allTEIL C

Weitere Einsatzformen der Photovoltaik

Hybridsystem-Anlagen


Unter Hybridsystemen oder Hybridsystem-Anlagen verstehe ich an dieser Stelle solarelektrische Großanlagen im oberen kW- bzw. im MW-Bereich, bei denen die Photovoltaik mit anderen Energien kombiniert wird, häufig, um Inselnetze zu versorgen oder Meerwasser-Entsalzungsanlagen zu betreiben. Diese Energien sind oftmals der Wind, nachwachsende Rohstoffe oder Biogas (z.B. aus Kläranlagen), aber auch Erdgas und andere Brennstoffe.

Kombinierte photovoltaisch-solarthermische Kleinanlagen behandle ich dagegen im Kapitelteil Solarthermie unter Hybrid-Kollektoren. Andere kleine und kleinste Hybridanlagen sind entweder dem Kapitel Windenergie (Neue Designs und Rotorformen) oder den photovoltaischen Umsetzungen (Entwicklung der photovoltaischen Nutzung) zugeordnet. Einsatz finden sie zunehmend in ländlichen, abgelegenen Gebieten, in erster Linie in Afrika und Asien (3.-Welt-Systeme).

Das vermutlich weltweit erste Hybridsystem wird 1988 in Burg auf der Insel Fehmarn errichtet, wo im Rahmen eines 7 Mio. DM Projektes zur Stromversorgung des Klärwerks eine Solarzellenanlage, ein Windkraftwerk sowie ein Biogas-Motor installiert werden, der mit Klärgas betrieben wird. Das BMFT fördert dieses noch relativ kleine Projekt zu 38 %.

1991 wird für rund 8 Mio. DM das europaweit bislang größte Hybrid-Kraftwerk auf dem Gelände des erst 1990 neu gebauten Klärwerks im mecklenburgischen Körkwitz, Kreis Riebnitz-Dammgarten, errichtet. Das BMFT beteiligt sich mit 6,1 Mio. DM, und das Land Mecklenburg-Vorpommern mit 1,6 Mio. DM an den Gesamtkosten des Modellprojektes am Saaler Bodden. Die 5.000 Solarzellen-Module haben eine Fläche von 3.000 m2 und erzeugen 250 kW. Ab 1992 wird ein 300 kW Windkraftwerk integriert, und 1993 folgt der Bau einer Biogasanlage für den Klärschlamm, deren Gas zwei Blockheizkraftwerke betreibt, jeweils mit 30 kW elektrischer und 60 kW thermischer Leistung. (Seit 2009 beklagen sich einige Anwohner allerdings, daß das Klärwerk laut sei und stänke.)

Hybridanlage Pellworm

Hybridanlage auf Pellworm

Die Solar-Großanlage auf Pellworm gilt 1992 nach der Installation von Windkraftwerken ebenso als Hybridanlage, wie die 1994 in Betrieb gehende Großanlage in Toledo, bei der die Photovoltaik mit einem Wasserkraftwerk kombiniert wird (s.d.).

Im März 1998 legen die DLR-Solarexperten Franz Trieb, Bernhard Milow, Joachim Nitsch und der Vorsitzende des Hamburger Klimaschutz-Fonds und wissenschaftlicher Mitarbeiter des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg Gerhard Knies in einen Bericht unter dem Titel vor: ‚Einführung solarthermischer Kraftwerke auf dem Weltenergiemarkt - eine Chance für die Arbeitsmarkt- und Klimapolitik Deutschlands’ vor. Hierin geben sie schon recht früh eine sinnvolle Marschrichtung vor: „Solarkraftwerke können zunächst als solar/fossil befeuerte Hybridsysteme konzipiert werden, um die wirtschaftlichen Barrieren zu senken“ ... und damit den Übergang zur solaren Energiewirtschaft erleichtern. Ein Jahr zuvor war bereits ein sehr ausführlicher Artikel über die Systemaspekte hybrider Solaranlagen erschienen, in dem eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten analysiert wird. Da er im Netz verfügbar ist, sei er hier verlinkt.

Im August 1999 beginnen die Unternehmen Parker Ranch und PowerLight Corp. die gemeinsame Planung eines Solar/Wind-Hybridkraftwerkes auf Hawaii, das 2005 in Betrieb gehen soll. Es handelt sich um das gegenwärtig weltweit größte entsprechende Projekt. Auf  Hawaii gibt es bereits fünf größere Windparks sowie eine nicht netzverbundene kombinierte Photovoltaik-, Wind- und Diesel-Anlage. Diese besteht aus einem 10 kW PV-Array, drei 10 kW Windkraftanlagen von Bergey und einem 30 kW Diesel-Generator, die mit einer Batterie-Bank und einem Pumpspeicher-System verbunden sind. Die kleine Hybridanlage versorgt ein Gewächshaus sowie elf Häuser und Geschäfte auf einer Ranch.

Anfang 2001 startet ein von der EU-Kommission gefördertes Forschungsprojekt unter dem Titel Solar Hybrid Gas Turbine Electric Power System (SOLGATE), bei dem bis zum März 2003 ein Solarhybrides Energie-System entwickelt werden soll. Bei diesem System soll die Druckluft, die einer Gasturbine zugeführt wird, durch direkte Sonneneinstrahlung erwärmt werden. Neben den notwendigen Änderungen der Gasturbine selbst soll auch die Hochtemperatur-Receiver-Technologie weiterentwickelt und das Thema Systemintegration behandelt werden.

Die beteiligten Wissenschaftler und Ingenieure planen, eine Gasturbine mit 280 kW Wellenleistung für die externe, solare Luftbeheizung zu modifizieren. Außerdem soll ein Druck-Empfänger-Modul für eine Temperatur von 1.000°C entwickelt und gebaut werden, bei dem der Keramik-Absorber mit aktiven Kühlungsmaßnahmen kombiniert ist. Anschließend sollen die Komponenten zu einem kompletten Solar-Hybrid-System zusammengebaut und mindestens für 8 Monate lang in die PSA-Solarturm-Anlage im spanischen Almería integriert werden.

Ein wesentliches Entwicklungsziel ist auch die Entwicklung von Software-Tools, welche die Simulation der Einzelkomponenten und der Gesamtleistung des Systems, und damit die Gestaltung kommerzieller solarhybrider Gasturbinen-Kraftwerke mit Turbinenleistungen zwischen 1,4 MW bis 17 MW ermöglichen soll. Ebenfalls geplant wird die Errichtung einer Demonstrationsanlage (s.u. Mitte 2010).

Im April 2002 gibt die Weltbank bekannt, daß sie bis zu 50 Mio. $ für den Bau von Solar-Hybrid-Anlagen in Ägypten, Indien, Mexiko und Marokko, bei denen die Parabolrinnen-Technologie mit der Erdgasverbrennung verbunden wird, bereitgestellt hat.

Bei der International Executive Conference on Concentrating Solar Power (CSP) in Berlin im Juni 2002 wird der Plan des Königreichs Jordanien bekannt, in der Region Quwairah im Süden des Landes, für 200 – 300 Mio. $ eine 100 -150 MW Solarhybridanlage zu errichten. Tatsächlich hat das deutsche Unternehmen Solar Millennium bereits im Vorjahr ein Angebot zur Umsetzung des Jordanian IPP Solar Power Project unterbreitet, das Ende 2005 in Betrieb gehen soll.

Über die Parabolrinnen-Technologie (engl. Concentrated Solar Power, CSP), um die es auf der genannten Konferenz ging, gibt es im Buch der Synergie ein eigenes Kapitel, ebenso über das Desertec-Projekt, bei dem die Firma Solar Millennium eine maßgebliche Rolle spielt (s.d.).

Über ein ähnliches Projekt wird im Jahr 2002 auch aus Indien berichtet, wo in Mathania, nahe Jodhpur in der Provinz Rajasthan, ein Flüssigbrennstoff/Solar-Hybridkraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 140 MW errichtet werden soll, von denen 35 – 40 MW von einem 219.000 m2 großen Parabolrinnen-Feld stammen werden. Die Kostenschätzung für das SOLIN-1 genannte Projekt beläuft sich auf konkurrenzfähige 1 Mio. $/MW. Das zuständige Ministry of Non-Conventional Energy Sources (MNES), eine weltweit bislang einmalige Einrichtung, plant außerdem ein 35 MW starkes solarthermisches Kraftwerk, ebenfalls in dem ariden und relativ dünn besiedelten Rajasthan.

Beim Update Mitte 2011 stellt sich allerdings heraus, daß es für dieses von der Global Environment Facility (GEF) geförderte Solarhybrid-Projekt bislang erst eine Machbarkeitsstudie gibt, welche die 1999 gegründete deutsche Firma Fichtner Solar GmbH aus Stuttgart erarbeitet hat. Inzwischen wird über eine reduzierte Kraftwerksgröße von nur 30 – 80 MW gesprochen.

Der nativ-amerikanische Hualapai Stamm erhält im Juli 2004 von der US-Landwirtschaftministerium einen Zuschuß in Höhe von 2 Mio. $, in ihrem isolierten, 3.600 Hektar großen Tourismusunternehmen in Grand Canyon West (GCW) die Infrastruktur zur Stromerzeugung und -verteilung zu schaffen. Das Gebiet ist nicht an das nationale Stromnetz angeschlossen und nutzt Diesel-Generatoren, um den Flughafen und anderen Einrichtungen mit Strom zu versorgen. Der Stamm betreibt seit 1997 die längste solarbetriebene Wasserleitung Nordamerikas, um Wasser nach GCW zu pumpen, und im Jahr 2000 wird ein kleines 7 kW PV/Wind-Hybridsystem mit Batteriespeicher installiert.

Der Stamm plant nun ein Solar-Hybrid-System von zunächst 250 kW, das zukünftig bis auf 2 MW erweitert werden kann. Das Projekt wäre eine Gelegenheit zur Demonstration der fortschrittlichen Solarthermie, Wasserstofferzeugung und Brennstoffzellen-Technologie. Die Projektierung übernimmt die Firma Daystar Consulting LLC aus Seattle. Für ein ähnliches Projekt erhält auch die Navajo Nation in New Mexico eine Förderung des Ministeriums. 2008 gehen in GCW dann zwei 100 kW Solar/Diesel-Hybridanlagen in Betrieb, die allerdings nur PV-Paneele mit einer Leistung von 16 kW haben, während die Leistung der Batteriebank 5.400 Ah beträgt.

Ende 2004 geht in China die landesweit erste Solar/Wind-Hybridanlage ans Netz. Das 100 kW PV-Array befindet sich in der Huaneng Nan’ao Windfarm und gilt auch als erste netzverbundene Solarzellen-Anlage Chinas. Kleinere Kombi-Systeme im Bereich bis zu 20 kW werden zu diesem Zeitpunkt schon kommerziell angeboten, z.B. von der Suzhou Yueniao Machinery & Electronics Imp. & Exp. Co. Ltd. in Suzhou. Die Huayuan New Energy Project Co. Ltd. wiederum, in dem seit 2005 als Chinas Solar City bezeichneten Dezhou angesiedelt, bietet ebenfalls eine ganze Palette an neuen Energiesystemen an, angefangen von kleinen Windladern, über Vakuumröhren bis hin zu Parabolrinnen-Reflektoren aus Glas oder Metall, wie sie bei großen Solarthermie-Kraftwerken eingesetzt werden. Im Bereich der Hybridsysteme werden Solar/Biogas-Anlagen angeboten.

SMAT Hybridanlage

SMAT Hybridanlage

Die 1981 gegründete SMATechnologie AG aus Niestetal, ein führender Hersteller von Photovoltaik-Wechselrichtern realisiert 2006/2007 im Rahmen des bilateralen deutsch-chinesischen Solarenergie-Programms ein Solarhybrid-System in China, mit dem die Lebensqualität der Menschen in abgelegenen Gebieten der westchinesischen Provinzen Yunnan, Xinjiang, Qinghai und Gansu verbessert werden soll. Das deutsche Interesse besteht darin, PV-Paneele von Shell Solar GmbH and Schott Solar einzusetzen. Die Anlagen sind mit Solarzellen zwischen 4,5 und 18 kW, Dieselgeneratoren von 10 bis 30 kW und Batteriesätze zwischen 72 und 190 kWh ausgerüstet.

Ein interessantes Modell aus Afrika ist die Solar/Pflanzenöl-Hybridanlage der Vincentian Sisters in Mbinga (Tansania), welche die 1983 gegründete deutsche Firma Energiebau Solarstromsysteme GmbH aus Köln im Jahr 2006 realisiert – mit eigenhändiger Hilfe der Schwestern.

Auf dem Kirchendach befinden sich – gottgefällig ein weißes Kreuz umrahmend – 81 Solarmodule vom Typ Schott ASE 100 mit einer Fläche von rund 80 m2 und einer Gesamt-Spitzenleistung von 8,1 kW, welche die Hauptlast übernehmen, während der auf 30 kW ausgelegte Pflanzenöl-Generator des Herstellers Kuboto nur bei besonders hohem Stromverbrauch zugeschaltet wird, pro Tag für etwa 2,5 Stunden. Dieser Generator ist von der Kölner Firma auf Jatropha-Öl umgerüstet worden, was den Schwestern pro Liter im Vergleich zum Diesel fast einen Euro einspart. Gekostet hat das Gesamtsystem rund 100.000 €. Im Januar 2007 erhalten die Projektpartner dafür den Roy Family Award 2007 der Harvard University (John F. Kennedy School of Government).

Die Kölner Energiebau hat das Konzept der dezentralen Elektrifizierung auch schon in anderen Ländern umgesetzt, zumeist in Kooperation mit InWEnt und gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi). In ghanesischen Busunu beispielsweise vorsorgt eine Solar-Hybrid-Anlage mit Pflanzenöl-Generator ein Dorf mit 360 Häusern, während eine ähnliche Anlage ein Ausbildungszentrum auf Sumba Island in Indonesien zum unabhängigen Stromproduzenten macht.

Ecos LifeLink Grafik

Ecos LifeLink (Grafik)

Eine moderne und semi-mobile Hybridanlage bildet das von der Ecosphere Technologies Inc. in Stuart, Florida, entwickelte System, das aus zwei 7 m langen Containern besteht und mit ausklappbaren Solarzellen sowie einem zusätzlichen Windlader bestückt ist. Das 2007 vorgestellte Modell Ecos LifeLink liefert 16 kW Elektrizität, kann verseuchtes oder verunreinigtes Wasser filtern und bietet eine Internetanbindung über eine Entfernung bis zu 50 km. Die Anlage ist speziell für Notfalleinsätze entwickelt worden.

Doch langsam werden die Anlagen größer – zumindest die Planungen für diese.

Im Juni 2008 gibt die Firma San Joaquin Solar LLC aus in San Diego (eine Tochter der Martifer Renewables) bekannt, daß sie von dem Stromversorger PG&E den Auftrag erhalten habe, nahe dem kalifornischen Coalinga zwei Solarthermie/Biokraftstoff-Hybridanlagen zu errichten. Jede der beiden Dampfturbinen-Anlagen wird aus dem mit Parabolrinnen versehenen solarthermischen Teil 53,4 MW beziehen, die von 40 MW aus der Biomasse-Verbrennung ergänzt werden. Die zum Betrieb erforderlichen 250.000 Tonnen Biokraftstoff pro Jahr werden aus lokalen Abfällen der Landwirtschaft und Viehzucht kommen. Starten sollen die Hybrid-Anlagen im ersten Quartal 2011.

Im Juni 2009 geht im israelischen Kibbuz Samar nahe Eilat eine patentierte, neue Solaranlage in Betrieb, nachdem es dem Unternehmen gelungen war, in einer Finanzierungsrunde 5 Mio. $ Investitionsmittel zu bekommen, in erster Linie durch EZKlein Partners, EDIG Construction und L&Q Solar.

Im Grunde handelt es sich bei dem Projekt der 1998 gegründeten Firma Aora Solar Energy Co. (früher: EDIG Solar) aus Rehovot um eine kleine Solarturm-Anlage, bei der 30 Heliostate – sonnennachgeführte Spiegel – die Sonnenstrahlen auf die Spitze des 30 m hohen Turms konzentrieren, wo sich ein spezieller Receiver sowie eine 100 kW Gasturbine befinden. Tagsüber treibt die bis auf 1.000°C erhitzte Luft die Mikroturbine direkt an, in der Nacht wird diese mit Biodiesel oder Naturgas betrieben. Das Kraftwerk kann 100 kW Strom und 170 kW thermaler Energie erzeugen.

Die Schlüsselkomponenten von Aora Power Conversion Unit (PCU), die Mikroturbine und der Solar-Receiver, sind in Zusammenarbeit mit dem Weizmann-Institut un der Firma Rotem Industries entstanden. Als Preis der Gesamtanlage werden rund 500.000 $ genannt. In der Zukunft plant das Unternehmen Kraftwerke im Maßstab von 5 MW und mehr zu entwickeln.

Im Dezember 2009 meldet die Presse, daß das amerikanische Electric Power Research Institute (EPRI) zu Demonstrationszwecken den Bau von zwei Solar-Hybridanlagen zu plant, bei denen fossil befeuerte Kraftwerke mit Solarenergie nachgerüstet werden. Dabei soll der solarthermisch erzeugte Wasserdampf dem Dampf-Kreislauf des herkömmlichen Kraftwerks hinzugefügt werden, was zu reduzierten Emissionen und Treibstoffkosten führen soll. Bei den zwei Anlagen handelt es sich um das 245 MW Escalante Kohlekraftwerk der Tri-State Generation and Transmission Association Inc. in Prewitt, New Mexico, sowie um das 1.102 MW Chuck Lenzie Naturgas-Kraftwerk der NV Energy nahe Las Vegas.

