Solar Pond

Ein Salinity Gradient Solar Pond, kurz Solar Pond (engl., deutsch Solarteich, Solarbecken oder Solarbassin), ist ein mit Salzwasser (Sole) gefülltes Becken (engl. Pond), das als Kollektor und Speicher für Sonnenwärme genutzt wird. Die besondere Speicherwirkung beruht auf einer Ausnutzung von Dichte-, Temperatur- und Konzentrationsgefällen zwischen Grund und Oberfläche des Beckens.

Der Effekt des Solar Ponds tritt auch in natürlichen Salzseen auf und wurde hierher für die technische Nutzung abgeleitet (vgl. Bionik). Ein natürlicher Solar Pond, an dem der Effekt besonders extrem zum Tragen kommt, ist der Solar Lake am Ufer des Roten Meeres in Ägypten.

Physikalische Wirkungsweise

Die Dichte von Wasser nimmt (oberhalb von 4°C) mit der Temperatur ab, d. h. Wasser ist normalerweise umso leichter, je wärmer es ist. Durch den Auftrieb steigt das warme Wasser zur Oberfläche auf, wo es, wenn die Umgebungsluft kälter ist als das Wasser, die Wärme durch Konvektion und Verdunstungskühlung sehr schnell an die Umgebung abgibt. Das abgekühlte Wasser sinkt lokal wieder ab, von unten strömt warmes Wasser nach, es entsteht eine Zirkulationsströmung, die eine sehr schnelle Auskühlung des Gewässers zur Folge hat. Der Effekt ist in warmen Badewannen deutlich spürbar.

Der oben genannte Auftrieb und die durch ihn hervorgerufene Zirkulationsströmung kommen zum Erliegen, wenn das warme Wasser eine hohe Salzkonzentration (Salinität) aufweist, denn die Dichte von Wasser nimmt mit dem Salzgehalt stark zu. Hierdurch lagert sich Sole auf dem Grund des Beckens ab (Halokline). Dies gilt auch dann, wenn die Sole sehr warm ist (bis zu 70°C). Statt einer Zirkulationsströmung bildet sich eine stabile Temperaturschichtung in der Flüssigkeit (Thermokline), sodass Wärme nur durch Leitung, nicht aber durch Konvektion von unten zur Oberfläche gelangen kann. An der Oberfläche ist die Sole am kältesten, und durch den reduzierten Temperaturunterschied zur kalten Umgebung wird der Wärmeübergang deutlich reduziert. In Summe entsteht eine Art "natürliche Wärmedämmung", und die Wärmeverluste werden im Vergleich zu normalem, salzarmem Wasser deutlich reduziert.

Da der Pond trotz der reduzierten Verluste langsam Wärme verliert, kann die Temperaturschichtung im Pond auf Dauer nur erhalten bleiben, wenn der Sole Wärme zugeführt wird. Diese Wärmezufuhr muss direkt in den unteren Schichten des Ponds erfolgen. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Teil der natürlich einfallenden Sonnenstrahlung die oberen Wasserschichten durchdringt und dann von den unteren Schichten oder dem dunklen Grund des Ponds absorbiert wird.^[1] Alternativ kann kalte Sole von der Oberfläche entnommen werden und nach einer externen Erwärmung, beispielsweise in einem Sonnenkollektor, unten wieder zugeführt werden.

Probleme / Technische Verbesserungen

Wenn die Wasserverluste durch Verdunstung an der Oberfläche und Versickerung im Untergrund nicht ständig durch Zuführung von Frischwasser ausgeglichen werden oder das auskristallisierte Salz am Grund des Ponds nicht abgeführt wird, dann wird der Pond auf Dauer austrocknen, bzw. irgendwann vollständig mit Salz gefüllt sein, wie dies bei natürlichen Salztonebenen und bei Salzpfannen in Salinen der Fall ist. In Solar Ponds ist dies unerwünscht.

Die Zuführung von Frischwasser mit geringer Salzkonzentration muss nahe der Oberfläche mit geringer Verwirbelung/Durchmischung erfolgen, denn das für die Temperaturschichtung notwendige Salzkonzentrationsgefälle wird sonst durch natürliche Diffusion langsam ausgeglichen. Die Wiedereinspeisung der Sole nach der Entnahme und Nutzwärmeauskopplung muss hingegen in die unteren Schichten des Ponds erfolgen.

