Aufwindkraftwerk

Hintergrund, Prinzip

Wie für den Wind werden auch zur Nutzung der Sonnenenergie verschiedene Konzepte verfolgt. Verbreitet, besonders in Deutschland, finden sich Photovoltaik-Anlagen auf Hausdächern und im freien Feld. Sie sind eine sehr teure technische Lösung, die sich nur durch massive öffentliche Förderung verbreiten lässt. Sie erfordert hoch entwickelte Technik, viel Energie und teure, seltene Materialien für die Produktion. Für Wind- und Sonnenenergie gilt, wenn es nicht Kleinstmengen betrifft, dass sie teuer gespeichert und weitergeleitet werden muss, da sie in der Regel nicht dort und wann sie gebraucht wird anfällt.

Als Alternative werden solarthermische Kraftwerke entwickelt und teilweise schon gebaut, auch diese mit substanzieller Unterstützung. Ein Ansatz sind  Parabolrinnen-oder Solarturm-Kraftwerke, in denen über geführte Spiegel die Sonne eine in Röhren fließende Flüssigkeit erhitzt, aus der dann in klassischen Wärmekraftwerken Strom gewonnen wird. Auch dieser Ansatz ist Hightech, er funktioniert nur bei klarem Himmel und starker Sonne, die Energiespeicherung ist denkbar, wenn auch noch nicht gelöst, die Stromleitung teuer. (Beim Projekt Desertec aus der Sahara durch das Mittelmeer nach Mitteleuropa). Als weitere Möglichkeit hat die Gruppe Schlaich und Partner die Theorie für Aufwindkraftwerke und Konzepte für deren Realisierung als Großprojekte weiterentwickelt: Bild 11, Weinrebe. Ein Prototyp wurde in Spanien gebaut.

 

Bild 11 Aufwind- und Abwindkraftwerk

In einem Aufwindkraftwerk, Bild 11 links, werden in einem Kollektor, das ist eine mit Folie oder Glas abgedeckte Fläche, die Luft und der Boden darunter durch die Sonne erwärmt. Die warme Luft wird in einen Kamin geleitet, in dem sie durch Kamineffekt, d.h. durch den Auftrieb des warmen, also leichteren Mediums aufsteigt und dabei eine oder mehrere Turbinen antreibt. Diese erzeugen in Generatoren elektrische Energie. Die Energie ist proportional zum Produkt aus Fläche des Kollektors und Höhe des Kamins. Im Artikel Weinrebe/Schiel werden auch Abwindkraftwerke beschrieben, im Bild rechts. Bei denen wird in einen Kamin oben Wasser eingesprüht, dessen Verdunstungskälte kühlt die Luft, sie sinkt und betreibt Turbinen am Fuße des Kamins. Das ist auch eine denkbare Lösung mit dem Vorteil, dass man keinen großflächigen Kollektor braucht, allerdings braucht man viel Wasser. Da dies in warmen Trockengebieten eher rar ist, haben wir uns für das Aufwindkraftwerk entschieden.

Das eigene Konzept

Es wurde ein Konzept entwickelt, das gegebene Prinzip des Auftriebskraftwerkes in minimalistischer Technologie, also mit geringsten technischen Ansprüchen und niedrigsten Kosten für Kleinanlagen zu nutzen. Dafür wurden die für Großkraftwerke entwickelten Formeln herunterskaliert und vereinfacht. Die Anlagen sollen mit in Entwicklungsländern vorhandenen oder günstig zu beschaffenden Komponenten und vorhandenem Knowhow herstellbar und wartbar sein.
Für den Kollektor wird eine sonnenbeschienene Bodenfläche mit einer transparenten Folie ansteigend zu einem Punkt bedeckt. Die Folie wird auf gespannte Seile, Latten oder Bambusstäbe so aufgelegt, dass sich keine Regenwasserlachen bilden können, indem die Folie zwischen den Seilen oder Latten (federnd) gestützt wird. Man kann die Folie am Rande am Boden fixieren mit Öffnungen für die Zuluft. Danach kann die Folie in begehbarer Höhe weiter gespannt werden. Je nach Gelände, es muss nicht eben sein, wird an der höchsten Stelle der Folie die erwärmte Luft gesammelt und unmittelbar oder in nicht zu großer Entfernung in den Kamin geleitet. Am Fusse des Kamines befindet sich ein Flügelrad, ein Repeller, der durch die vorbeiströmende Luft gedreht wird. Die Drehung wird durch einen gekoppelten Generator, praktischerweise eine Autolichtmaschine, in Gleichstrom gewandelt. Die Energie steht über ein entsprechendes Kabel in den Häusern zur Verfügung. Da im erwärmten Boden oder in zusätzlich ausgelegten Wassergefäßen, Felsbrocken usw. die Wärme auch nachts anhält, wird auch nachts elektrische Energie erzeugt. Der Effekt wird noch verstärkt, wenn die Umgebungsluft nachts abkühlt (besonders in wüstennahen Gegenden). Ein Akku zur Energiespeicherung ist möglich, somit aber nicht zwingend erforderlich. Der Kamin ist entweder ein Kunststoffrohr, das mit Seilen abgespannt aufgestellt, oder falls vorhanden an einem Baum, einer Felswand, einem Gebäude o.ä. befestigt wird. Als billigere Alternative zum Rohr wird aus Stangen (z.B. 4 Stück) ein Gerüst gebaut, um das eine Folie gewickelt wird. In Gebieten, wo es auch Stürme (Tornados, Sandstürme usw.) geben kann, sind Kollektor und Kamin gefährdet. Ein freistehender Kamin muss dann einfach umlegbar sein. Die Abdeckung des Kollektors muss leicht zu entfernen oder zu sichern sein.