Im April 2010 starten der Energy Investors Funds aus Massachusetts und der Energie-Projektentwickler NTE Energie aus Florida ein Joint Venture, das sich auf hybride Erneuerbare Energien/Erdgas-Projekte konzentrieren wird. Die neue EIF NTE Hybrid Renewable Energy will Projekte in Florida, South Carolina und Alabama entwickeln, bei denen Solar-, Biomasse- und andere erneuerbaren Technologien mit der Erdgasturbinen-Technologie verbunden werden.

Die Solarthermie-Firma eSolar gibt im Mai 2010 bekannt, daß sie von der chinesischen Regierung einen Auftrag über 2 GW ihrer Solarturm-Installationen erhalten habe, die in erster Linie als hybride Komponente von Biomasse-Kraftwerken eingesetzt werden sollen. Ich konnte bislang nicht verifizieren, ob dieses Geschäft tatsächlich zur Abwicklung gelangt ist, oder nicht.

SOLHYCO Receiver

SOLHYCO Receiver

Gemeinsam mit Partnern aus Europa, Brasilien und Mexiko nehmen Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Mitte 2010 das solarhybride Versuchskraftwerk SOLHYCO in Betrieb, das auf dem großen Solarturm CESA-1 der südspanischen Plataforma Solar de Almería installiert ist. Die gebündelte Sonnenstrahlung erhitzt die im Strahlungsempfänger angebrachten, metallischen Absorberrohre auf über 800°C. Mit dieser Hitze wird die durch die Absorberrohre strömende Luft erwärmt, die dann eine 100-Kilowatt-Mikrogasturbine mit angeschlossenem Generator zur Stromproduktion antreibt.

Bei Sonnenschein wird das Kraftwerk mit Solarenergie betrieben, in der Nacht und bei Bewölkung kann Dieseltreibstoff zugefeuert werden. Nach Abschluß der Entwicklung sollen künftige Betreiber unterschiedliche Kraftstoffe wie Biogas, Biodiesel, Erdgas oder Diesel verwenden können. Bei einem typischen Dauerbetrieb von etwa 4.000 Volllaststunden pro Jahr wird eine Brennstoffeinsparung von ca. 36 % erwartet. Das hybride Kleinkraftwerk ist nach Berechnung des DLR in der Lage, rund 50 Haushalte mit Strom zu versorgen. Die Forscher planen nun, das Prinzip des Hybridkraftwerkes weiterzuentwickeln und ein 5 MW Kraftwerk zu konzipieren.

In der Nähe von Palisade in Colorado geht im Juli 2010 das weltweit erste Solar/Kohle-Hybridkraftwerk in Betrieb. Die 1 MW Cameo-Demonstrationsanlage der Unternehmen Xcel Energy und Abengoa Solar kostet 4,5 Mio. $ und nutzt 8 Reihen Parabolrinnen-Kollektoren mit einer Gesamtlänge von 150 m. Das dort solar erhitzte Mineralöl wird durch einen Wärmetauscher geleitet, wo es zum Vorwärmen des Wassers für die Kohle-befeuerte Turbine des 49 MW Kraftwerks verwendet wird. Damit soll der Brennstoffverbrauch des Kohlekraftwerks um 2 – 3 %, und die Emissionen um bis zu 10 % verringert werden.

Inzwischen haben sich mehrere US-Stromversorger mit dem Electric Power Research Institute (EPRI) zusammengetan, um die Möglichkeiten der Solar/Kohle-Hybridtechnologie in North Carolina und New Mexico zu studieren. In Florida befindet sich außerdem eine  Solar/Erdgas-Hybridanlage im Bau.

Im August 2010 geht in Marble Bar in der Region Pilbara in Westaustralien das offiziell weltweit erste Solar/Diesel-Kraftwerk in Betrieb, das diesen Namen auch verdient. Der Ortswahl ist sinnvoll, denn Marble Bar hält einen Weltrekord für die meisten aufeinander folgenden Tage mit Höchsttemperaturen. Die Pippunyah Power Station von Horizon Power ist mit 1.350 einachsig sonnennachgeführten Solar-Arrays mit einer Gesamtleistung von 1,16 MW ausgestattet. Es wird erwartet, daß die Anlage in der Hochsaison im Sommer bis zu 89 % des städtischen Strombedarfs decken kann und übers Jahr den Diesel-Verbrauch um 35 – 40 % senkt. Sehr interessant: Die von der Anlage erzeugte Energie wird in einem innovativen Schwungrad-Speichersystem gespeichert. Das Projekt wird von der Bundesregierung unterstützt und vom westaustralischen Office of Energy durchgeführt.

Solartracker der Marble Bar-Hybridanlage

Solartracker der
Marble Bar-Hybridanlage

Eine weitere Anlage mit der gleichen Technologie und 900 Solar-Arrays ist in Nullagine im Bau, 88 km südlich von Marble Bar gelegen; sie soll im Oktober in Betrieb gehen. Außerdem plant Horizon Power solche Solar/Diesel-Hybridkraftwerke in den abgelegenen Aborigine-Gemeinden Kalumburu und Yungngora zu errichten.

Die internationale Überzeugungsarbeit trägt nun erste Früchte. Die Firmen Abener Energía S.A. und Teyma, beide im Besitz der Abengoa Group, beginnen im September 2010 mit den Bauarbeiten an einem Hybrid-Solarkraftwerk in Algerien, in der Nähe des Erdgasreservoirs Hassi R’Mel, dem größten Afrikas. Die Anlage wird 150 MW Strom produzieren, von denen 25 MW aus dem solarthermischen Anlagenteil stammen, der aus 224 Parabolrinnen-Kollektoren mit zusammen 600.000 m2 Spiegelfläche besteht. Ansonsten ist das Kraftwerk, das die sogenannte Integrated Solar Combined Cycle (ISCC) Technologie nutzt, noch mit zwei 40 MW Erdgas-Turbinen und einer 80 MW Dampfturbine ausgestattet. Im Juli 2011 erfolgt die offizielle Einweihung unter Anwesenheit des spanischen Energieministers und seines algerischen Amtskollegen, die Inbetriebnahme erfolgt im September.

Bereits im Dezember 2010 geht das erste solarthermische Hybridkraftwerk in Ägypten mit einer elektrischen Gesamtleistung von 150 MW in Betrieb. Das 30 MW Solarfeld der in Kuraymat, rund 100 km südlich von Kairo, gelegenen Anlage besteht aus 2.000 Parabolrinnen-Kollektoren von jeweils 12 m Länge und 6 m Breite, die zusammen eine Gesamtfläche von 130.000 m2 haben. Aufgrund des Vorbildcharakters des Solarfeld-Projektes wird dieses von der Global Environmental Facility (GEF) mit einem Zuschuß in Höhe von rund 50 Mio. $ gefördert. Die Gesamtkosten des Hybrid-Kraftwerks belaufen sich auf über 250 Mio. €, von denen auf das Solarfeld etwa 30 % entfallen.

Hybridkraftwerk Kuraymat im Bau

Hybridkraftwerk Kuraymat
(im Bau)

Die technische Auslegung des Solar-Hybrid-Kraftwerks, das Erdgas zur Stromerzeugung nutzt, erarbeitet das deutsche Unternehmen Fichtner Solar. Die Errichtung und Inbetriebnahme des Solarfelds erfolgt in Zusammenarbeit mit dem ägyptischen Unternehmen Orascom Construction Industries, während die Flagsol GmbH, ein Tochterunternehmen der Erlanger Solar Millennium AG und der Essener Ferrostaal AG, die Solartechnologie für das Projekt liefert. Im Anschluß an die Inbetriebnahme werden Flagsol und Orascom den Solarteil des Kraftwerks nun zwei Jahre lang selbst betreiben, bevor er endgültig dem Auftraggeber, der Egyptian New and Renewable Energy Authority, übergeben wird. Für Deutschland gilt das Projekt als Versuchslauf für die internationale Desertec Initiative

Im November 2010 wird in den USA der Ende 2008 begonnene Bau der bislang weltweit größten Solar-Hybridanlage abgeschlossen. Das sogenannte Martin Next Generation Solar Energy Center in Indiantown, Florida, kostet 476 Mio. $ und verbindet das gegenwärtig zweitgrößte Solarthermalfeld der Welt mit dem größten Erdgaskraftwerk der USA (3,8 GW). Ebenfalls weltweit zu ersten Mal wird bei der Hybridanlage des Stromversorgers Florida Power & Light (FPL) ein solarer Anlagenteil in ein bereits bestehendes Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk integriert.

Bei der 75 MW Anlage im westlichen Martin County, nördlich von West Palm Beach und in der Nähe des Okeechobee Sees gelegen, bedecken mehr als 190.000 Parabolspiegel eine Fläche von rund 200 Hektar (etwa 80 Fußballfelder). Die Spiegel konzentrieren die Sonnenstrahlen auf Vakuumröhren, in denen ein synthetisches Öl auf 400°C aufgeheizt wird. Der damit erzeugte Dampf wird mit dem Dampf aus der Abwärme von vier Erdgas-Anlagen vermischt und anschließend zur Stromerzeugung in eine bereits bestehende Dampfturbine eingespeist.

Der Betreiber erwartet, mit der neuen Technologie den Verbrauch fossiler Brennstoffe um rund 1,16 Mrd. m3 Erdgas und mehr als 600.000 Barrel Erdöl zu reduzieren, um während der geschätzten 30-jährigen Lebensdauer der Anlage rund 178 Mio. $ an Treibstoffkosten zu sparen. Die restlichen Investitionskosten werden vermutlich mit Emissionsrechten verrechnet.

Die mit 310 MW derzeit größte Parabolrinnen-Anlage der Welt in der Mojave-Wüste gehört ebenfalls der FPL, deren umweltbewußte Firmenpolitik erfolgreich dabei war, seit 1980 den Bau neuer fossiler Kraftwerke zu vermeiden. Die neue Anlage in Florida basiert im Wesentlichen auf der Technologie des 30 Jahre alten Mojave-Systems, wobei sie allerdings mit weitaus stärkeren Trägern, Rahmen und Spiegeln ausgestattet wurde, um auch Hurrikan-Windgeschwindigkeiten bis zu 200 km/h standzuhalten. In diesem Fall drehen sich die Spiegel nach unten.

Ebenfalls im November 2010 beginnt das von der Abengoa Solar S.A. gebaute 240 MW (andere Quellen: 470 MW) Solar-Hybrid-Kraftwerk Ain Beni Mathar im Nordosten von Marokko Strom in das nationale Stromnetz einzuspeisen. Baubeginn war Ende 2007. Die Anlage nahe der algerischen Grenze wurde mit einem Zuschuß der Global Environment Facility (GEF) und der Weltbank in Höhe von 43,2 Mio. $ finanziert, ergänzt durch Kredite der Afrikanischen Entwicklungsbank, des Instituto de Credito Official (Spanien) und Eigenkapital des staatlich-marokkanischen Versorgungsunternehmens Office National de l’Electricité (ONE).

Das Hybridkraftwerk, dessen Planung und Projektabwicklung durch die deutsche Fichtner Solar erfolgt, besteht aus zwei Gas- und einer Dampfturbine, die ihr Gas aus Algerien bekommen. Das Solarfeld aus 224 Parabolrinnen-Kollektoren hat eine Fläche von über 183.000 m2 und soll im Jahr etwa 40 GWh Strom produzieren.

Die marokkanische Regierung hatte im November 2009 einen nationalen Solarplan ausgerufen, dem zufolge bis 2020 eine Produktionskapazität von zusätzlichen 2.000 MW Solarstrom geschaffen werden soll. Hierfür wird eine marokkanische Agentur für Solare Energiesysteme gegründet. Die erste Anlage dieses Plans, ein 500 MW Solarkraftwerk in Ouarzazate, soll bis 2014/2015 verwirklicht werden. Sie bildet einen integralen Bestandteil des solaren Erweiterungs- und Investitionsplans für solarthermische Anlagen im Nahen Ostens und Nordafrika, für den der Clean Technology Fund im Dezember 2009 eine Summe von 750 Mio. $ genehmigt hat. Allerdings ist aus diesem Sektor bislang noch nichts über Hybridkraftwerke zu hören. Die weiteren Pläne Marokkos sind eine 400 MW Solaranlage in der Nähe von Ain Beni Mathar plant (bis 2016), eine 500 MW Anlage in Foum Al Ouad (bis 2017), eine weitere 500 MW Anlage in Boujdour (bis 2018) und eine 100 MW Anlage in Sebkhat Tah (bis 2019). Über diese Anlagen berichte ich im Kapitel über Solare Hochtemperatursysteme.

Im Juni 2011 beginnt die Abengoa Solar S.A. mit dem Bau der ersten Solar/Erdgas-Hybridanlage in Mexiko. Das Agua Prieta II Kraftwerk im Bundesstaat Sonora wird in zwei Phasen errichtet, wobei im ersten Schritt 12 MW Parabolrinnen-Kollektoren installiert werden. In der zweiten Phase erhält das Kraftwerk eine Kombination aus zwei Gas- und einer Dampfturbine, einen Wärmetauscher und andere Ausstattungen. Dieser Anlagenteil kommt auf insgesamt 464,4 MW Leistung. Nach den bereits erwähnten Solarhybrid-Kraftwerken in Marokko und Algerien ist dies die dritte Anlage der Abengoa.

Zum Zeitpunkt dieses Updates Mitte 2011 befindet sich auch eine 1 MW Solar/Erdgas-Hybridanlage in Frankreich im Bau. Sie basiert auf der seit 1983 bestehenden 2 MW THEMIS Solarturm-Anlage in Cerdanya (Département Pyrénées-Orientales, nahe der spanischen Grenze im Südwesten des Landes). Die Anlage des Conseil Général des Pyrénées-Orientales, die aus 201 Heliostaten mit einer Gesamtspiegelfläche von 11.800 m2 sowie einem 104 m hohen Turm besteht, wurde damals nur bis 1986 betrieben, da es Probleme mit dem Kühlkreislauf gab – und zu geringe politische und finanzielle Unterstützung. Die 1979 begonnene Konstruktion kostete umgerechnet rund 45 Mio. € und wurde von dem Stromversorger Électricité de France (EDF) durchgeführt.

Solarturm der THEMIS-Anlage

Solarturm der THEMIS-Anlage

Nach einem mehr als 20-jährigen ‚Winterschlaf’ wird die Anlage vom CERN übernommen, die ein Tscherenkow-Teleskop zur Beobachtung von Gammastrahlen installiert, und im Jahr 2004 beginnt das Conseil Général mit dem Wideraufbau der Anlage zur Stromerzeugung, wobei gleichzeitig gemeinsam mit dem Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und Tecsol, einem lokalen Ingenieurbüro, ein Forschungs- und Entwicklungszentrum für Solarenergie aufgebaut wird.

THEMIS besitzt noch immer seine 201 sonnennachgeführten – gegenwärtig allerdings nicht betriebsbereiten – Heliostate, von denen die meisten sogar noch mit Spiegeln ausgestattet sind, während der Solar-Receiver inzwischen Teil einer Ausstellung in der Nähe des Sonnenofens von Odeillo ist (s.d.). Bei drei Reihen von Heliostaten wurden die Spiegel durch Photovoltaik-Zellen ersetzt. Nun soll im Rahmen eines Sanierungsprojekts die Hälfte der Heliostaten repariert werden, um mittels einer Gasturbine an der Spitze des Turms ein erstes, kleines Hybridkraftwerk in Betrieb nehmen zu können, während die andere Hälfte mit Solarzellen versehen wird.

In Planung befindet sich eine ganze Reihe neuer Anlagen. Für das Electric Power Research Centers (MATN) des iranischen Energieministeriums erarbeitet Fichtner Solar eine detaillierte Machbarkeitsstudie für ein 400 MW Solar-Hybrid-Kraftwerk mit 65 MW solarem Anteil in Yazd, und in Kalifornien sind gleich drei Hybridanlagen geplant: eine 107 MW Solar/Biomasse-Anlage in Fresno County (San Joaquin Solar 1&2), eine 62 MW Solar/Erdgas-Anlage in Palmdale (City of Palmdale Hybrid Power Project) sowie eine ebenfalls Solar/Erdgas-Hybridanlage mit 50 MW in Victorville (Victorville 2 Hybrid Power Project).

Im Herbst 2011 startet die Serienfertigung einer autarken, hybriden Stromerzeugungsanlage für den Einsatz in unterversorgten Regionen und Krisengebieten. Der mobile, 20 Fuß große EnergyContainer der in Gießen ansässigen Firma Johannes Hübner ist in erster Linie für Hilfsmannschaften, Rettungs- und Bautrupps gedacht, und das Exemplar Nr. 1 geht als Spende an das Technische Hilfswerk. Zwei Personen können die Anlage innerhalb von einem Tag aufbauen.

Die Energie wird vorwiegend aus Sonnen- und Windkraft erzeugt und von einem smarten Energiemanagement in Verbindung mit einer Batteriebank gesteuert. Die PV-Anlage setzt sich aus 27 monokristallinen Solarmodulen mit zusammen ca. 5 kW zusammen, ebensoviel, wie die Windturbine WESpe leistet (s.d.). Diese ist nicht in all ihre Komponenten zerlegt, sondern die komplette Gondel ist auf einem Wagen befestigt und kann mit ihren 250 kg Gewicht direkt zum Mastende gefahren werden. Nachdem die vier Rotorblätter an die Nabe angebracht und der Mast aus handlichen Segmenten zusammengesetzt ist, werden die Abspannseile befestigt und der 15 m hohe Mast dann innerhalb einer Minute über ein Zugseil und die Seilwinde elektrisch aufgerichtet.

