Thermikkraftwerk

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

Dieser Kraftwerkstyp wurde bereits 1931 von Hanns Günther beschrieben. In den 1980er Jahren zeigte eine Versuchsanlage unter Prof. Jörg Schlaich aus Stuttgart in Spanien über mehrere Jahre die technische Realisierbarkeit im praktischen Betrieb, allerdings nur im kleineren Maßstab.

Funktionsprinzip

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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. Die Technik selbst gilt jedoch als relativ einfach. 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. Eine wirtschaftliche Nutzung ist daher praktisch ausschließlich in Gebieten mit starker Sonneneinstrahlung denkbar.

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. Jedoch reichen nur 2 % der Wärme der Sahara um mehrere Millionen Menschen mit Energie zu versorgen .

Umwelteinfluss

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.

Es gibt bislang keine Studien zur großtechnischen Anwendung von Thermikkraftwerken, z. B. könnte der Bau von einigen hundert solcher Anlagen die Luftschichtungen verändern, mit potenziellen Folgen für das Klima.

Geschichte/Umsetzungen

Das erste Thermikkraftwerk wurde 1931 von dem Autor Hanns Günther in seinem Buch „In Hundert Jahren“ beschrieben.

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 (Spanien) 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 sollten 2005 beginnen, die Inbetriebnahme soll 2008 erfolgen. Der Kamin wird 1000 m hoch und von einem 38 km² großen Kollektor umgeben sein. Die Maximalleistung beträgt 200 MW. Es ist allerdings unsicher, ob der Betreiber Enviromission die nötige Finanzierung für den Bau sicherstellen kann, wodurch der Baubeginn für 2005 fragwürdig geworden ist.

Weitere Anlagen sind in der Volksrepublik China und den USA geplant.

Eine Weiterentwicklung, die zwar nach dem gleichen Grundprinzip, aber erheblich wirkungsvoller arbeiten soll, plant der Ingenieur Louis Michaud.

Literatur

Jörg Schlaich: Das Aufwindkraftwerk. Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart 1994, ISBN 342103074X
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

Weblinks

www.wissenschaft.de – „Sturm im Turm“
www.solarmillennium.de – Die Solar Millennium AG, Erlangen projektiert und baut komplette solarthermische Kraftwerke (Technologie und Hintergründe zu Aufwind- und Parabolrinnenkraftwerken inkl. Fotos und Animationen sowie deren Projektfortschritte)
www.sbznet.de – „Aufwindkraftwerk: Strom für Australien“
www.fv-sonnenenergie.de – Eine Broschüre zu Aufwindkraftwerken (Link auf PDF-Datei, 535 KB)
www.neue-aspekte.de – Ein Interview mit Prof. J. Schlaich
www.sbp.de – Die Firma des Erfinders der Aufwindkraftwerke, Prof. J. Schlaich
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)

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