Eine Möglichkeit zur Unterbindung die Verdunstung und der damit verbundenen Wasser- und Wärmeverluste ist die Abdeckung der Wasseroberfläche mit einer schwimmenden Folie. Eine solche Folie oder geeignete schwimmende Windbrecher helfen auch bei der Unterbindung von windinduzierten Wellen oder Strömungen, die eine Durchmischung und somit eine Zerstörung des Salzkonzentrationsgefälles bewirken.

Eine Trübung des Wassers durch die Salzkristalle, Algenwuchs oder andere Verunreinigungen führt dazu, dass ein höherer Anteil der Sonnenstrahlung nahe der Oberfläche absorbiert oder reflektiert wird und weniger Strahlung in die wärmespeichernde Soleschicht durchdringt. Eine solche Trübung ist daher im allgemeinen unerwünscht, außer wenn sie auf die unteren Schichten begrenzt ist.^[1] Um die Wärmeabsorption von unten sicherzustellen, empfiehlt es sich bei künstlichen Solarponds, eine wärmeabsorbierende, dunkle Farbe auf dem Grund aufzubringen.

Um die Probleme mit der Aufrechterhaltung des Salzkonzentrationsgefälles zu umgehen, hat es erfolgreiche Versuche gegeben, die obere Schicht eines Solar Ponds statt aus Süßwasser aus organischem Polymer-Gel zu bilden. Das Gel ist leichter als die Sole und schwimmt dadurch oben, ist lichtdurchlässiger als Wasser, so dass mehr Energie die Soleschicht erreicht und ist hochviskos, so dass Konvektionsströmungen unterbunden werden.^[1]

Nutzung

Aufgrund des oben erklärten Effektes ist ein Solar Pond auch ohne eine aufwändige und teure Wärmedämmung, wie sie bei konventionellen Warmwasserspeichern notwendig ist, mit relativ geringen Verlusten eine große Menge an Wärme zu speichern. Solar Ponds sind - anders als geschlossene Behälter - auch bei großen Abmessungen mit einfachen Mitteln billig herzustellen. Sie gelten daher als einfache Technik (Low-Tech), mit Potential für den Einsatz in sonnenreichen Entwicklungsländern. Die Gewinnung von Salz kann ein erwünschter Nebeneffekt sein.

Die im Solar Pond gespeicherte Wärme kann in verschiedener Weise genutzt werden:

• Heizwärme für Gebäudeheizung oder Niedertemperaturprozeßwärme bei Nacht, oder bei Bewölkung mit reduzierter Sonneneinstrahlung
• Solare Klimatisierung
• Solare Meerwasserentsalzungsanlage
• Stromerzeugung mittels
  • Stirling-Motor
  • ORC-Kraftwerk
  • OTEC-Kraftwerk

Trotz langjähriger Entwicklung befindet sich die Nutzung von Solarponds zur Stromerzeugung auch heute noch im Entwicklungs- und Erprobungsstadium. Es gibt kaum größere kommerzielle Anlagen. Einige existierende oder ehemalige Forschungs- und Pilotanlagen sind:

• Das weltgrößte Solarpond-Kraftwerk war mit 5 MW Leistung das nahe Beit Ha' Arava in Israel (31° 47′ 46″ N, 35° 29′ 56″ O31.79607235.4988). Es war bis 1988 in Betrieb.
• Solarpond-ORC-Kraftwerk der Firmat Ormat Technologies nahe En Boqeq, Israel^[2]
• Solarpond-Anlage zur Versorgung einer Molkerei mit Wärme, erbaut von The Energy and Resources Institute (TERI) in Gujarat, Indien^[3]

Weblinks

• Achmed A. W. Khammas: Buch der Energie: Solarteiche
• The University of Texas at El Paso: Salinity-Gradient Solar Technology Page (Englischsprachig)
• G. R. Ramakrishna Murthy, K. P. Pandey: Solar Ponds - A Perspective from Indian Agriculture, online auf www.fskab.com (PDF)

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} S. P. Sukhatme: Solar Energy: Principles Of Thermal Collection And Storage, Verlag Tata McGraw-Hill, 2008, ISBN 9780070260641, auszugsweise online auf Google Books (Englischsprachig)
2. ↑ Mother Earth News: ISRAEL'S 150-KW SOLAR POND (May/June 1980) auf www.motherearthnews.com (Englischsprachig)
3. ↑ Salt-gradient solar ponds auf www.teriin.org (Englischsprachig)