Die Batterie des EnergyContainer besteht aus 24 in Reihe geschalteten 2 V Zellen, wodurch die Gesamtspannung bei 48 V liegt. Bei einer Kapazität von 1.200 Ah kann die Batterie 52 kWh elektrische Energie speichern. Kernstück des Ganzen ist ein bidirektionaler Multikanalwechselrichter, der die Energie sowohl in die Batterie leiten als auch die Gleichspannung aus der Batterie in eine ein- oder dreiphasige Wechselspannung umformen kann. Als Backup ist noch ein Dieselgenerator an Bord. Schätzungen des Herstellers zufolge könnte ein voll ausgestatteter Container eine Hilfsmannschaft monatelang mit Energie versorgen.

Maritime Solarinseln und Habitate


Die Idee der Energie-Inseln geht vermutlich auf den französischen Physiker Jacques-Arsène d’Arsonval (1851 - 1940) zurück, der schon im vorletzten Jahrhundert die Meeresoberfläche als gigantischen Solarkollektor nutzen wollte. Er ist damit seiner Zeit jedoch viel zu weit voraus und seine Vorschläge werden nicht ernst genommen, geschweige denn umgesetzt.

Verglichen mit dem Bau auf dem Land, bietet das offene Wasser mehr Möglichkeiten für einen nachhaltigen Design-Ansatz. Mit Wasser kann man recht einfach kühlen und heizen, und man kann den Seewind ebenso wie schwimmende Solar-Felder für die Produktion von Energie nutzen.

1989 läßt sich Wolfgang Volkrodt aus Bad Neustadt eine Technologie patentieren, bei der schwimmende, freitragende Solarfolien auf der Meeresoberfläche ausgebracht werden. Dabei ermöglicht ein spezielles Folien-Verlegeschiff innerhalb eines Tages das Ausbringen von Solarfolie mit einer Leistung von 100 MW. Zu den weiteren Vorteilen gehört, daß diese Form von Installation keine aufwendigen Genehmigungsverfahren benötigt, um große Solaranlagen in internationalen Gewässern auszulegen. Volkrodt rechnet vor, daß eine Anlage, deren Tagesproduktion dem eines 1.300 MW Atomkraftwerk entspricht, für etwa 6 Mrd. DM und innerhalb von nur 2 Jahren installiert werden könnte. Salzwasserfeste Solarfolien soll es in Japan bereits geben. Leider wird dieses Projekt nie ernsthaft evaluiert – aktuell ist es immer noch.

Auf der Hannover Messe 1992 stellt die Stahlbaufirma Schneider Werk St. Wendel GmbH & Co. KG das Konzept einer großen Solaranlage auf dem Meer vor, deren Strom zur Wasserstoffgewinnung eingesetzt werden soll. Die Vorteile: keine Grundstückskosten, keine Beschattung, starke Sonneneinstrahlung, veränderlicher Standort sowie eine sichere H2-Speicherung unter der Wasseroberfläche.

Energy Island Grafik

Energy Island (Grafik)

Ein weiteres Konzept maritimer Anlagen bilden die Energie-Inseln mit dem Namen Ile Flottante, die bereits in den 1950er Jahren von Commander Philippe Tailliez von der Französischen Marine, einem engen Mitarbeiter von Jacques Cousteau, vorgeschlagen werden. Die von Dominic Michaelis gegründete Energie-Firma Energy Island Ltd. (früher Solarenergy Ltd.) mit Hauptsitz in London entwickelt dieses Konzept um 2000 weiter und integriert neben Solarzellen und -türmen auch Wellen-, Wind- sowie Meeresströmungs-Kraftwerke.

Anfang 2008 ist das Projekt zwar noch immer auf dem Reißbrett – inzwischen gibt es aber schon viel eindrucksvollere Grafiken und Animationen. Außerdem denkt die Firma darüber nach, neben der Wind- und Solarenergie auch noch die Thermalenergie des Meeres (OTEC) zu nutzen, d.h. die Differenz zwischen dem kalten Tiefenwasser und der warmen Oberfläche.

Das Konzept der Energieinseln ist für den südlichen Raum jedenfalls viel vernünftiger als z.B. reine Windkraft-Offshore-Farmen – weil durch die Diversifikation der genutzten Primärenergien eine wesentlich bessere Versorgungssicherheit gewährleistet wird, und weil die Netzanbindung gleichzeitig von allen Systemen gemeinsam genutzt werden kann. Die Wartung durch qualifizierte Techniker ist so an einem zentralen Ort möglich, und da die Inseln beweglich sind, können sie an optimal ausgewählten Stellen verankert werden.

Eine weitere Version sieht die Erzeugung von Wasserstoff vor, wobei die verschiedenen Energiewandler insgesamt knapp 73 MW pro Insel erzeugen. Um den gegenwärtigen globalen Energieverbrauch decken zu können, wären also rund 53.000 Stück dieser Inseln nötig – die alle zusammen jedoch nur eine Meeresfläche von 111 km2 benötigen würden.

Die Energy Island kooperiert bei ihrem Projekt mit verschiedenen anderen Unternehmen, wie Vega Consulting, Halcrow Group Ltd., Noble Denton Group Ltd., Parsons Brinckerhoff Inc. und der School of Engineering Sciences der University of Southhampton. Außerdem beteiligt man sich (leider erfolglos) am Zayed Future Energy Prize 2011. Es gibt bereits Verhandlungen über eine 20 MW OTEC-Anlage mit der Regierung der Philippinen, umgesetzt wurde bislang jedoch noch nichts.

Unter den vielen Designs des Jahres 2007, die sich mit erneuerbaren Energie befassen, gibt es auch eines, das den Solarinseln zuzuordnen ist. Bei dem Solar Lilies (oder Solar Lily Pads) genannten Entwurf von Peter Richardson und dem schottischen Architekturbüro ZM Architecture handelt es sich um schwimmende, biomimetische Solarpaneele, deren Form Wasserlilien nachempfunden ist.

Ursprünglich für den Fluß Clyde in Glasgow konzipiert, haben die 15 – 45 m durchmessenden, kreisrunden Solar-Lilien aus Stahl und recyceltem Gummi den Vorteil, daß sie den offenen und wenig frequentierten Raum entlang der Wasserstraßen nutzen, um Elektrizität zu erzeugen. Die motorisierten Scheiben mit den Solarzellen drehen sich, um die Sonne den ganzen Tag über verfolgen zu können.

Das Projekt erhält den International Design Award 2008 und erreicht beim Green Dot Award 2008 den zweiten Platz. In den Folgejahren wird das Konzept bei mehreren Ausstellungen gezeigt, z.B. im Smithsonian Museum in New York und auf der Water and Living exhibition in Vilnius. Eine erste Pilotanlage sollte in der Nähe des Glasgow Science Centre zu Wasser gelassen werden, doch die Umsetzung scheint sich verzögert zu haben.

Waterscraper Grafik

Waterscraper (Grafik)

Eines der ersten Designs für bewohnbare, schwimmende Inseln mit touristischer Zielsetzung stammt von dem in London lebenden, deutschen Architekten Mathias Koester. Der Waterscraper erhält beim eVolo Skyscraper Wettbewerb 2007 eine lobende Erwähnung. Bei diesem Entwurf eines Unterwasser-Hochhauses wird das Energiethema noch nicht behandelt – ganz im Gegensatz zu den Designs der folgenden Jahre, bei denen dieses Thema immer wichtiger wird.

Im Mai 2007 unterzeichnet das 1984 gegründete private Forschungs- und Entwicklungszentrum Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) in Alpnach mit der Regierung des Emirates Ras Al Khaimah in den Vereinigten Arabischen Emiraten einen Vertrag zur Entwicklung schwimmender Solar-Inseln, die mit thermischen Solaranlagen bestückt auf Patenten des CSEM basieren. Erfinder der Solarinseln und Chef des CSEM zwischen 1997 und 2009 ist Thomas Hinderling.

Im Rahmen des 5 Mio. $ Projektes der Ras Al Khaimah Investment Authority (RAKIA) soll Solarenergie in Wasserstoff und Elektrizität umgewandelt werden – großflächig und zu sehr niedrigen Kosten. Ein mit thermosolaren Paneelen bestückter kreisförmiger Prototyp mit einem Durchmesser von 100 m wird ab Mitte 2007 in den VAE aufgebaut und getestet. Dieser erste Insel-Prototyp wird auf dem Trockenen konstruiert. Er ‚schwebt’ quasi über dem Wüstenboden und richtet sich drehend der Sonne nach, da ein mit Wasser gefüllter Kanal dem äußeren Ring der Prototyp-Insel erlaubt zu schwimmen. Außerdem beinhaltet der Prototyp bereits ein thermisches Energiereservoir, wodurch er 24 h pro Tag Energie liefern kann.

Die Zielkosten der Anlage sind auf unter 100 $/m2 angesetzt, wobei die mittlere Leistung ca. 100 kW, und die Spitzenleistung sogar 0,5 MW betragen soll. Man rechnet mit einer jährlichen Energieproduktion von rund 1,2 GWh. Zur Reinigung der Flachspiegel der thermischen Fresnel-Konzentrator-Systeme denkt man an die Entwicklung entsprechender Putzroboter. Über diese Konzentratoren und ihre Umsetzungen berichte ich ausführlich in den Kapitelteilen Optimierungs- und Verstärkungstechniken sowie Sonnenfarm (Flachspiegel-Kollektoren). Für die kommerzielle Umsetzung der Solarinseln wird im Oktober 2007 die Firma Nolaris SA in Neuchâtel gegründet.

Solar Islands Prototyp

Solar Islands Prototyp

Im April 2009 gewinnt das Solar Islands Projekt des CSEM einen Honorary National Energy Globe Award der Emirate, sowie den mit 50.000 Franken dotierten Nachhaltigkeitspreis Prix Evenir der schweizerischen Erdöl-Vereinigung. Mit diesem Preis wird seit 2003 jährlich ein Projekt ausgezeichnet, welches die drei Systeme Ökologie, Ökonomie und Soziales langfristig in Einklang bringt.

Der Prototyp in Ras Al Khaimah wird im Sommer 2009 in Betrieb genommen. Dank der ebenen Oberflächenstruktur der Extra Flat Concentrators (EFC) ist der Luftwiderstand klein und die Insel hält relativ starken Winden stand.

Die erste industrielle Solar-Insel mit einem Durchmesser von 500 m sollte eigentlich bereits im Jahr 2010 zu Wasser gelassen werden, während großkommerzielle Inseln mit einem Durchmesser von bis zu 5 km, deren solarthermische Paneele auf einer 20 m hohen und durch Überdruck stabilisierten Membrane installiert sind, ab 2011 gebaut werden sollten. Aufgrund der internationalen Finanzkrise müssen diese Pläne jedoch erst einmal zurückgestellt werden.

In einem Interview im März 2010 berichtet CSEM-Gründer Hinderling, daß die Solarinseln nun im Miniformat auf die Dächer Schweizer Städte kommen und Wasser für Fernwärmenetze aufheizen sollen, und dies schon in einem halben Jahr, wie der Erfinder hofft. Die Minisolarinseln könnten auf Dächern von Einkaufszentren, Krankenhäusern, Industriegebäuden oder großen Wohngebäuden installiert werden, wo sie bis zu 150°C heißes Wasser unter Druck produzieren, das mit Fernwärmesystemen kompatibel ist.

Auch die Idee, Solarinseln gleich noch zu bewohnen, oder umgekehrt, schwimmende Wohninseln mit erneuerbaren Energiequellen zu versorgen, gewinnt zunehmend Freunde. Im April 2008 gründet Patri Friedman, ein Enkel des Wirtschaftwissenschaftlers Milton Friedman, mit einer Förderung in Höhe von 500.000 $ durch den PayPal-Mitgründer und Facebook-Investor Peter Thiel, das Seasteading Institute.

Die in Sunnyvale, Kalifornien, beheimatete Organisation hat das Ziel, experimentelle Ozean-bewohnende Gemeinschaften mit unterschiedlichen sozialen, politischen und juristischen Systemen zu gründen. Man möchte dadurch die Arbeiten von Patri Friedman und Wayne Gramlich fortführen, den Autoren des 2002 veröffentlichten 300-Seiten-Buches ‚Seasteading: A Practical Guide to Homesteading the High Seas’, das es in der Version 1.0a auch Online gibt. Ein langes Kapitel betrifft die unterschiedlichen Möglichkeiten, solche schwimmenden Habitate mit Energie zu versorgen.

Schwimmende Stadt des Seastaeding Institute Grafik

Schwimmende Stadt
des Seastaeding Institute
(Grafik)

Das Institut plant, einen kleinen Prototypen in der San Francisco Bay zu Wasser zu lassen, um schließend eine existierende Offshore-Ölplattform umzubauen, um daraus ein 12.000 Tonnen schweres, aber manövrierfähiges Habitat für bis zu 270 Bewohner zu gestalten. Später sollen sich mehrere dieser See-Habitate zu Strukturen verbinden, die einer kleinen Stadt entsprechen. Bis Ende 2010 sind die Finanzmittel zwar auf 1 Mio. $ angewachsen, über Umsetzungen ist jedoch noch nichts zu hören.

Als Vorläuferprojekte sind die Pläne des französischen Ingenieurs Leon Feoquinos aus Marseilles zu nennen, der 1931 eine riesige schwimmende Stadt zwischen Bordeaux in Frankreich und St. Johns in Neufundland vorschlägt, die damals 2 Mio. $ hätte kosten sollen, sowie der für 5.000 Bewohner gedachte Entwurf Triton City des Visionärs und Architekten Buckminster Fuller aus den 1960er Jahren.

Aber auch im Kleinen gibt es ein Design, welches im Dezember 2008 erstmals in den Blogs erscheint. Tatsächlich dauert es dann auch nicht lange, bis die Fotografin und Bildhauerin Mary Mattingly und ihr Team mit dem Waterpod, einem schwimmenden Öko-Habitat, ein paar Monate später auf Jungfernfahrt im East River gehen (s. Elektro- und Solarschiffe 2008 - 2009). Es handelt sich dabei zwar (nur) um einen umgebauten Kahn, dieser ist jedoch mit diversen neuen Energie-Technologien ausgestattet, wie einer Solaranlage, einer Bank mit Fahrradgeneratoren, einer 1,5 kW Vertikalachsen-Windkraftanlage, muskelbetriebenen Wasserpumpen u.v.m.

Andere kleine Wohnschiffe und Hausboote, die primär mit Sonnenenergie versorgt werden, behandle ich in dem o.g. Kapitel zur elektrischen Mobilität sowie unter Solararchitektur.

Waterpod Grafik

Waterpod (Grafik)

Mitte 2008 erfahre ich erstmals von Arbeiten der japanischen Kyushu University, wo ein Team um Toshiaki Ota ebenfalls eine maritime Energieinsel entwickelt, bei der Photovoltaik-Arrays und Windkraftwerke kombiniert werden sollen. Die geplante 2 km lange und 800 breite Insel-Anlage aus schwimmenden, sechseckigen Einheiten (aus Beton und einem von Ota entwickelten korrosionsbeständigen Leichtmetall) soll mit rund 200.000 PV-Paneelen ausgestattet werden – und den Strom auch selber verbrauchen.

Mit Hochleistungs-LEDs soll nämlich das Meer unterhalb der Anlage ausgeleuchtet werden, um das Algenwachstum anzuregen und dadurch Kohlendioxid aufzunehmen und Fische anzuziehen. Außerdem wird der Strom dazu genutzt, kaltes und mineralreiches Tiefenwasser heraufzupumpen. Auch an die Herstellung von Wasserstoff wird gedacht. Der neue Generator soll in drei Jahren in die Praxis umgesetzt werden, wobei zuerst eine kleine Modellanlage errichtet werden soll – über die ich bislang allerdings nichts finden konnte.

Im Juli 2008 stellt der Architekt Vincent Callebaut ein ebenfalls Lilypad genanntes Konzept vor, das in Zukunft – man denkt an das Jahr 2100Flüchtlingen ein neues Heim bieten soll, deren Länder aufgrund der globalen Erwärmung vom steigenden Meeresspiegel betroffen sind. Die völlig autarken, schwimmenden Null-Emissions-Städte folgen den Prinzipien der Biomimikry und basieren auf der Nutzung verschiedener Energietechnologien wie Solar, Wind, Gezeiten und Biomasse. Die Oberfläche aus Titandioxid soll außerdem CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen und absorbieren.

Jede dieser schwimmenden Städte ist für rund 50.000 Menschen konzipiert, besitzt eine gemischte Landschaft mit einer künstlichen Lagune und soll entweder in der Nähe einer Küste stationiert werden, oder über den Ozean schwimmen, vom Äquator bis zu den nördlichen Meeren und wieder zurück.

