher praktisch ausschließlich in Gebieten mit starker Sonneneinstrahlung denkbar.

Da die Sonnenenergie mehr als das 10.000-fache des menschlichen Energiebedarfes einstrahlt, wäre ein Wirkungsgrad von 1 % prinzipiell ausreichend, sofern eine entsprechend große Fläche mit Thermikkraftwerken überbaut werden würde. Andererseits können mit Photovoltaikanlagen Wirkungsgrade um 15 % erreicht werden, konzentrierende Sonnenwärmekraftwerke kommen in einen ähnlich hohen Bereich. Thermikkraftwerke werden sich nur dann durchsetzen können, wenn sie ein günstigeres Verhältnis von Leistung zu Baukosten erreichen. Dabei kommt es insbesondere auf den Turm an, da Bauwerke dieser Höhe bislang nicht existieren.

Thermikkraftwerke können auch nachts elektrische Energie erzeugen, da sich der Boden tagsüber erwärmt. In der Nacht gibt er diese Wärmeenergie wieder ab und kann weiter Luft unter dem Kollektor erwärmen. Wegen der sich gleichzeitig abkühlenden Umgebungsluft entsteht immer noch genügend Auftrieb, um das Kraftwerk zu betreiben. Dabei sinkt die Gesamtleistung ab, jedoch wird nachts im Allgemeinen auch weniger Strom als tagsüber gebraucht. Um diesen Effekt zu verstärken, können thermische Speicherelemente, beispielsweise geschlossene wassergefüllte Behälter, die mehr Wärme als der Boden speichern können, unter dem Kollektor angebracht werden.

Modifikationen

Louis Michaud forscht an einer besonderen Bauart des Kamins mit dem Namen "Atmospheric Vortex Engine" ("Atmosphärischer Wirbel-Motor"). Dieser hat mit 100 m Höhe und 200 m Durchmesser einen vergleichsweise niedrigen Kamin, der bei Zugabe von Wasserdampf einen Tornado-ähnlichen Wirbel erzeugt. Dieser ist stationär über dem Kamin gebunden und kann durch Vorrichtungen am Kamin gesteuert werden. Der Wirbel wirkt wie ein besonders hoher Kamin der bis in die Tropopause reichen kann. Bei günstigen klimatischen Bedingungen (warme und feuchte Luft) ist auch kein Treibhaus nötig. Laut Michaud können 50 bis 500 MW Leistung erzeugt werden.

Als Wärmequelle muss nicht ein Treibhaus dienen. Es könnte auch die Abwärme eines konventionellen Kraftwerkes genutzt werden. Z.B. könnte mit einer Atmospheric Vortex Engine der Wirkungsgrad eines Wärmekraftwerkes um bis zu 20% erhöht werden.

Umwelteinfluss, Flächennutzung

Thermikkraftwerke müssen für einen effizienten Betrieb sowohl im Kollektorradius als auch in der Kaminhöhe eine entsprechende Größenordnung aufweisen. Dies hat einen großen Landschaftsverbrauch zur Folge. Die Fläche unter der Überdachung steht jedoch zum Großteil für eine weitere Nutzung zur Verfügung. So wird vorgeschlagen, die riesigen Unterglasflächen mit hitzebedürftigen Pflanzen, z.B. tropischen Obst- und Gemüsekulturen, Kaffee-, Kakao- oder Teepflanzungen zu unterpflanzen, wobei bei maschineller Bearbeitung sorgfältig auf die Stützenkonstruktion der Überdachung zu achten wäre. Ein positiver Nebeneffekt wäre die verbesserte Luftqualität infolge der Kohlenstoffdioxid-Fixierung in der Biomasse der Pflanzen.

Es gibt bislang keine Studien zur großtechnischen Anwendung von Thermikkraftwerken, z.B. könnte der Bau von einigen hundert solcher Anlagen die natürlichen Luftschichtungen verändern, mit potenziellen Folgen für das Klima. Andererseits ist das natürliche Vorkommen von Thermik voll integrierter Teil des Wettergeschehens und Klimaprozesses, so dass sich kaum negative Folgen einstellen dürften.

Geschichte/Umsetzungen

Das Prinzip wurde 1903 von dem Autor Isidoro Cabanyes in seinem Artikel „La energía eléctrica“ beschrieben.

Im 1931 beschrieb der Autor Hanns Günther in seinem Buch „In Hundert Jahren“ ein Thermikkraftwerk.

Ein halbes Jahrhundert später entwickelte Prof. Dr. Ing. Jörg Schlaich aus Stuttgart sein Aufwindkraftwerk und baute im Mai 1982 mit Unterstützung des deutschen Bundesforschungsministeriums in Manzanares eine erste Versuchsanlage mit einer Leistung von 50 bis 100 Kilowatt. Das Kraftwerk arbeitete über mehrere Jahre hinweg einwandfrei und hat damit die bis dahin oft angezweifelte technische Realisierbarkeit einer solchen Anlage im kleinen Maßstab (Turmhöhe 194,6 m, Kollektorradius 122 m) bewiesen.