Zu erwartende Leistungen

Die größte Leistung der Anlage wird erreicht, wenn an der Turbine 2/3 des Gesamtdifferenzdruckes des Kamins abfällt. Entsprechende weitere Formeln liefern den günstigsten Kaminquerschnitt. Bei Kollektorflächen AK bis einige 1000 m² und Kaminhöhen H unter 100 m ist  bei 25°C Umgebungstemperatur eine nutzbare mechanische Leistung des Luftstromes Pmech nach folgender Formel zu erwarten:

Pmech = 1,2 . 10-5  H . AK . G       in W                                                 ( 1 )

wenn H in [m], AK in [m²] und G in [W/m²] eingegeben werden.

Für gute Wirkungsgrade der nachfolgenden Wandlung in elektrische Energie sollen die An- und Abströmung des Repellers möglichst wirbelfrei sein, an Kanten und Rohrquerschnittsänderungen wenig Verluste entstehen und der Generator bei den zu erwarteten Drehzahlen einen hohen Wirkungsgrad haben. Bei Leistungen unter 100 W erscheint die Optimierung des Generators problematisch. Deshalb sollte Kollektor und Kamin entsprechend ausgelegt sein, dann eignen sich normale Lichtmaschinen, allerdings modifiziert, damit sie keinen Erregerstrom aus einem Akku brauchen.

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Schulprojekt am Carl-Friedrich-Gauß-Gymnasium in Hockenheim, Baden-Württemberg

Im Fach Naturwissenschaft und Technik (NWT) war im Schuljahr 2010/11 für Zehntklässler das Thema Aufwindkraftwerk nominiert worden. Es sollte ein Kleinmodell zum Nachweis der Funktion des Prinzips und ein Freilandmodell zur realen Erzeugung von Energie gebaut werden. Im Freiland standen 1000 m² Fläche zur Verfügung und eine Kaminhöhe von 15 m war zulässig.

Den Entwurf zeigt Bild  12 und 13. 

   

Bild 12 Freigeländeanlage, Gesamtanordnung

 

Bild 13 Freigeländeanlage, Details

 
Die verfügbare Zeit war zu kurz, um einen geeigneten Repeller, den Generator und den gesamten Strömungskanal zu optimieren und zu testen, die Fläche abzuspannen, den Kamin zu bauen und auch sonst alles zu Ende zu bringen, sodass wir uns darauf beschränkten, das Kleinmodell etwas größer zu bauen und vom Freilandmodell das Herzstück, das heißt den Wandler der Strömungs- in elektrische Energie zu realisieren. Die Strömung wurde durch ein Gebläse simuliert, siehe Bilder 14 bis 16. 
lobalstrahlung in Mitteleuropa von 700 W/m², einem Kollektor von 1000 m² und 15 m hohem Kamin, berechnet sich nach Formel (1) eine Strömungsleistung von ca. 126 W. Wenn ein Wirkungsgrad von Turbine und Generator zusammen von 50% erreicht wird, ist also mit ca. 60W elektrischer Leistung zu rechnen. Dafür ist ein Optimierungsprozess nötig. Das Ziel hoher Effizienz wäre mit einem größer dimensionierten Kamin oder/und Kollektor leichter zu erreichen.

 

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Ingenieurbüro Franetzki