Ehemalige Ölplattform Morris Architects Grafik

Oilrig-Resort von
Morris Architects (Grafik)

Auch mit dem Umbau von Ölplattformen, hier allerdings zu weitgehend autonomen Öko-Resorts samt Unterhaltungsbereich und Casino, beschäftigt sich die in Houston beheimatete Architektur- und Design-Firma Morris Architects, die dafür Anfang 2009 den ersten Preis des Hospitality Design Magazine Wettbewerbs gewinnt. Das Konzept sieht vor, eine der 4.000 Ölplattformen im Golf von Mexiko in eine luxuriöse Lebensoase zu verwandeln, die ihre Energie ausschließlich aus erneuerbaren Quellen erzeugt. Die Pläne des Oilrig-Resort sehen eine große Vertikalachsen-Windkraftanlage vor, Sonnenkollektoren, Wellen-Generatoren sowie Wärmepumpen.

Eher wie ein großer Öltropfen sieht der Water Building Resort genannte Entwurf des Architekten Orlando Deurrutia aus Barcelona aus, bei dem es sich um ein inselartiges Luxushotel für flache Gewässer handelt, der allerdings nicht schwimmt. Dafür ist er mit einer Reihe erneuerbarer Energiesysteme ausgestattet, und fast die gesamte Außenhaut besteht aus photovoltaischem Glas.

Wichtigstes Element des im Juni 2009 veröffentlichten Designs ist jedoch, daß das Gebäude mit Hilfe des Solarstroms Luft in Trinkwasser umwandelt, eine Technologie, die zunehmendes Interesse weckt. Hierzu ist die Fassade so konzipiert, daß gegenüber der Licht filternden und mit Solarzellen verkleideten Seite ein gitterförmiges Design für die Belüftung existiert, wobei mit Hilfe eines speziellen Teex Micron-Generators die Luft auch genutzt wird, um frisches Trinkwasser zu produzieren.

Dieser Generator wurde speziell für warmes, feuchtes Klima mit einem idealen Temperaturbereich von 20° bis 40°C und einer Luftfeuchtigkeit von 30 - 95 % entwickelt und ermöglicht es, aus der Seeluft durch Kondensation Wasser zu gewinnen. In das Fundament des Gebäudes sind ein Wassertank, ein Filter-System und eine Entsalzungsanlage für Meerwasser integriert.

Tatsächlich schwimmen, wenn auch fest mit dem Ufer des Mississippi verbunden, soll eine 366 m hohe Megastadt namens NOAH (New Orleans Arcology Habitat), in welcher 40.000 Bewohner ein weitgehend autarkes Leben führen können. Das 2009 vorgestellte riesige Stahlkonstrukt des Architekten E. Kevin Schopfer ruht auf einem Fundament aus einer Matrix extra starker Zement-Zellen, die in einem speziell dafür angelegten Becken schwimmen, das einen Durchmesser von ebenfalls 366 m hat.

NOAH Grafik

NOAH (Grafik)

Auf jedem 30. Stockwerk der drei zusammenlaufenden Türmen befindet sich ein ‚Sky Garden’, es gibt insgesamt 20.000 Wohneinheiten sowie Büros, Geschäfte, Schulen, Kultureinrichtungen, Hotels, Kasinos und vieles mehr. Komplett auf Fußgänger ausgerichtet, sind in dem Bauwerk überall Fahrstühle, Rolltreppen und ähnliche Transportmittel installiert. Trotzdem gibt es auch noch eine Garage mit Platz für 8.000 Autos, da sich viele Amerikaner ohne ihr Fahrzeug nicht wohlfühlen würden.

Mit der Arkologie soll der Wiederaufbau von New Orleans  vorangetrieben und den Bewohnern ein sicheres, bequemes und gesundes Leben geboten werden. Da die Megastruktur als CO2-freie Anlage konzipiert ist, werden erneuerbare Energien wie Wind, Sonne und die Strömungsenergie des Flusses genutzt. Von Schopfer stammt auch das ähnliche, aber wesentlich weniger windschlüpfrige Konzept The BoA (Boston Arcology).

Im August 2009 stellt das polnische Designbüro Formodesign ein Hausboot mit dem pragmatischen Namen House on the Water vor, das in Bezug auf Energie und Trinkwasser völlig autark sein soll, indem es sich mittels seines PV-Daches durch Sonnenergie selbstversorgt. Der nur per Boot erreichbare futuristische, freitragende Entwurf ist für das Mittelmeer entwickelt worden und soll an der nordwestlichen Küste der griechischen Insel Zante verwirklicht werden.

Andere installierte Öko-Features mit dem Ziel einer Reduzierung des Energie- und Wasserverbrauchs sind ein System zu Wasserentsalzung, eine natürliche Belüftung, ein Gezeitenenergie-Systeme sowie eine Anlage zum Wasserrecycling. Hergestellt werden soll das Hausboot aus Beton und Stahl.

Wesentlich einfacher und daher auch in Bezug auf eine Umsetzung realistischer ist ein ähnliches Konzept des Architekten Paul de Ruiter aus Amsterdam, dessen nachhaltiger Entwurf namens Autarc einen schwimmenden, auf drei Seiten vollverglasten Pavillon darstellt, der Platz für Büros oder Ausstellungen mit minimalen Auswirkungen auf die Umwelt bieten soll.

Neben den Photovoltaik-Module, die das gesamte Flachdach des Pavillons bedecken, gibt es an Bord eine Brennstoffzelle, die als Mini-WKK-System dient, sowie eine kleine Windturbine. Zusammen können diese Systeme mehr Leistung erzeugen als das, was der Pavillon tatsächlich verbraucht. Außerdem gibt es eine kleine Einheit zur Wasserstoff-Produktion und -lagerung, welche das bordeigene  Brennstoffzellen-System versorgt, sowie einen Wärmeaustauscher, der die Wasseroberfläche zum Heizen bzw. Kühlen des Pavillons nutzt. Die eingangsseitige Fassade ist mit einer Art zweiten Haut aus einem elastischen Metall überzogen, das mittels seiner eingebetteten LEDs die gesamte Fassade in einen Bildschirm verwandeln kann.

Autarc Grafik

Autarc (Grafik)

Das Entwicklungsteam hat bereits ein verkleinertes Modell gebaut und versammelt nun Partner um sich, um mit einem Autarc in voller Größe eine Tour durch möglichst viele Küstenstädte dieser Welt machen zu können. Neben Deerns Raadgevend Ingenieurs beteiligen sich die Firmen DHV BV, Ballast Nedam, TBI techniek, Wolter & Dros, HVL, Verosol, FacilityLinQ und NEMO an dem Projekt, dessen Umsetzung von De Bouwer & Partners, Hollands größtem Bau-Unternehmen, vorangetrieben wird. Im November 2009 werden die ersten Verträge für den Bau des solaren Schwimmpavillons unterzeichnet und man plant, diesen Mitte 2010 am NEMO Science-Center in Amsterdam anzudocken. Das Projekt wird durch Bouwend Nederland (niederländischer Verband für Konstruktion und Infrastruktur) sowie das Ministerium für Wohnungswesen, Raumordnung und Umwelt unterstützt.

Leider gibt es Anfang des Jahres jedoch Streit um Beteiligungsrechte, worauf die geschäftliche Partnerschaft zwischen De Bouwer & Partners und Ballast Nedam im März 2010 beendet wird. Das Konsortium versucht daraufhin die weitere Finanzierung zu sichern und einen Ersatz-Hersteller zu finden. Die Inbetriebnahme wird erst einmal auf das Frühjahr 2011 verschoben, was dann allerdings auch nicht verwirklicht werden kann.

Über die australische Sunengy Pty Ltd. und die israelische Solaris Synergy Ltd., die an kleinen CPV-Systemen arbeiten, das ebenfalls auf dem Wasser schwimmen, berichte ich im Kapitelteil Concentrating Photovoltaic (CPV) Anlagen.

Meldungen Anfang 2010 zufolge will sich nun auch die israelische Firma Sunday Naturpower mit schwimmenden Solarzellen-Paneelen beschäftigen. Es sind zwar keine maritimen Solar-Inseln – mit denen sich zwischenzeitlich kaum mehr jemand zu beschäftigen scheint –, aber wenigstens werden hier einige Demonstrationsprojekte gestartet, die sich später hochskalieren und dann auch auf offener See einsetzen ließen.

Das 2007 gegründete Unternehmen bereitet die Installation einer 5 MW PV-Anlage auf einem Wasser-Reservoir im Kibbuz Zeelim in der Negev-Wüste vor. Das bereits genehmigte Projekt soll ca. 30 Mio. $ kosten. Die Technologie der schwimmenden PV-Anlage soll zum einen die Paneele kühlen und dadurch die Stromerzeugung optimieren, und zum anderen die Verdunstung in den glühend heißen Sommermonaten reduzieren. Bislang konnte ich noch nichts von einer Realisierung des Projekts finden.

Das Design eines ‚Unterwasser-Wolkenkratzers’ wird im Januar 2010 vorgestellt. Der autarke Undersea Scraper stammt von den spanischen Architekten Higinio Llames und Ifigeneia Arvaniti und soll seine Energie ausschließlich aus erneuerbaren Quellen erzeugen, um es seinen Bewohnern zu ermöglichen, als unabhängige Gemeinde zu leben.

Die aus dem Wasser ragende Kuppel erzeugt Energie mit Photovoltaik-Paneelen und Windkraftanlagen, während die Haut des Tauchgebäudes (auf eine leider nicht genauer erklärte Art und Weise) in der Lage sei, mit der Umgebung dergestalt zu interagieren, daß sie als Gezeiten- bzw. Strömungskraftwerk nutzbar ist.

Im Februar 2010 wird das schwimmende Informationszentrum der Internationalen Bauausstellung (IBA) in Hamburg in Betrieb genommen. Mit dem IBA-Dock am Müggenburger Zollhafen, gegenüber dem Auswanderermuseum BallinStadt, ist Deutschlands bislang größtes schwimmendes Ausstellungs- und Bürogebäude entstanden.

IBA-Dock Schnittmodell

IBA-Dock (Schnittmodell)

Das hochmoderne Gebäude, das wie ein Stapel bunter Container auf einem Ponton wirkt, ist mit einem ausgeklügelten Energiekonzept der Firma Immosolar GmbH ausgestattet, das Solarzellen, eine 34 m2 große solarthermische Anlage, einen Wärmetauscher, eine Wärmepumpe und mehrere Pufferspeicher integriert. Damit soll das schwimmende Gebäude weitgehend ohne fossile Energiequellen auskommen. Hauptwärmequelle ist das Elbwasser, dem ein Rohrsystem, das in die untere Wand des Pontons eingegossen ist, mit dem darin kursierenden Wasser-Glykol-Gemisch Wärme entzieht.

Das Gebäude ruht auf einem 50 m langen und 26 m breiten Beton-Ponton, die Aufbauten sind in Modulbauweise aus Stahl gefertigt. Der Hannoveraner Architekt Han Slawik, der den Bau entworfen hat, betrachtet schwimmende Häuser als erste Antwort auf den prophezeiten Klimawandel und steigende Meeresspiegel.

Das Projekt der schwimmenden Malediven (Floating States of Maldives) von William Fong, Joshua Loke und Livee Ta bekommt im März 2010 einiges an Presse. Das Team beteiligt sich damit an der Skyscraper Competition 2010, um einen Rettungsplan für rund 400.000 Einwohner des aus 1.200 Einzelinseln bestehenden Archipels vorzuschlagen, die sich im Durchschnitt nur 150 cm oberhalb des Meeresspiegels befinden und daher als erste vom steigenden Wasser überspült werden dürften. Das Konzept gehört zu den Finalisten des Wettbewerbs.

Die einzelnen Elemente des schwimmenden Staates bestehen aus knospenartigen Hochbauten, die sich inmitten einer künstlichen Lagune bis zu 1.000 m hoch in den Himmel recken, während der Kiel gleichzeitig bis in 1.000 m Wassertiefe reicht. Leider wird über die Art der ins Auge gefaßten Energieversorgung nichts gesagt.

Greenstar Grafik

Greenstar (Grafik)

Ein ähnliches Rettungskonzept bildet der Vorschlag des niederländischen Designbüros Waterstudio, das eine schwimmende Insel in Form eines Seesterns entworfen hat - Greenstar genannt. Die Insel ist mit einem 800-Zimmer-Hotel, einem Konferenzzentrum mit 2.000 Sitzen, einem Golfplatz, Wohnappartements und anderem mehr ausgestattet, voller grüner Dachflächen, Pools und künstlicher Sandstrände.

Die Inseln sollen in Zusammenarbeit mit der 2005 gegründeten Firma Dutch Docklands von Paul H.T.M. van de Camp und Koen Olthuis verwirklicht werden, die für die Malediven einen Masterplan mit diversen weiteren schwimmenden Inseln wie White Lagoon, Amillarah, Royal Indian Ocean Club oder Maldivian Yacht Club entwickelt haben. Eine entsprechende Vereinbarung wird im März 2010 unterzeichnet. Auch hier ist bislang noch nichts über die geplante Energieversorgung zu hören.

Olthuis arbeitet auch an dem Projekt eines schwimmenden Hafens für Dubai, den man in gewisser Weise ebenfalls als Solarinsel bezeichnen kann. Das dreieckige Gebilde mit einer Seitenlänge von 700 m, dessen eine Ecke hochgebogen ist, soll seine gesamte Energie aus seinem Solarzellen-Überzug gewinnen.

Im Mai 2010 veröffentlicht eines der größten japanischen Unternehmen, die Shimizu Corp., eine Reihen von Projektkonzepten unter dem Motto ‚Dreams’, zu denen auch eine sehr professionell durchgeplante schwimmende Stadt gehört, wie sie in dieser Größe sonst noch niemand angedacht hat. Das Projekt Green Float soll ab 2025 als ‚botanische Stadt’ ein urbanes Leben in Harmonie mit der Natur und als Teil eines Ökosystems ermöglichen. Sogar Wälder sind eingeplant. Durchgeführt wird die Projektierung in Kooperation mit der Super Collaborative Graduate School, und gefördert wird sie von dem japanischen Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technik sowie Nomura Securities.

Keimzelle ist eine Konstruktion, die wie eine Wasserrose auf dem Meer schwimmt – am besten im Pazifischen Ozean auf Höhe des Äquators, wo Sonnenlicht reichlich vorhanden und die Bedrohung durch Taifune minimal ist. Jede einzelne der gewaltigen Insellandschaften umschließt einen etwa 1.000 m hohen Turm für 30.000 Einwohner, während weitere 10.0000 Menschen in flachen Gebäuden und in unmittelbarer Nähe zu Stränden und Lagunen leben. Eine Zelle – eine schwimmende Insel – hat am Fuß einen Durchmesser von 3 km, und der Zentralturm beherbergt neben der üblichen städtischen Infrastruktur auch neue Industrieformen, die Natur und Technologie vereinen, ebenso wie Raum für Pflanzenanbau (vertical farming). Die Zellen sollen sich zu Modulen mit einer Einwohnerzahl von 100.000 Menschen verbinden und schlußendlich Einheiten mit einer Million Einwohner bilden.

Auch technisch orientiert sich die Stadt an der Pflanzenwelt, und durch Maßnahmen wie die Vermeidung von Verkehr, das Reduzieren des Energieverbrauchs und den Einsatz erneuerbarer Energien (Sonne, Wind, OTEC u.a.) könnte sogar eine positive CO2-Bilanz erreicht werden. Jede Insel ist ein in sich geschlossenes System: Nahrungsmittel werden zu 100 % auf der Insel erzeugt, während der anfallende Abfall kompostiert oder zur Energieerzeugung genutzt wird.

hO2+ scraper Grafik

hO2+ scraper (Grafik)

Ein ähnlich ambitioniertes Design, allerdings nicht ganz so groß, sind die hO2+ scraper des Architekturbüros BDA Building Design Art von Sarly Adre Bin Sarkum aus Malaysia, schwimmende Hochhäuser, die zum großen Teil unter Wasser angesiedelt sind. Die autonomen Einheiten aus bewohnbarem, funktionalem und selbstversorgendem Lebensraum erzeugen ihre eigene Energie mittels Solararrays, Windgeneratoren, Wellen, Strömung, Biomasse etc., sowie ihre eigene Nahrung durch Ackerbau, Aquakultur und Pflanzen in Hydrokultur. Große biolumineszente Tentakel bieten der Meeresfauna einen Raum zum Zusammenleben, während durch ihre kinetische Bewegung zusätzliche Energie gewonnen wird. Das Design ist ein Beitrag für den eVoIo Skyscraper Wettbewerb 2010 und erhält eine lobende Erwähnung.

A.O.C.A – Environmental Design / Zigloo aus dem kanadischen Victoria B.C. stellt wiederum ein Konzept namens Gyre-Seascraper vor, bei dem es sich um ein großes, kreuzförmiges Habitat für die offene See handelt, das in erster Linie für den Öko-Tourismus gedacht ist und bis zu 400 m tief ins Wasser reicht. Sein Design ermöglicht die gleichzeitige Anwendung von Solar-, Wind- und Gezeitenenergie.

Den inneren Kern des Designs bildet eine Spirale mit einer Doppelhülle aus verstärktem Glas, wobei die konzentrisch angelegten Etagen Ringe mit Wohnflächen von 30.000 m2 bis 600 m2 bilden. Die Bruttogeschoßfläche der gesamten Struktur beträgt ca. 212.000 m2, während die vier radial auseinanderstrebenden Arme an der Wasseroberfläche über eine Fußgängerzone und ein darunter liegende Transportsystem verfügen, um die äußeren Schutzwälle zu erreichen. Diese schaffen einen innen gelegenen Hafen von rund 1,25 km Durchmesser, was den Bedürfnissen der selbst größten Schiffe entspricht, die es gegenwärtig gibt.