Projekte

Das erste kommerzielle Kraftwerk, das Thermikkraftwerk Buronga, soll in Australien, nahe Mildura errichtet werden. Die Bauarbeiten hätten 2005 beginnen sollen. Tatsächlich laufen noch Vorbereitungen – die Inbetriebnahme soll 2010 erfolgen. Der Kamin wird 1000 m hoch sein, einen Durchmesser von 130 m haben und von einem 38 km² großen Kollektor (7 km Durchmesser) umgeben sein. Die Maximalleistung beträgt 200 MW. ^[2] Es ist allerdings unsicher, ob der Betreiber Enviromission^[3] die nötige Finanzierung für den Bau sicherstellen kann, wodurch der geplante Baubeginn fragwürdig geworden ist.

In Namibia soll bei Arandis (nahe Swakopmund) eine Anlage mit knapp 38 km² Treibhausfläche (7 km Durchmesser) und einem über 1.500 m hohen Turm errichtet werden. Mit 32 Turbinen und einer Nennleistung von 400 MW soll der gesamte Strombedarf des Landes (ohne industrielle Großabnehmer) gedeckt werden.^[4]

Weitere Anlagen sind in der Volksrepublik China, Spanien (Aufwindkraftwerk Ciudad Real) und den USA geplant.

Eine Weiterentwicklung, die "Atmospheric Vortex Engine" ("Atmosphärische Wirbel-Maschine")^[5], die zwar nach dem gleichen Grundprinzip, aber erheblich wirkungsvoller arbeiten soll, plant der Ingenieur Louis Michaud.

Eine ähnliche Technologie stellt das Fallwindkraftwerk dar, das ohne Kollektor auskommt und in küstennahen Gebieten besonders wirtschaftlich arbeiten soll^{[6] [7]}.

Literatur

• Jörg Schlaich: Das Aufwindkraftwerk. Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart 1994, ISBN 3-421-03074-X
• Schlaich, Bergermann, Schiel, Weinrebe: Aufwindkraftwerke zur solaren Stromerzeugung. Erschwinglich – unerschöpflich – global. CD-ROM mit Begleitheft. Bauwerk Verlag, Berlin 2004, ISBN 3-934369-51-0
• Jochem Unger: Alternative Energietechnik. B.G. Teubner, Stuttgart 1993, ISBN 3-519-03656-8; Verlag der Fachvereine, Zürich 1993, ISBN 3-7281-1871-0
  (Neben einer Vielzahl verwandter Fragestellungen findet sich hier eine kritische Auseinandersetzung mit dem Wirkungsgrad von Thermikkraftwerken.)
• Jörg Schlaich, Gerhard Weinrebe: Strom aus heißer Luft: Das Aufwindkraftwerk. Physik in unserer Zeit 36(5), S. 212–218 (2005), ISSN 0031-9252
• Marco Aurélio dos Santos Bernardes: Technische, ökonomische und ökologische Analyse von Aufwindkraftwerken Stuttgart 2004, Forschungsbericht, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), Universität Stuttgart; elektronische Quelle: http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2004/1633/

Einzelnachweise

1. ↑ SBP
2. ↑ http://de.structurae.de/structures/data/index.cfm?id=s0004871
3. ↑ EnviroMission Limited - Solar Tower, Large Scale Renewable Energy, Climate Change, Green House Gas Emissions, CO2, Global Warming, Fossil Fuels, Green Energy
4. ↑ Aufwindkraftwerke - technisch einfach und umweltfreundlich
5. ↑ http://orf.at/051006-92041/index.html online-Nachrichtenartikel "Katrinas" gute Schwestern, des Österreichischen Rundfunks
6. ↑ http://www.iset.uni-kassel.de/abt/w3-w/projekte/new_et-brochure_zaslavsky.pdf
7. ↑ http://www.iset.uni-kassel.de/abt/w3-w/projekte/ECMWF-IR-SPDEGPET200605.pdf

Weblinks

• www.wissenschaft.de – „Sturm im Turm“
• www.sbznet.de – „Aufwindkraftwerk: Strom für Australien“
• www.de.youtube.com - Animation der Funktionsweise eines Aufwindkraftwerks. (Deutsch)
• www.enviromission.com.au – plant den Bau mehrerer Aufwindkraftwerke in Australien. (Englisch)
• www.solarmissiontechnologies.com – Diese Firma hat sich (ihrer Ansicht nach) die Rechte an der Technologie gesichert. (Englisch)
• Homepage von Louis Michaud zum Thema "Atmospheric Vortex Engine" (Englisch)