Neben der Verwendung von PV-Arrays, semi-transparenten Solar-Fenstern und einer Reihe von Vertikalachsen-Windkraftanlagen wird die elektrische Energie auch durch Gezeiten-Generatoren erzeugt, die wiederum zu Triebwerken zum Bewegen der Wohninsel umgepolt werden können.

Ebenso phantastisch ist das einzigartige Konzept Sub Biosphere 2 des britischen Ingenieurs Phil Pauley, der ein nachhaltiges Unterwasser-Habitat aus mehreren Kugeln für Aquanauten, Touristen und Wissenschaftler entwirft, das innerhalb einer Art Lastenaufzug von der Meeresoberfläche in die Tiefe bzw. wieder hoch fahren kann. Bei einem Gesamtdurchmesser der Anlage von 340 m hat die zentrale Hauptkugel einen Durchmesser von 120 m, während die acht Einzelkugeln einen Durchmesser von jeweils 60 m haben. An der Spitze befindet sich eine Observationskugel mit 20 m Durchmesser.

Sub Biosphere 2 Grafik

Sub Biosphere 2 (Grafik)

Wesentliches Element des Designs sind autonome und selbstversorgende lebenserhaltende Systeme für Luft, Wasser, Lebensmittel, Strom und andere Ressourcen. Außerdem soll die Konstruktion als sichere Unterwasser-Samenbank genutzt werden.

Das Australian Institute for Landscape Architects schreibt 2010 den Sea Change 2030 Wettbewerb aus, bei dem es um innovative Ideen für die urbanen Planung, Gestaltung und Verwaltung der Anpassung an den Meeresspiegel-Anstieg geht.

Einen der drei ersten Preise gewinnt das zehnköpfige Team OCULUS aus Sydney mit dem Konzept einer schwimmenden Botschaft der ertrunkenen Nationen (Embassy of the Drowned Nations). Mit der Mini-Stadt, die auch ein Klimawandel-Institut und ein Forschungszentrum beinhaltet, soll allerdings kein Klagelied auf eine verlorene Vergangenheit angestimmt, sondern das Engagement für eine bessere Zukunft und die menschliche Anpassung an den globalen Wandel symbolisiert werden.

An den Stil der inzwischen weltberühmten irakischen Architektin Zaha Hadid erinnert das Design eines schwimmenden Meeresforschungs-Instituts, dessen Form von Tsunami-Wellen inspiriert sein will. Der für Bali, Indonesien, gedachte Entwurf der Firma solus4 aus Kittery im US-Bundesstaat Maine, erscheint im Oktober 2010 in den Blogs und ist ebenfalls Ergebnis eines internationalen Wettbewerbs.

Meeresforschungsinstitut von solus4 Grafik

Meeresforschungsinstitut
von solus4 (Grafik)

Das extrem energieeffiziente Institut mit einer Nutzfläche von 2.500 m2 soll rund 150 m vor der Küste von Kuta Beach verankert werden. Zu den vorhandenen Räumlichkeiten gehören Unterwasser-Labors, Wissenschaftler-Wohnungen, ein Auditorium, ein Meerwasser-Pool, eine aquatischer Garten und vieles mehr.

Auch auf dem Energiesektor soll das Design ein modernes und nachhaltiges Modell mit internationaler Strahlkraft bilden, da hier Energieträger wie passive Sonnenenergie und Wellenkraft eingesetzt werden, zusätzlich zu einem natürlichen Belüftungssystem, einer Regenwasser-Sammelanlage, Isolierglas und hochreflektierende Glasfasermaterialien.

Daß sich auch russische Designer mit dem Thema des Klimawandels und der steigenden Pegel der Weltmeere beschäftigen, beweist das Büro Remistudio von Alexander Remizov aus Moskau. Hier wird ein bogenförmiges, futuristisches schwimmendes Hotel namens The Ark konzipiert, dessen bioklimatischer Entwurf auf unabhängigen, lebenserhaltenden Systemen beruht, deren Elemente einen geschlossen funktionierenden Zyklus gewährleisten.

Eine künftige Umsetzung des Konzepts, für die der Architekt mit einem deutschen Design- und Ingenieur-Unternehmen zusammentut, wird durch die Struktur aus vorfabrizierten Elementen erleichtert, die sich schnell und einfach zu neuen Archen montieren lassen. Die runde Form mit einer Grundfläche von 2.900 m2 und einer Gesamtnutzfläche von 14.000 m2 entsteht durch aufgespannte hölzerne Bögen, die durch eine selbstreinigende Folie abgedeckt und von Stahlseilen gehalten wird.

Zur Energieversorgung sind an der Dachhülle große PV-Arrays und Sonnenkollektoren angebracht, der Wärmegehalt des Wassers sowie die innere Abwärme sollen genutzt werden, und im zentralen Teil ist sogar ein Augmentor-System geplant, eine Art künstlicher Tornado, der durch seitlich hineinblasenden Wind angefacht wird (s.d.). Am oberen Ende der Hohlsäule sind Windgeneratoren und Wärmepumpen installiert, und am unterem Ende wird die Solar-, Wind- und thermische Energie gespeichert und in Elektrizität umgewandelt. Die Technik wird von dem Moskauer Wissenschaftler Lew Britwin konzipiert, der auch schon energiesparende Lösungen für Raumstationen entwickelt hat.

Harvest City Grafik

Harvest City (Grafik)

Aus der Zusammenarbeit des Bostoner Architekten und Designer E. Kevin Schopfer und der Visualisierungsfirma Tangram 3DS entsteht Ende 2010 das Konzept Harvest City, bei dem es sich um eine schwimmende Stadt mit Landwirtschaft und Leichtindustrie handelt, die vor der Küste Haiti cruisen soll. Das 3,2 km durchmessende Meereshabitat besteht aus diversen miteinander verbundenen schwimmenden Modulen und ist mit Solardächern sowie verschiedenen Windkraftanlagen ausgestattet.

Auch 2011 werden in den Fachblogs weitere interessante Konzepte veröffentlicht, die über die Grenzen einzelner maritimer Solarinseln weit hinausgehen.

Mit einem Konzept für Haiti tut sich der Architekt Vincent Callebaut hervor, von dem im Buch der Synergie schon viele verschiedene Entwürfe vorgestellt werden, die erneuerbare Energien explizit mit einbeziehen. Diesmal handelt es sich um das Coral Reef Project, das Opfern des Erdbebens in Haiti Rehabilitation, Schutz und ein nachhaltiges Ökosystem für die lokale Flora und Fauna bieten soll. Ähnlich wie Korallen aufeinander wachsen, sollen hier schachtelähnliche Wohneinheiten in konvexen und konkaven Kurven gestapelt werden, um ein nachhaltiges grünes Dorf in Form einer doppelten Welle zu bilden, in der 1.000 Familien leben.

Zwischen diesen Wellen gibt es Grünflächen und Gärten zum Nahrungsanbau, Aquakultur-Farmen und Grauwasser-Recycling-Anlagen, während zur Stromversorgung Photovoltaik-Paneele und Vertikalachsen-Windkraftanlagen eingesetzt werden. Auch die Nutzung von Meeresströmungen, Gezeitenenergie und thermischer Meeresenergie sind realistische Optionen. Bei dem Projekt handelt es sich allerdings nicht um ein schwimmendes Habitat, da der Architekt als Fundament einen künstlichen Pier auf erdbebensicheren Pfählen vorschlägt.

Lady Landfill Skyscraper Grafik

Lady Landfill Skyscraper
(Grafik)

Im Meer schwimmen werden dagegen große stählerne Strukturen, die wie umgedrehte Eifeltürme aussehen, falls das Konzept Lady Landfill Skyscraper der Designer Milorad Vidojević, Jelena Pucarević und Milica Pihler aus Serbien verwirklicht wird. Ihr Beitrag zum eVolo Skyscraper Wettbewerb 2011, der eine lobende Erwähnung erhält, ist ein riesiger Unterwasser-Wolkenkratzer, der Plastikabfälle sammeln und als Energiequelle recyceln soll, um die verschmutzten Meere zu reinigen. Während im unteren Teil des Turmes die Kunststoffabfälle gesammelt und deponiert werden, bis im mittleren Abschnitt ihre Wiederverwertung erfolgt, gibt es oberhalb der Recyclinganlagen Büro- und Wohnflächen, die über das Wasser blicken.

Ebenfalls eine lobende Erwähnung erhält der Beitrag von YoungWan Kim, SueHwan Kwun, JunYoung Park, JoongHa Park aus Südkorea, der sich mit der Umwidmung alter Ölplattformen befaßt – nicht als erster, aber mit einem sehr sinnvollen und ästhetischen Ansatz. Die in der ganzen Welt verteilten Plattformen sollen nämlich in nachhaltige ‚Seascraper’ verwandelt werden, die Süßwasser produzieren und speichern.

Die vorhandenen Rohre sollen genutzt werden, um Wasser in kugelförmige Behälter zu pumpen, die an der Haupt-Struktur angebracht sind, und wo durch eine Reihe von Destillationsverfahren – möglicherweise unter Einsatz von Sonnenenergie – frisches Wasser produziert wird. Dieses soll dann in bedürftige Länder transportiert werden. Eine der Plattformen wird auch eine Forschungseinrichtung und Wohnungen für Techniker enthalten, sowie Grünflächen als Erholungsbereiche und Kleinfarmen.

Dietmar Koering aus Delbrück, Chef des Designbüros Arphenotype und Architekturprofessor in London, ist für seine futuristischen Designs und organische Formen bekannt. Im April 2011 stellen einige Fachblogs sein Konzept Floating Permaculture vor, ein synergetisches Design vieler grüner Technologien, das als Lösung für die unvermeidliche Verknappung der fossilen Brennstoffe und dessen Auswirkungen auf Lebensmittel dienen soll. Ermöglicht wird die autarke und auf Kreislaufsystemen basierende Konzeption durch ein Stipendium der Bakema Stiftung und die Zusammenarbeit mit dem Niederländischen Architektur-Institut.

Floating Permaculture Grafik

Floating Permaculture
(Grafik)

Koerings schwimmende Permakultur bildet ein radikales und futuristisches System, das in der Nordsee zum Einsatz kommen soll. Abwasser und Regenwasser werden entweder durch eine Algenfarm mit anschließendem Bioreaktor oder durch ein Filter-System mit Zebramuscheln gereinigt und wiederverwertet, wobei die Zebramuschel auch als Nahrung für Fische und Hühner dienen können, die auf den Schwimminseln gezogen werden. Die Exkremente der Fische und anderer Tiere düngen die Reisfelder, von denen sich wiederum die Hühner ernähren, zusammen mit dem Überschuß an Algen aus dem Wasser-Reinigungssystem.

Die Farmen mit mehreren Ebenen beziehen ihre Energie mittels Solar-Receivern, Windturbinen und Wellenenergie-Generatoren ausschließlich aus erneuerbaren Ressourcen. Bei hoher Last gibt es zur Unterstützung Wasserstoff-Brennstoffzellen an Bord.

Die bislang größte solarbetriebene (und tatsächlich schon schwimmende!) Insel der Welt ist das Floating Island Projekt der Firma SMG auf dem Fluß Han (Hangang) in Seoul, Südkorea. Es besteht aus drei Inselteilen, von denen das erste im Mai 2011 eröffnet wird, während die restlichen zwei im darauffolgenden September in Betrieb gehen werden. Die Kosten der zusammen über 20.000 m2 großen Inseln, in deren dreistöckigem Hauptteil (Viva) sich ein Kongreßzentrum mit 700 Sitzen, ein Restaurant und Arkaden befinden, betragen knapp 84 Mio. $. Die installierten 54 m2 Solarpaneele erzeugen 6 kW.

Die zweite Insel (Vista) wird ein Zentrum für Kunst- und Kulturveranstaltungen, dessen Gewicht von rund 2.000 Tonnen von 24 großen Luftsäcken über Wasser gehalten wird. Die Gesamttragfähigkeit beträgt 6.400 Tonnen. Die dritte Insel (Tera) ist wassersportlichen Aktivitäten vorbehalten.

Im Mai stellen Eric Tan und Leon Lai vom Designbüro PinkCloud.DK mit ihrem Konzept INFLATABLE eine weitere Form von Solarinsel vor, die zwar für nur einen ganz bestimmten Zweck gebaut werden soll, und einige ziemlich einzigartige Technologien aufweist. Sie gewinnen damit den 2. Platz bei dem DawnTown Miami Floating Stage 2011 Wettbewerb (obwohl sie den 1. verdient hätten), bei dem es darum geht, das verlassene Miami Marine Stadium am Virginia Key Basin als Veranstaltungsort und Symbol der Stadt neu zu beleben. Das Miami Marine Stadium war von Hilario Candela entworfen und im Jahr 1963 gebaut, später jedoch aufgegeben und seitdem durch Vandalismus stark zerstört worden.

INFLATABLE Grafik

INFLATABLE (Grafik)

Das Konzept des jungen Teams erfüllt die drei Bedingungen des Wettbewerbs. Die Lösung muß erstens einfach aufzubauen und zu bewegen sein, zweitens billig genug, um die Steuerzahler zu überzeugen, und drittens durch eine einzigartige Identität Aufmerksamkeit erregen.

Die mobile, pneumatische Architektur INFLATABLE besteht aus einem großen, mit Helium befüllten Diskus von 85,5 m Spannweite, der über sechs Ankerkabel mit einer schwimmenden Bühne verbunden ist, die überall in der Marina plaziert werden kann und durch ihre Flexibilität Konfigurationen für eine Vielzahl von Veranstaltungen und Aufführungen erlaubt. Der schwebende Diskus bietet auch Schatten bzw. Regenschutz für die Bühne. Dünnschicht- PV-Module auf der Oberseite der aufblasbaren Scheibe versorgen die Bühne mit Strom, darunter auch die in die Scheibe integrierten Leuchtröhren, die diffuses, natürliches Tageslicht auf die Bühne werfen, sowie LED-Spots als zusätzliche Beleuchtung.

Ein ganzes schwimmendes Offshore-Stadion für den FIFA World Cup 2022 und weitere internationale Turniere in Katar entwirft die Firma stadiumconcept design consulting aus Düsseldorf. Das im Mai 2011 präsentierte Projekt mit 65.000 Sitzplätzen ist ein mobiles, nachhaltiges Gesamtkonzept mit ökologischer und effizienter Energieversorgung, zu der Sonne, Wind und Wasserkraft beitragen soll. Im Fall einer Auftragserteilung ist die Fertigstellung für 2019 geplant.

Etwas kleiner sind die Sunny Water Lillies des Architekten Winy Maas von Why Factory und einer Forschungsgruppe der Technischen Universität Delft in den Niederlanden. Die auf Schwimminseln plazierten Sonnenkollektoren, die ein wenig an Lilien erinnern, sollen dem Image entgegenwirken, daß Sonnenfarmen das Landschaftsbild bzw. die Schönheit der Natur zerstören.

Als Einsatzort der Riesenblumen sind die thailändische Stadt Phuket sowie Wasserflächen zwischen verschienen Pazifik-Inseln vorgesehen, wo sie sauberen Strom erzeugen und zusätzlichen Raum für Attraktionen bieten sollen. Kleine Schiffe dienen als Verkehrsmittel zwischen den Blumen-Kollektoren; sinnvollerweise sollten dies ebenfalls Solarschiffe sein. Auf den Solarinseln sind Einkaufs- und Sightseeingmöglichkeiten und sogar Hotels denkbar. Den Designern zufolge hätten sich schon Interessenten aus Australien, China, Indien, Korea, Taiwan, Thailand und den Arabischen Emiraten gemeldet.

Die letzten beiden Einträge vor Abschluß des Updates Mitte 2011 haben ähnliche Namen. Das Projekt Seatropolis des Designers Andrew Bowen aus Tempe, Arizona, ist als Mega-Refugium für eine dystopische Zukunft konzipiert, in der die Welt durch langfristige Auswirkungen der globalen Erwärmung von Überschwemmungen gebeutelt ist, und der einzig mögliche Fluchtweg für die menschlichen Zivilisation ein Leben auf offener See ist.

Seatropolis Grafik

Seatropolis (Grafik)

Die organische, teilweise unter Wasser befindliche Struktur, erhält durch knollenartige Oberlichter natürliches Sonnenlicht, und es gibt einen inneren Teich, der mit einer Fischfarm verbunden ist. Dieser soll zusammen mit Hydrokulturen zur Erzeugung von Nahrungsmitteln genutzt werden. Die Versorgung mit sauberem Wasser erfolgt über Entsalzungs-Systeme. Die Erzeugung erneuerbarer Energie soll durch photovoltaisches Glas, ein Wellenenergie- sowie ein OTEC-System erfolgen.

Das Konzept Wetropolis (A Post Diluvian Future) wiederum stammt von der Architekturfirma S+PBA aus Bangkok. Es bildet den Plan einer sich selbst erhaltenden schwimmenden Stadt, die trotz der steigenden Fluten gedeihen und die verschmutzten Gewässer der Region sogar noch entgiften kann.

Daß man sich gerade in Bangkok intensiv mit diesem Thema beschäftigt, ist naheliegend, denn die Stadt sinkt pro Jahr etwa um 10 cm ab, da ihr Untergrund zunehmend vom Hochwasser des Meeres erodiert wird. Gebaut wurde sie vor 300 Jahren auf sumpfigem Land, und die explodierende Bevölkerung und Entwicklung der Stadt haben die unterirdischen Grundwasserleiter dermaßen ausgeschöpft, daß sie nun nicht mehr in der Lage sind dem Druck des Meerwassers zu widerstehen. Außerdem ist diStadt von Feldern aus verschmutztem Wasser umgeben, die von der einst prosperierenden Garnelenfarm-Industrie zurückgelassen worden sind. Einer UN-Studie zufolge wird ein Großteil der Stadt bis zum Jahr 2050 wieder zu Sümpfen werden.

e Doch Bangkok ist schon immer von Meerwasser überspült worden, und deshalb schlagen die Architekten vor, dies als eine Konstante zu akzeptieren, zu lernen damit umzugehen und eine Flut nicht als Krise zu betrachten.

Die Grundlage von Wetropolis ist ein Wald aus indigenen Mangroven, die die Regierung in Bangkok bereits anzupflanzen versucht. Die Mangroven filtern das Wasser auf natürliche Weise, liefern frischen Sauerstoff und sorgen für eine natürliche Kühlung. In dem gefilterten Wasser kann eine nachhaltige Garnelenzucht betrieben werden. Die Gemeinde selbst lebt über den Wasserfeldern in einem Netzwerk miteinander verbundener Häuser, Gehwege und Straßen, deren geschwungene Linien das Plätschern der Wasserwellen unterhalb der Bauwerke widerspiegeln. Über die Energieversorgung lassen sich die Entwickler nicht aus, es ist jedoch naheliegend, diese mittels erneuerbaren Ressourcen zu gewährleisten. Auf den Grafiken sind jedenfalls schwimmende Solarfelder zu sehen.

Da dieses Projekt zu den Exponaten der Ausstellung ‚Water: Curse or Blessing’ der AEDES Galerie in Berlin gehört, die dort im September und Oktober 2011 gezeigt wird, werde ich mich diesbezüglich persönlich schlau machen... und dann hier weiter darüber berichten.

Satellitenkraftwerke


Die Idee, Solarzellen-Satelliten in eine Erdumlaufbahn zu befördern, von der aus sie umgewandelte Sonnenenergie in Form von Mikrowellenstrahlen auf die Erdoberfläche senden, geht wohl auf den amerikanischen Physiker Peter E. Glaser zurück, mehrjähriger Vizepräsident der Beraterfirma Arthur D. Little Inc. in Boston, der den Grundgedanken dazu bereits 1965 formuliert. Im Jahre 1968 beginnt er mit seinem Versuch, die Industrie davon zu überzeugen. Die Motivation hierfür ist in der Sachlage begründet, daß die Intensität der Sonnenenergie im Raum außerhalb der Erdatmosphäre 1.360 W/m2 beträgt, im Vergleich zu einem Höchstbetrag von 960 W/m2, je nach Winkel, auf der Erdoberfläche.

Möglicherweise hatte sich Glaser mit dieser Idee bei dem deutschen Raumfahrtpionier Hermann Oberth ‚angesteckt’, der bereits 1929 von derartigen Energiestationen im All spricht!

Meines Wissens wird auch während der großen 2. Weltkraft-Conferenz mit bis zu 5.000 Teilnehmern im Juni 1930 in Berlin über Solarsatelliten gesprochen - möglicherweise jedoch nur informell, unter Anwesenheit von H. Obert, A. Einstein, I. Meitner, O. Hahn und vielen anderen. Ich werde versuchen, dies noch zu verifizieren.

Immerhin sitzt man 1945 in der Heeresversuchsstelle Hillersleben, in der Colbitz-Letzlinger-Heide, unweit von Magdeburg (wo auch sogenannte Wunderwaffen wie die ‚Dora’ getestet werden), an Plänen für einen Solarsatelliten, dessen Strahlen für Kriegszwecke eingesetzt werden sollen. Dies berichten jedenfalls die New York Times (28.06.1945) sowie das US-Magazin Time (09.07.1945). Das ‚Sonnengewehr’ – wohl eher eine Sonnenkanone – sollte aus einer Flughöhe von 8.200 km in der Lage sein, mit einem Blitz eine Stadt in Brand zu setzen. Eine Realisierung soll damals „in 50 bis 100 Jahren“ möglich gewesen sein.

Solarenergie-Satellit Grafik

Solarenergie-Satellit (Grafik)

Von der US-Regierung werden in den 1970ern 25 Mio. $ für eine dreijährige Untersuchung zur Feststellung der technischen Machbarkeit und des wirtschaftlichen Nutzens des SPS-Pojekts bereitgestellt (Solar Power Satellite). Andere inzwischen gängige Begriffe für diese Technologie lauten Space Solar Power (SSP) oder Powersats.

Glaser erkennt auch eine wichtige Möglichkeit zur Kosteneinsparung beim Transport in den Orbit: Wenn die Montage auf einem kostengünstiger zu erreichenden niedrigen Orbit erfolgen würde, könne sich die ganze Station nach Vollendung mit eigener Kraft mittels eines kleinen Ionentriebwerks auf eine höhere und längerfristige Umlaufbahn hieven. Die Shuttlekosten zu einem Low-Orbit lagen damals bei 5.000 $ pro Kilogramm, während der Transport zum eigentlichen Zielort im High-Orbit mindestens das fünffache gekostet hätte.

Eine kurz darauf erstellte Studie der Universität Illinois sagt allerdings voraus, daß ein derartiger Satellit während seiner Lebensdauer höchstens doppelt so viel Energie zur Erde senden kann, wie zu seiner Herstellung und Implementierung benötigt wurde.

Die Vorschläge, die im Laufe der Jahre vorgelegt werden, gleichen sich in ihrer Systembeschreibung, unabhängig von der jeweiligen Dimensionierung:

Ein Solarkraft-Satellit umkreist die Erde in 30.000 bis 40.000 km Höhe auf geosynchroner Bahn (d.h. er steht stets am gleichen Punkt über dem Äquator), wobei die ekliptische Neigung dieser Umlaufbahn gegen den Einfallswinkel der Sonnenstrahlung zur Folge hat, daß die bis zu 100 km2 großen Kollektorflächen nie in den Erdschatten geraten. Der Gleichstrom von rund 15 GW, den die Solarzellen erzeugen, wird vom Satelliten in eine Mikrowellenstrahlung von 10 cm transformiert und zur Erdoberfläche gesendet. Die Sende-Richtantenne hat einen Durchmesser von 1.000 m, die Empfangsantenne sogar einen Durchmesser von 7 – 10 km.

In der terristischen Empfangsstation wird der ankommende Mikrowellenstrahl wieder in Wechselstrom umgewandelt und ins öffentliche Netz eingespeist. Angedacht ist z.B. eine Anlage mit 50 km2 und einer sehr großen Anzahl von Dipolantennen, die zusammen etwa 10 GW aufnehmen könnten.

Bei einer Konferenz in Wien 1982 präsentiert die NASA erstmals ein komplettes Energiesystem Satellit-Erde. Die NASA plant, möglicherweise schon 1985 eine Anlage in den Orbit zu transportieren, um möglichst frühzeitig die notwendigen Erfahrungen für den Bau wesentlich größerer Satellitenkraftwerke zu gewinnen. Als Zielvorstellung gelten Stationen mit einem Gesamtgewicht von 50.000 – 100.000 t und einer Gesamtfläche von über 50 km2, die mit bis zu 14 Mrd. Solarzellen bestückt sind – was eine Leistung von bis zu 10 GW erbringen könnte. Um aber auch nur die Hälfte des damaligen US-Strombedarfs (1980) zu sichern, müßten zwischen 50 und 100 derartiger Satelliten hergestellt und in den Orbit gebracht werden.

Was das Projekt dann endgültig an die Grenzen der Illusion treibt, sind die unverhältnismäßig hohen Kosten von 500 Mio. – 1 Mrd. $ pro Satellit. Skeptiker sprachen daher gleich von einem Staatsbankrott. Bei einer Verwirklichung würden außerdem keinerlei weitere ‚Investitions-Dollar’ für andere alternative Energieprojekte übrig bleiben. Und um das Material für einen einzigen 10 GW Energiesatelliten auf die Umlaufbahn zu schaffen, bedarf es etwa 500 Flüge mit dem Space Shuttle, weshalb auch erwogen wird, das Material mittels neuer elektrischer Kanonen hinaufzuschießen.

Ein SPS-System würde ein nicht zu schlagendes Energie­Monopol bedeuten, das ausschließlich in den Händen der Raumfahrt-betreibenden Staaten läge. Auf ökologische Einwände und technologische Grenzen gehe ich am Ende dieses Kapitels weiter ein.

Untersuchungen von General Dynamics und dem Space Studies Institute in Princetown/New Jersey führen dann zu dem Ergebnis, daß die solaren Energiesatelliten zum größten Teil aus Mondmaterial hergestellt werden können. Aus den Untersuchungen der SSI ergibt sich, daß die Kosten eines Energiesatelliten aus Mondmaterial nur 3 % der Summe betragen, die für den gleichen Satelliten aus Erdmaterial aufgebracht werden müsste. 1988 führt die NASA daraufhin zusammen mit Vertretern von Elektrizitätskonzernen und anderen Industriezweigen eine Untersuchung unter dem Titel ‚Mond-Energie-Wirtschaftsstudie’ durch. Die Studie empfiehlt eine weitere Beschäftigung mit Solarsatelliten – allerdings auf der Basis von Mondmaterial.

Solarenergie-Satellit Grafik

Solarenergie-Satellit (Grafik)

1991 veranstaltet die International Astronautical Federation eine Konferenz über solare Energiesatelliten; gefordert wird ein energisches internationales Versuchsprogramm zur Nutzung der Weltraumressourcen für die Energieversorgung der Erde.

Ähnliche Projekte, die auf der intensiven und andauernden Raum-Sonnenstrahlung aufbauen, sind die L5-Weltall-Stationen von Prof. Gerard O’Neill, 1977 Gründer des SSI und heutiger Leiter der Geostar Corporation, und seinen Mitarbeitern in Princeton, wo er bis 1985 unterrichtete - sowie der Vorschlag eines Soletta-Spiegelschwarms von Krafft A. Ehrike.

Die L5-Stationen, von denen 16 Stück in einer Kette um den Globus herum stationiert werden sollen, würden zu 95 – 98 % aus Rohstoffen vom Mond hergestellt werden. Neben der Energieübermittlung zur Erde sollen diese Stationen auch als Wohn- und Produktionsanlagen im Weltall dienen – d.h. als Keimzellen künftiger kosmischer Expansion. In den großen Habitaten ist das Leben für Tausende von Menschen möglich – deren ‚Exportgut’ in der Hauptsache Energie ist. Diese Energie soll in Form von Radiowellen mit niedriger Frequenz auf die Erde gestrahlt werden. Die Energiedichte am Zielort ist dabei so groß wie normales Sonnenlicht. Die entsprechenden Radioantennen-Auffangstationen umfassen ein abgezäuntes Areal von 5 – 8 km.

Das Soletta-Spiegelsystem soll seinerseits eine Ausdehnung von 100.000 km2 bekommen und das Sonnenlicht ununterbrochen auf Empfangs-Solarkraftwerke in Wüstengebieten reflektieren. Eine derartige Anlage würde insgesamt etwa 100 Mrd. $ kosten und ca. 88 · 109 kW/h pro Jahr zur Verfügung stellen. Die Solettas sollen außerdem der Wetterkontrolle dienen.

Andere Pläne von Ehrike, der nach dem II. Weltkrieg zusammen mit Wernher von Braun aus Peenemünde nach Amerika kam, umfassen ein Space-Light-Programm, das aus Solatta- und Lunetta-Systemen kombiniert ist. Die Lunettas erreichen die 100- bis 700-fache Lichtstärke des Vollmonds, was bedeutet, daß bei einem derartigen Licht z.B. geerntet werden kann. Außerdem soll das Pflanzenwachstum dadurch positiv beeinflusst werden.

Ein weiteres Projekt schlagen 1983 die beiden US-Wissenschaftler John Canady und John Allen vor: 18 orbitale Spiegel sollen fünf Industriegebiete morgens und abends jeweils zwei Stunden lang zusätzlich beleuchten, um die dortige Produktionsrate zu steigern. Das Projekt soll rund 3,6 Mrd. DM kosten, die Lebenserwartung beträgt 15 Jahre.

Auch in der ehemaligen UdSSR befaßt man sich mit derartigen Planungen. 1987 gibt Guri I. Martschuk, Direktor der Sowjetischen Akademie der Wissenschaften, bekannt, daß man Solar-Kraftwerk-Satelliten in die Umlaufbahn bringen möchte. Dabei sollen in der erste Phase dieses Vorhabens – bereits 1990 – riesige Spiegel auf geostationären Umlaufbahnen bestimmte Gebiete auf der Erde beleuchten, beispielsweise große Städte. Phase zwei umfaßt den Start von Energiesatelliten – für die in Phase drei die notwendigen Antennenanlagen auf der Erde gebaut werden, die den über Mikrowelle abgestrahlten Strom empfangen und in das Netz einspeisen werden.

Doch dann übernimmt das russische Weltraumunternehmen NPO Energija die Idee und projektiert 100 kreisförmige Spiegel, die in einer Höhe zwischen 1.550 und 5.530 km die Erde umrunden und Sonnenlicht reflektieren. Besonders geeignet erscheint nun die Beleuchtung nördlich gelegener Industriegebiete – oder der Rettungsarbeiten in Katastrophengebieten beispielsweise. Das erste, etwa 100.000 DM teure Experiment Snamja (Banner) wird im August 1993 durchgeführt. Ein 20 m durchmessender Prototyp des Spiegels aus aluminiumbeschichteter Polyesterfolie öffnet sich in 375 km Höhe an der Spitze einer Progress-Versorgungskapsel, indem sich diese einige Minuten lang schnell um die eigene Achse dreht, worauf die Fliehkräfte den aus acht Segmenten bestehenden Reflektor entfalten. 

Ich führe diese Technologien hier auf, da es sich ebenfalls um orbitale Systeme handelt, obwohl sie z.T. nicht direkt mit der Photovoltaik zu tun haben. Kritik an diesen ‚Lichtreflektoren’ gibt es insbesondere von Astronomen, die dadurch bei ihren Himmelsbeobachtungen gestört werden.

Erst im Februar 1999 erfolgt ein weiterer Schritt, diesmal durch das russische Unternehmen SRC. Auch hier wird eine Transportkapsel eingesetzt, die innerhalb eines Tages die Erde 16 mal umrundet, bevor sie verglüht, während der Spiegel diesmal einen Durchmesser von 25 m hat. Im Gegensatz zu dem Versuch von 1993 kann das System nun sogar ferngesteuert werden – und man richtet das Licht des 8 km breiten Kegels mit der fünf- bis zehnfachen Stärke des vollen Mondlichtes auf Vancouver, Frankfurt am Main, Kiew und andere Städte der nördlichen Hemisphäre.

Das nächste Projekt von SRC betrifft einen 70 m durchmessenden Spiegel, der dann rund einhundert mal heller als der Vollmond leuchten soll.

In Deutschland befasst man sich bei MBB mit Energiesatelliten. Dort geht man davon aus, daß es trotz aller Enge im Orbit noch Platz für 5.000 GW Strom gibt (das entspricht rund 5.000 Atomkraftwerken). 1988 unterzeichnen MBB und die Firma Total einen Kooperationsvertrag ‚Phototronics in Space’, der als Bestandteil des europäischen Technologieprogramms EUREKA gilt und von der Bundesregierung gefördert wird. 1990 hofft man, noch bis zur Jahrtausendwende eine Demonstrationsanlage in der Erdumlaufbahn zu platzieren – und das für nur rund 19 Mio. DM.

Die von dort gesendete Energie wird als Mikrowellen oder Laserstrahlung von irdischen Solarzellenfeldern aufgefangen und wieder in Strom zurückverwandelt. Wobei man bei MBB aus Sicherheitsgründen mehr zu den Lasern neigt, da man bei den Mikrowellen Störungen im Funkverkehr befürchtet, außerdem kenne noch niemand die Langzeitwirkung von Mikrowellen auf Menschen. Das Laserlicht ließe sich auch stärker bündeln, so daß die Empfangsantennen entsprechend kleiner dimensioniert werden können. Allerdings ist der Wirkungsgrad dieser Methode rund 50 % niedriger als jener der Mikrowellen-Energieübertragung.

Die Deutsche Aerospace, eine Tochter des Daimler-Benz-Konzern, macht Mitte 1990 damit Werbung, daß man an Solar-Satelliten arbeiten würde, deren Energie mittels Lasern zur Erde gesendet werden könne. Dieses Laserlicht ließe sich bei Tag und bei Nacht unsichtbar weiterleiten – und besonders für den nächtlichen Empfang würden sich terrestrische Solarzellenfelder gut eignen, da diese nächtens sowieso nicht in Betrieb sind. Man plant zu diesem Zeitpunkt, die ersten Energiesatelliten bereits in 10 - 20 Jahren in die Raumfahrtprogramme integrieren zu können.

Doch erst 1997 geht es weiter in Richtung auf eine neue energetische Solarenergie-Nutzung im Weltall: Die für einen Mondflug im Jahr 2000 geplante Sonde Smart 1 der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA wird beispielsweise nur 35 kg Xenon-Gas für den Flug benötigen (statt wie sonst Tausende Kilogramm Brennstoff), denn im Unterschied zum Verbrennungsantrieb beschleunigt der Solarstrom der Sondenpanele das ionisierte Edelgas - und dies auf eine weit höhere Rückstoßgeschwindigkeit.

Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) gibt auf der Hannover Messe 1997 bekannt, daß man Konzentratorzellen entwickelt habe, die Laserstrahlen mit einem „extrem hohen Wirkungsgrad von über 50 %“ in Strom umwandeln können – ein wesentliches Element der passenden ‚Empfänger’ für die Satellitenenergie.

Die PowerSat Corp. in Everett, Washington, versucht ab 2001 Investoren für ihren Plan zu finden, zu einem globalen Anbieter von Solarsatelliten zu werden, doch nach 2002 hört man lange nichts mehr von dem Unternehmen, und erst 2009 taucht der Name wieder in der Presse auf (s.u.).

Im September 2003 erreicht die EADS Space Transportation mit der Entwicklung einer punktgenauen Steuerung für die Übertragung von Energie per Laser einen ersten Meilenstein für künftige solare Energieversorgungssysteme aus dem All. Mit dem dafür entwickelten Algorithmus ist es jetzt erstmals möglich, sowohl Energie als auch Daten präzise auf ein Objekt zu übertragen. Frank Steinsiek, der zuständige Leiter des Projekt Solar Power Infrastructure (SPI) erklärt bei einer Pressekonferenz in Bremen:

„Damit wird zum einen die zielsichere Übertragung von Energie durch freifliegende orbitale Strukturen zum Empfänger auf der Erde möglich; zum anderen können bemannte wie unbemannte Missionen durch Übertragung mittels Laser im All auch dort mit Energie versorgt werden, wo Solarzellen keinen Strom produzieren und liefern können. Wir erschließen für die Raumfahrt als auch für das Leben auf der Erde gleichermaßen ein riesiges Potential.“

In einem nächsten Schritt schlägt das Unternehmen die Anbringung einer Lasereinheit für die Energieübertragung an der Internationalen Raumstation vor. Doch die Visionen reichen weit darüber hinaus:

„Weitere Schritte führen über freifliegende Laserplattformen in verschiedenen Umlaufbahnen bis hin zur Errichtung eines Kraftwerks im Gigawatt-Bereich in 36.000 km Höhe. Gleichzeitig können wir uns vorstellen, daß Raumschiffe der Zukunft auf eigene Antriebe verzichten können. Stattdessen sollen sie von Laserstationen im Weltraum ebenso mit Sonnenenergie versorgt werden, wie Roboter und Rover auf Mond und Mars.“

Die bisherigen Kosten für die Entwicklung der SPI-Technologie werden auf über 600.000 € beziffert.

Die EADS Space Transportation wurde übrigens im Juni 2003 gegründet und ist aus dem Zusammenschluß der deutschen Astrium Raumfahrt-Infrastruktur und der französischen EADS Launch Vehicles hervorgegangen. Das Unternehmen ist der europäische Spezialist für Raumtransporte, bemannte Raumfahrt und ballistische Trägerraketen für Frankreichs Streitkräfte. Es erwirtschaftete mit 5.000 Mitarbeitern im Jahr 2002 einen Umsatz von 1,4 Mrd. €, und ist an den Standorten Bremen, Friedrichshafen, Ottobrunn und Lampoldshausen sowie in Les Mureaux bei Paris, in St-Médard-en-Jalles bei Bordeaux und in Kourou (Französisch-Guayana) angesiedelt.

Als die NASA im Dezember 2006 ihre neuen Pläne für eine permanente Mondbasis bekannt gibt, die ab 2024 dort errichtet werden soll, wird der Mond-Südpol als Standort insbesondere deshalb ins Auge gefaßt, weil dieser Ort eine sehr große Sonnenscheindauer hat und besonders gute Chancen zur Nutzung von Solarenergie bietet.

Netz-Crawler für Solarsatelliten

Roby Space

Auch bei den ersten NASA-Wettbewerben für den Bau von sogenannten ‚Crawlern’, die im Rahmen eines Orbitalfahrstuhls zum Einsatz kommen sollen, werden Solarzellen eingesetzt. Diese Technologie ist jedoch nicht so einfach - in den ersten beiden Jahren kann keines der beteiligten Teams das Preisgeld mit nach Hause nehmen. Ich werde diese spezielle Umsetzung zu einem späteren Zeitpunkt im Kapitel zur elektrischen Mobilität präsentieren.

Im Januar 2006 schickt die Japanese Aerospace Exploration Agency (Jaxa) den Satelliten Furoshiki in den Orbit, um mehrere technisch-konstruktive Experimente durchzuführen.

Die Bezeichnung ‚Furoshiki’ stammt von dem japanischen Wort für ein Tuch, in das man Gegenstände einschlagen kann. Auseinandergefaltet ist es dann ziemlich groß – und genau so sollen sich Weltraumnetze entfalten, auf denen dann Solarfarmen eingerichtet werden, die größer sind als zehn Fußballfelder. Die 350 g schweren Roboter für derartige Bauarbeiten im All mit den Namen Roby Space Junior I und II haben Forscher von der Technischen Universität Wien entwickelt. Sie fahren wie Raupenfahrzeuge über die Maschen des Riesennetzes und bestehen jeweils aus zwei Teilen, die sich mit Magneten gegenseitig anziehen, damit sie sich in der Schwerelosigkeit nicht vom Netz lösen.

Auf den übertragenen Videobildern wird beobachtet, daß zumindest einer der Roboter seine Aufgabe gut meistert, einige Meter auf einem 50 m2 großen Netz herumzufahren. Dieses war zuvor von drei kleinen Hilfssatelliten aufgespannt worden, die mit derselben Rakete auf eine Flughöhe von nur 180 km hochgeschossen wurden. Allerdings stürzen der Roboter und das Netz schon nach zehn Minuten Schwerelosigkeit in Richtung Erde zurück und verglühen.

Im Mai 2007 lebt die Diskussion um Solarsatelliten wieder einmal auf, als Prof. Daniel Nocera vom MIT daran erinnert, daß diese Technologie im Gegensatz zu allen ‚irdischen’ Entsprechungen keinerlei Genehmigungsverfahren erfordert. Die Anlagen können im Orbit installiert werden, so schnell sie nur fabriziert und hinauftransportiert werden können. Außerdem regt er an, über Energieanlagen auf dem Mond nachzudenken - denn auch dort haben die Strukturen keine negativen Auswirkungen auf unsere direkte Umwelt. Machbar wäre dies bereits in rund 20 Jahren. Ich komme weiter unten noch auf derartige Vorschläge zu sprechen.

Grafik des NSSO-Solarsatelliten

NSSO-Konzept (Grafik)

Im Oktober wird eine Studie des National Security Space Office (NSSO) vorgestellt, der zufolge ein auch weiterhin steigender Ölpreis die Technik der Energiesatelliten über kurz oder lang wettbewerbsfähig machen wird. Das Pentagon fordert die US-Regierung daraufhin auf, entsprechende Demonstrationsprojekte zu finanzieren und innerhalb der nächsten zehn Jahre 10 Mrd. $ in einen Test-Satelliten zu investieren, der einen Strahl von 10 MW elektrischer Energie zur Erde schicken kann. Natürlich haben die Autoren des NSSO-Berichtes auch die militärische Nutzung im Sinn, da Solarenergie-Satelliten eine schon seit langem bestehende Schwäche des US-Militärs beheben könnten: die Abhängigkeit von lokaler Energieversorgung in entlegenen Einsatzgebieten wie beispielsweise dem Irak.

Die Space Solar Alliance for Future Energy will die Empfehlungen der NSSO-Studie weiter voranbringen.

Ebenso ernsthaft wird die Sache in Japan weiter verfolgt. Zwecks der Energieübertragung arbeitet die JAXA inzwischen mit Experten des Institute of Laser Engineering der Universität Osaka zusammen, und man entwickelt gemeinsam die Grundlagen von JAXAs Space Solar Power Systems (SSPS) Projekt.

JAXA Modell

JAXA Modell

Dabei soll ein Prototyp in 36.000 km Höhe über dem Äquator stationiert werden und seine Energie über Laserstrahlen an die Empfangsstation auf der Erdoberfläche leiten. Genutzt werden dabei keramische Materialien, die Licht-absorbierendes Chromium enthalten – sowie Neodymium, das die Energie in Laserstrahlen umwandelt. Der Wirkungsgrad des gesamten Prozesses soll bereits 42 % betragen, wie die Experimente im September 2007 zeigen.

Die Meldungen über den geostationären Satelliten der JAXA finden Anfang 2008 wieder Eingang in die Presse, als bekannt gegeben wird, daß das SSPS-Projekt bis 2030 tatsächlich umgesetzt werden soll.

Im Februar beginnen im Taiki Aerospace Park Tests an einen Mikrowellensystem zur Energieübertragung, das als Alternative zur Laser-Bündelung gedacht ist. Während die Sendeantenne einen Durchmesser von 2,4 m hat, wird die Bodenstation des geplanten SSPS-Kraftwerks einem Durchmesser von etwa 3 km aufweisen. Hierbei wird von einer Leistung von 1 GW ausgegangen, was dem Bedarf von rund 500.000 Haushalten entspricht. Aus einigen der veröffentlichen Grafiken erkennt man, daß an eine seebasierte, schwimmende Empfangsanlage gedacht wird.

Andere Versuche erfolgen mit einem 800 W Laser, der auf eine 500 m entfernte Empfangsstation gerichtet wird. Die Wellenlänge, die mittels eines Spezialspiegels aus dem Strahl herausgefiltert und genutzt wird, beträgt exakt 1.064 Nanometer, da es sich herausgestellt hat, daß diese Frequenz die Atmosphäre am leichtesten durchdringen kann.

SSPS der JAXA Grafik

SSPS der JAXA (Grafik)

Inzwischen gibt es auch Schätzungen zur Orbitalanlage, die kilometergroß und bis zu 10.000 Tonnen schwer sein wird, zur Boden-Empfangseinheit, bei der mit einer Länge von 2 km gerechnet wird, und zu den Kosten, die zig Milliarden Dollar betragen werden.

Im Juni 2008 verkündet Yet Mehta, Direktor der indischen Filiale der Space Island Group, einer kalifornischen Firma zur Entwicklung von Solar-Satelliten, daß diese Technologie die passende Lösung für den in Indien im Jahr 2030 erwarteten (zusätzlichen?) Bedarf von 700.000 MW Strom sei. In einem geosynchronen Orbit in 22.000 Meilen Höhe würden die Sateliten schließlich Tag und Nacht ununterbrochen Gigawatts an Energie zu den Empfangsstationen am Boden senden.

Sonst scheint in diesem Jahr nicht mehr viel zu passieren. Erst im September 2008 macht eine weitere Meldung die Runde: John C. Mankins, früherer Leiter des NASA Exploration Systems Research and Technology Program, und inzwischen Chef der Artemis Innovation Management Solutions LLC sowie einer der führenden Experten im Bereich der Solarsatelliten-Technologie, gibt den Erfolg einer drahtlosen Energieübertragung zwischen Hawaii-Inseln bekannt (das Experiment fand bereits im Frühjahr auf statt). Bei der ersten Langstreckenübertragung von Strom wird vom Haleakala-Vulkan der Insel Maui aus ein mit Solarstrom erzeugter 2,45 GHz Mikrowellenstrahl (wie er auch für Übertragungen aus dem All benutzt werden würde) zu einem Empfänger auf dem 148 km entfernt gelegenen Vulkan Mauna Loa der Insel Hawaii gesandt.

Bei ihrem Versuch stellen die Forscher senderseitig neun Solarpaneele zur Produktion von jeweils 20 W Strom auf, begrenzen die Übertragung aber auf 2 W pro Panel, um der Zulassung für den Test seitens der US Federal Aviation Administration zu entsprechen. Die etwa 20 W Solarstrom werden dann mittels Mikrowellen zur Haupt­insel übertragen, wo ein winzig kleiner Teil auch ankommt, allerdings weniger als ein Tausendstel von 1 % der übertragenen Leistung.

Der unbefriedigende Wirkungsgrad, der mit einem niedrigen Budget von rund 1 Mio. $ (die Versuchsanordnung hatte der Fernsehsender Discovery Channel gesponsert) und einer kurzen Vorbereitungszeit von nur fünf Monaten erklärt wird, soll mit geeignetem Equipment allerdings bis zu 64 % erreichen. Immerhin hatte der bislang erfolgreichste Test zur drahtlosen Energieübertragung, der 1975 von Bill Brown am Goldstone Deep Space Communications Complex (GDSCC) in der Mojave-Wüste, durchgeführt wurde, mit Hilfe eines Deep Space Tracking Dish NASA und über eine Entfernung von gut 1,6 km einen Wirkungsgrad von 82,5 % erreicht.

Mankins zufolge könnte eine Demonstrations-Systems in 6 – 7 Jahren in der Umlaufbahn sein, und ein groß angelegtes, operationales System in 10 – 15 Jahren. Zuerst einmal soll im Frühjahr 2010 auf Hawaii erneut die Energieübertragung via Mikrowellen getest werden, diesmal gemeinsam mit Nobuyuki Kaya von der Kobe-Universität in Japan, der 2006 mit einer Höhenforschungsrakete in 210 km Höhe die automatische Entfaltung eines 130 m2 großen antennenartigen Metallnetzes sowie die Mikrowellen-Kommunikation mit einer Bodenstation erprobt hatte (s.o.).

Nun sollen weitaus größeren Sende- und Empfangsanlagen samt einer dynamischen Zielvorrichtung eingesetzt werden, die den Mikrowellensender genau auf den Empfänger ausrichtet. Die sogenannte retrodirektive phasengesteuerte Gruppenantenne (retrodirective phased array) sorgt dafür, daß der Sendestrahl immer genau in der Mitte des Empfängers fokussiert wird.

2009 lautet die erste Meldung in Verbindung mit der SSP-Technologie, daß nun auch die Internationale Raumstation ISS als Testobjekt dienen und Strom vom Weltraum zur Erde senden soll. Dazu soll am Japanischen Modul ein Experimental Packet befestigt werden, das zu Demonstrationszwecken Mikrowellen-Energie (20,2 GHz) zur einer 34 m durchmessenden Antenne auf dem Gelände des GDSCC senden soll.

ISS-Experimant Grafik

ISS-Experimant (Grafik)

Etwas verzögert stellt sich dann jedoch heraus, daß die NASA das Projekt gekippt hat, da sie nicht die dafür geforderten 55 Mio. $ bekommen habe.

Dafür kündigt der kalifornische Energieversorger Pacific Gas & Electric (PGE) im April 2009 überraschenderweise an, gemeinsam mit der seit 2001 bestehenden Solaren Corp. aus Manhattan Beach, Kalifornien, eine Solarfarm im Weltraum errichten zu wollen. Man habe vereinbart, daß Solarens Solarsatellit ab Sommer 2016, und dann für 15 Jahre lang, 200 MW Energie an PGE liefert. Der Solarstrom soll mittels hochfrequenter Radiowellen zur Empfangsstation in Los Baños, etwa 100 km südwestlich von San Francisco, gelangen. Mit ihrer  Intensität, die etwa einem Siebtel der Mittagssonne entspricht, sei die Strahlung aus dem All ungefährlich.

Solaren führt bereits Labortests mit Prototypen ihrer patentierten SSP-Station durch, außerdem plant man Feldversuche, bei denen Testsatelliten ins All geschickt werden sollen. Die vier einzelnen Solar-Power-Anlagen auf geostationären Umlaufbahnen können einzeln arbeiten, aber auch zusammengeschaltet werden.

Zu den finanziellen Details gibt es bislang keine Informationen, und auch mit technischen Daten hält sich Solaren sehr bedeckt. Gerüchteweise hört man, daß das Sonnenlicht bei dem Solaren-System mit faltbaren, superleichten Spiegeln, vermutlich aus Mylar oder Polyethylen, auf die Solarmodule gelenkt werden soll, um die Ausbeute um ein Vielfaches yuerhöhen. Aus dem Patent der Firmengründer Jim Rogers und Gary Spirnak von 2006 ist außerdem zu entnehmen, daß ihre Erfindung eines im Weltraum stationierten Solarkraftwerks auch dazu dienen soll, mittels der gewonnenen Energie das Wettergeschehen zu beeinflussen. Durch die Erwärmung der oberen und mittleren Schichten eines sich bildenden Hurrikans soll dieser geschwächt werden können. Im Dezember 2009 gibt die California Public Utilities Commission (CPUC) dem Projekt grünes Licht und das Unternehmen versucht, in einer ersten Finanzierungsrunde 100 Mio. $ zu akquirieren.

Mitte 2009 reicht das US-Unternehmen PowerSat Corp. Patentanträge für zwei Technologien ein, bei denen es um die Generierung von Solarstrom im Orbit der Erde geht. Der Firma zufolge macht das BrightStar-Konzept sowie die SPOT-Technologie (Solar Power Orbital Transfer) eine Realisierung von Solar-Satelliten um vieles realistischer, sowohl in technischer wie auch in wirtschaftlicher Hinsicht. PowerSat ist Anhänger der Mikrowellenübertragung.

BrightStar sieht vor, daß die Sonnenstrahlung von bis zu 300 kleineren Satelliten aufgefangen und dann über einen größeren gebündelt und zur Erde gesendet wird, während es sich bei SPOT um ein Antriebskonzept handelt, bei dem auch die Schubdüsen der Satelliten mittels Solarenergie betrieben werden, um die Satelliten in Position zu halten, was durch entsprechende Ionenantriebe machbar ist. PowerSat rechnet vor, daß mittels dieser beiden Technologien die Start- und Betriebskosten eines 2,5 GW Orbitalkraftwerks um bis zu 1 Mrd. $ verringert werden könnten. Für einen wirtschaftlichen Betrieb müßten Satellitensolarparks nämlich mindestens 2,5 GW Leistung erbringen, was (aus heutiger Sicht) mit Investitionen von 4 - 5 Mrd. $ pro Anlage verbunden ist.

Derzeit arbeitet die Firma an einer 10 kW Demo-Anlage für einen nicht genannten Kunden. Für 2015 ist ein Prototyp im niedrigen, geosynchronen Orbit geplant, ein 100 Mio. $ Projekt, während die kommerzielle Produktion bereits 2020 anlaufen könnte. Im Juni 2009 meldet PowerSat, daß es Zusagen über Startfinanzierungen (angel funding) in Höhe von 3 – 5 Mio. $ bekommen habe, doch die bislang letzte Meldung auf der Homepage stammt vom Oktober 2009, seitdem ist es um das Unternehmen wieder ruhig geworden.

Auch ein Unternehmen aus dem schweizerischen Schaffhausen will in der Orbitalliga mitmischen. Die neu gegründete schweizerisch-kalifornische Firma Space Energy AG hat bereits Büros in San Francisco, Fort Lauderdale, Ras Al Khamiah und Peking. Das Unternehmen verfolgt den Ansatz, den durch Satelliten erzeugten Strom durch ein Kabel zur Erde zu leiten, das durch die Erdrotation gespannt bleiben würde. Bislang kann die Industrie die hierfür nötigen Kohlenstoff-Nanomaterialien mit der nötigen Zugfestigkeit allerdings noch nicht in der erforderlichen Menge herstellen. Bis dahin setzt man auf eine Mikrowellen-Technologie.

Das Unternehmen zeigt auf seiner Homepage deutlich, welche Märkte es vorzugsweise im Auge hat: die Seite existiert nur auf Englisch, Japanisch und Chinesisch, nicht aber auf Deutsch. Außerdem beschäftigt man sich auch mit terrestrischen PV-Großanlagen, für die im Februar 2010 eine (bislang ungenannte) Bank als erster Investor gewonnen wird.

Space Energy will bereits 2012 den ersten 5 kW Testsatelliten in eine niedrige Erdumlaufbahn bringen. Anderen Informationen zufolge soll dieser nur der erste von mehr als 40 Satelliten sein, die das Unternehmen in eine niedrige Erdumlaufbahn schicken, dort zunächst parken, weiter ausbauen und erst dann auf seine geostationäre Umlaufbahn weiterschicken will. Die Abmessungen der fertigen Station werden fast 4 km2 betragen. Das Unternehmen soll bereits mit der indischen Regierung verhandeln, der es sehr entgegenkommt, daß die Space Energy Satelliten ihre Mikrowellenstrahlen zeitgleich an verschiedene Orte auf dem Boden schicken können.

2009 soll auch die Air Force Academy der USA mit dem Bau von zwei kleinen Satelliten begonnen haben, um das Konzept der Übertragung von Solarstrom aus dem Weltall per Laser-Technologie zu testen. Man erwartet, genug Strom zu empfangen, um wenigstens eine 1/10 W LED zum Leuchten zu bringen. Es ist nachvollziehbar, daß das US-Militär davon träumt, seine Soldaten auch in schwierigem Gelände mit Energie zu versorgen, die einfach aus dem All herabgebeamt wird. Das Pentagon wies bereits in einer Studie aus dem Jahr 2007 auf das ‚enorme Potential’ der weltraumgestützten Solarenergie hin und empfahl ausdrücklich, die entsprechenden Entwicklungen und Technologie zu unterstützen. Kein Wunder, daß im Internet Gerüchte kursieren, denen zufolge Solaren und Space Energy möglicherweise Tarnfirmen des US-Militärs sind.

Sehr ambitioniert sind auch die Pläne der Space Island Group (SIG). Neben dem Anstoß zur Entwicklung neuer Raumfahrzeuge sollen auch bestehende, solide NASA-Kompnenten genutzt werden, um eine Raumstation nebst Personal in den Orbit zu bringen. Diese Station soll neben ihren industriellen, wissenschaftlichen und touristischen Zielen auch Energie zur Erde transferieren. Außerdem soll von Asteroiden abgebautes Wasser durch solarbetriebene Reformer in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt werden – die wiederum als Raketentreibstoff genutzt werden können. Im Jahr 2020 werden mehr als 20.000 Frauen und Männer auf derartigen Stationen im Einsatz sein – hofft man bei der SIG.

Noch schneller soll es laut der bereits um 1992 gegründeten Firma Xenotech Research gehen, die sich in Nähe des neuen, privaten Raumflughafens von Virgin, dem New Mexico space port, ansiedeln wollen, und schon im Oktober 2010 ein Solarenergieprojekt im niedrigen Orbit zu verwirklichen. Und bereits 2012 will man eine 1 GW Anlage in einem stationären Orbit in knapp 36.000 km Höhe in Betrieb nehmen. Das Unternehmen arbeitet außerdem an einem 500 W Solarofen mit Fresnel-Linse, sowie an einer besonders günstigen Windkraftanlage. Kein Wunder, daß die Xenotech-Homepage beim Update 2011 nicht mehr zu erreichen ist.

Vermutlich seriöser ist die amerikanische Moon Society, ein privater Interessenverband, der sich für eine Rückkehr zum Mond stark macht, sich aber auch für andere Innovationen in der Weltraumfahrt einsetzt. Auf der International Space Development Conference im Mai 2009 in Orlando stellt Peter Kokh, Präsident der Moon Society, das Modell einer Space-Solar-Power-Anlage vor, bei der zwei gigantische Sonnensegel das Sonnenlicht einfangen und auf einen zentralen Kollektor konzentrieren. Dort wird das optische Licht in Mikrowellen umgewandelt und als Strahl gebündelt zum Erdboden geschickt. Bei einer Frequenz von 5,8 Gigahertz müßte die Seitenlänge einer Empfangsanlage bei 5 km liegen.

Im September 2009 findet am Ontario Science Centre in Toronto das erste International Symposium on Solar Energy from Space statt. Federführend ist der neu gegründete not-for-profit Interessenverband SPACE Canada (Solar Power Alternative Clean Energy), der sich der Förderung des internationalen Dialogs zu weltraumgestützten Solarenergie widmet, wie es in den Statuten so schön heißt. Unter den aufgeführten Beratern der Initiative findet man auch den oben bereits erwähnten John C. Mankins.

Fast zeitgleich kursiert die Nachricht, daß nun auch die japanischen Unternehmen Mitsubishi Electric Corp. und IHI Corp., eine Industriedesign-Firma, den Bau einer Weltraum-Solarfarm planen. Die Solaranlage mit einer Gesamtgröße von 2,4 x 2,6 km soll in einer Höhe von 36.000 Kilometern um die Erde schweben und ab 2030 Energie für rund 300.000 Haushalte auf die Erde schicken. Von den 1,6 GW Sonnenenergie, welche von dem aus 100 x 100 x 0,1 m großen Einzelpanelen bestehenden Riesenkollektor empfangenen und ausgesendet werden, sollen 1 GW zur Erde gelangen. Die Kosten des Projekts werden gegenwärtig auf etwa 15 Mrd. € beziffert.

10 MW Satellit der JAXA Grafik

10 MW Satellit der JAXA
(Grafik)

Bevor das Hauptprojekt an den Start geht, wird die JAXA zuerst einen 100 kW Satelliten im niedrigen Orbit testen, bevor im Jahr 2015 eine 10 MW Demonstrations-Anlage im All stationiert werden soll, um herauszufinden, wie die Energieübertragung aus dem Weltall am besten funktioniert. Dem soll dann ein 250 MW Prototyp folgen.

Bis dahin wird eine Forschungsgruppe aus 16 Unternehmen, darunter Mitsubishi Heavy Industries Ltd., Mitsubishi Electric, NEC, Fujitsu und Sharp, vier Jahre lang praktikable Technologien entwickeln, um Strom in Form von Mikrowellen zu senden. Das Team agiert unter dem Namen Institute for Unmanned Space Experiment Free Flyer (USEF), auf dessen Homepage die Arbeiten detailliert dokumentiert werden.

Anfang 2010 meldet sich auch EADS Astrium, Europas größtes Weltraumunternehmen,  wieder zu Wort. Hier arbeitet man inzwischen an einem Infrarot-Laser, der die Erde vom All aus mit Strom versorgen soll. Bei der Rückwandlung des Infrarot-Laserlichts in Elektrizität wird ein Wirkungsgrad von 80 % angestrebt. Was die Labortests bislang tatsächlich erbracht haben, wird nicht gesagt. Ebensowenig, warum der Laser auf dem Fot grün leuchtet.

Dem Unternehmen zufolge sei in den nächsten fünf Jahren der Aufbau eines Systems mit 10 - 20 kW Leistung vorstellbar, und von 2020 an könnten Raumstationen mit Laseranlagen von 20 - 50 kW Leistung Sonnenenergie umwandeln und an die Erde übertragen. Was im Vergleich zu den anderen genannten Plänen nicht allzu viel ist.

Mitte des Jahres überschlagen sich die Blogs mit Nachrichten über ein gigantisches Projekt der japanischen Shimizu Corp. Tatsächlich ist es jedoch (nur) eine Konzeption der Rubrik ‚Dreams’ unter dem Namen Luna Ring. Und da auch der Mond ein Satellit der Erde ist, hat das Konzept genau hier seinen richtigen Platz.

Bei dem Mondprojekt handelt es sich um einen 400 km breiten Gürtel aus Solarzellen, der sich knapp 11.000 km lang um den Äquator des Mondes spannt, um die dort empfangene saubere Energie durch Kabel zu den 20 km durchmessenden Sendestationen auf der erdzugewandten Seite, und von dort aus mittels Mikrowellen und Lasern zur Erde zu senden, wo dutzende gigantische Hochleistungs-Empfänger in den Wüsten oder auf den Ozeanen der ganzen Welt installiert sind, möglichst in Nähe großer Bevölkerungszentren.

Luna Ring Solarpaneele Grafik

Luna Ring (Grafik)

Beim Bau sollen Menschen kaum einbezogen – und die Konstruktion weitgehend von Robotern errichtet werden. Wasser soll aus dem Mondboden mit von der Erde importiertem Wasserstoff produziert werden, während Bindestoffe ebenfalls aus lunaren Ressourcen gewonnen werden können. Aus diesen Materialien wird dann mit Mond-Erde und Kies Beton zusammengemischt. Ziegel, Glasfasern und anderen Baumaterialien können durch solar-thermische Prozesse hergestellt werden. Sonstige Maschinen und Geräte von der Erde werden im Weltraum zusammengebaut und zur Installation auf die Mondoberfläche gebracht.

Bei ausreichender Finanzierung sollen bis zum Jahr 2035 Roboter auf der Mondoberfläche ausgesetzt werden, um die Materialien zu extrahieren, aus denen die Solarzellen, der Beton und die anderen benötigten Baustoffe hergestellt werden. Shimizu zufolge würde das Projekt, einmal umgesetzt, genug Energie für den ganzen Planeten liefern.

An dieser Stelle ist es höchst passend, auf das Designprojekt der New Yorkerin Bryna Anderson hinzuweisen, Studentin der Columbia University, mit dem diese den Moon Capital International Design Wettbewerb 2010 gewinnt.

Das Konzept gründet auf dem Vorschlag des amerikanischen Physikers David Criswell für ein mond-basiertes Solarenergiesystem, bei dem ebenfalls Solarzellen zur Energiesammlung und Mikrowellen zur Übertragung genutzt werden. Criswell, inzwischen Direktor des Institute for Space Systems Operations an der University of Houston, erfand das Lunar Solar Power System (LPS) gemeinsam mit Robert D. Waldron. Auch dieses System beinhaltete die Herstellung der Solarzellen mittels lunarer Rohstoffe auf dem Mond selbst.

Der Entwurf von Criswell und Waldron würde 20.000 GW Strom produzieren und 4.400 Arbeiter auf dem Mond, 340 in einer niedrigen Mondumlaufbahn und 400 in einer niedrigen Erdumlaufbahn erfordern. Die auf dem Mond gesammelte Solarenergie soll an Tausende Empfangsstationen auf der Erde gesendet werden. 

LPS von Bryna Anderson Grafik

LPS von Bryna Anderson
(Grafik)

Das nun veröffentlichte innovative Design von Anderson namens LPS: 2069 stellt einen massiven Solarturm (oder Sonnenturm) dar, wie sie auf unserer Erde schon mehrfach gebaut worden sind (s.d.). Die übrigen technischen Erklärungen spiegeln das Criswell-System wieder. Anderson gewinnt übrigens gegen die Konkurrenz von 100 Einreichungen aus 26 Ländern.

Mitte September 2010 wird der Bericht eines vom indischen Verteidigungsministerium geförderten Think-Tanks veröffentlicht, in welchem die Einrichtung eines internationalen, weltraumbasierten Solarstrom-Programms unter indisch-amerikanischer Leitung vorgeschlagen wird. Verfasser ist US-Air Force Oberstleutnant Peter Garretson, der mit dem Institue of Defense Studies and Analyses in New Delhi zusammenarbeitet. Der Bericht schlägt vor, daß die beiden Länder nicht mehr warten, sondern das Projekt durch eine gemeinsame Erklärung während Präsident Obamas Besuch in Indien im November anstoßen sollten.

Das Großprojekt sieht die Errichtung eines Solarkraftwerks in der geostationären Umlaufbahn vor, das seine Energie in Form von Mikrowellen an die Empfänger auf dem Erdboden überträgt. Für die Umsetzung schlägt der Autor einen Drei-Stufen-Plan vor. Während der ersten Fünf-Jahres-Phase sollen mit einem Etat von 10 – 30 Mio. $ die grundlegenden Technologien entwickelt und eine detaillierte Roadmap festgelegt werden.

In der zweiten Phase, die sich über 10 Jahre erstrecken soll, wird ein internationales Konsortium mit einem Betrag von 10 Mrd. $ ein verkleinertes Space Solar Power System ins All bringen, das dann seitens der Industrie aufskaliert werden soll. Die dritte Phase würde dann die Einrichtung eines internationalen, kommerziellen Konsortiums unter indisch-amerikanischer Leitung sehen, das den Bau und die Inbetriebnahme entsprechender orbitaler Solarfarmen durchführt. Eine wirtschaftlich rentable Umsetzung könnte ab dem Jahr 2025 erfolgen.

Im Oktober 2010 höre ich erstmals von einer weiteren weltraumbasierten Solarenergie-Technologie, die bisher noch nicht in der Diskussion aufgetaucht ist. Dazu ein kleiner geschichtlicher Exkurs: Vor etwa 50 Jahren kam der Physiker Freeman Dyson zu der Schlußfolgerung, daß intelligente Zivilisationen ab einem bestimmten Punkt ihrer technologischen Entwicklung versuchen würden, die Energie, welche von der Sonne ihres jeweiligen Planetensystems ausgestrahlt wird, maximal zu nutzen. Dabei stellte er sich vor, daß jene Zivilisationen eine Hohlkugel oder zumindest einen dichten Schwarm von Sonnensegeln konstruieren würden, die ihr Planetensystem komplett umschließen. Von solch einer Dyson-Sphäre würde dann nur noch Reststrahlung im Infrarotbereich ausgehen, während die Sonnenenergie fast restlos genutzt wird.

Nun schlagen die Astronomen und Astrobiologen Brooks Harropa and Dirk Schulze-Makuch von der Washington State University vor, anstatt einer Dyson-Sphäre, deren praktische Umsetzung noch weit außerhalb unserer Möglichkeiten liegt, eine Energiegewinnungstechnik im Weltraum ins Auge zu fassen, die wesentlich näher liegt. Ihr Vorschlag betrifft Satelliten, die nicht die Sonnenstrahlung, sondern den Sonnenwind nutzen.

Die Wissenschaftler schlagen vor, die Elektronen des Sonnenwindes mit einem 300 m langen, 1 cm dicken Kupferdraht einzufangen, der ein magnetisches Feld aufbaut und die Elektronen zu einem 10 m großen Segel und einem 2 m großen Empfänger leitet, durch den der Strom gewonnen wird. Von diesem wird nur ein kleiner Teil benötigt, um das magnetische Feld aufzubauen, während der Rest zur Erde transportiert werden kann. Mit einer Anordnung dieser Größe sollen sich 1,7 MW erzeugen lassen, deren Übertragung durch einen auf die Erde gerichteten Infrarot-Laserstrahl erfolgt.

Mit einem 1 km langen Kabel und einem 8.400 km breiten Segel würde sich eine Billion GW erzeugen lassen, 100 Milliarden Mal mehr, als die Menschheit derzeit verbraucht. Der Sonnenwind-Satellit, der billig und ohne komplizierte Technik sein würde, könnte dabei etwa so weit von der Sonne entfernt sein wie die Erde selbst. Er müßte allerdings gleichzeitig auch weit genug von der Erde entfernt stationiert werden, um außerhalb, oder zumindest am Rand ihrer Magnetosphäre überhaupt funktionieren zu können, denke ich.

Für weiteres Fachmaterial, Quellen, Artikel usw. zum Thema Solarsatelliten empfehle ich die Spezialseite der National Space Society (USA). Technologien, bei denen Sonnenstrahlung bzw. Sonnenwind für mobile Systeme genutzt werden, behandle ich im Kapitelteil Weltraum-Sonnensegel.


Nach dieser umfassenden Betrachtung der photoelektrischen Nutzung kommen wir nun zur photothermischen Nutzung der Sonnenenergie.


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