TEIL C

Parabolspiegel Anlagen (Dish-Stirling-Systeme)

Eine weitere Form der solarthermischen Kraftwerke beinhaltet den Einsatz von Parabol-Spiegeln, die das Sonnenlicht auf einen einzigen Brennpunkt fokussieren und dort Temperaturen von 800°C oder sogar mehr erreichen. Dabei wird die Wärme nicht nur zum Betrieb eines Wasser-Dampf-Kreislaufs genutzt, sondern oftmals auch zum direkten Antrieb eines Stirlingmotors (s.d.). Diese zweiachsig nachgeführten Systeme sind besonders für den dezentralen Einsatz geeignet (stand-alone-systems) und liegen typischerweise im Leistungsbereich zwischen 5 kW und 50 kW. Für größere Leistungen lassen sich die Systeme zu einer Farm zusammenschalten.

Einen Vorläufer – der noch dazu aufblasbar und für den Einsatz im All gedacht ist – fand ich ein einer frühen Ausgabe des US-Magazins Popular Mechanics vom Juli 1961. Auf dem Flug in den Orbit hat der Parabolspiegel das Volumen eines Wasserglases, wo er aufgeblasen zu einem metallisierten Mylar-Reflektor mit einem Durchmesser von 2,15 m wird. Die konzentrierten Sonnenstrahlen werden in Wärmeenergie verwandelt, um verschiedene elektrische und mechanische Instrumente zu betreiben. Die entsprechenden Tests werden (am Boden) von der GT Schjeldahl Co. in Northfield, Minnesota, durchgeführt.

Das südbadische Unternehmen Bomin-Solar von Prof. Hans Kleinwächter in Lörrach-Haagen gilt seit 1970 als Pionier bei der Entwicklung dieses Anlagentyps. Gemeinsam mit seinem Sohn Jürgen (s.o.) erfindet er 1972 ein Vakuumsystem zur Verformung flexibler Spiegeloberflächen, womit eine extreme Preis- und Gewichtsreduzierung gegenüber festen Spiegeln erreicht wird. Diese Folienspiegel aus Hostaflon ET sind kratzfest, und dadurch gegen Hagel- und Sandstürme gefeit, auch ihre Nutzungsdauer von 10 Jahren liegt nicht hinter der konventioneller Glas- oder Metallspiegel zurück. Der zu einer metallisierten Folie verarbeitete Flour-Kunststoff ist chemisch mit Teflon verwandt. Die Folie wird über einen Rahmen aus Faserverbundwerkstoffen gespannt und mittels einer Vakuumpumpe in die gewünschte Parabolform gebracht. Derartige Spiegel weisen einen Wirkungsgrad von 80 % – 90 % auf. Dieses Unterdruck-Verfahren wird inzwischen weltweit bei Metallspiegeln angewandt.

Ab 1982 bietet Bomin-Solar 1 kW – 10 kW Sonnenkraftwerke in Leichtbauweise an (3 m – 10 m Durchmesser). Als Wirkungsgrad werden 70 % genannt, sofern die Abwärme zur Meerwasserentsalzung genutzt wird. Bei diesen Kuppelkraftwerken werden die Reflektoren zum Schutz vor Witterungseinflüssen von einer durchscheinenden Plastikfolie umhüllt, die sich über eine kuppelförmige Stahlkonstruktion spannt. Herzstück der Anlage ist der bereits 1816 erfundene Stirling-Motor, der hier eine Arbeitstemperatur von 600°C – 650°C erreicht, und für den Vater und Sohn Kleinwächter eine magnetische Energieauskopplung entwickeln, um seinen Hauptschwachpunkt – die mangelhafte Abdichtung – zu umgehen: Am unteren Ende des Arbeitskolben brachten sie zwei Magnete an. Diese nehmen zwei weitere, an der Außenwand des Zylinders beweglich montierte Magneten bei jedem Kolbenhub mit. Diese magnetische Kupplung überträgt die Kolbenbewegung nach außen – und der Zylinder selbst, den keine Kolbenstange mehr durchdringen muß, kann als hermetisch abgeschlossener Raum mit einem geschlossenen Gaskreislauf gestaltet werden.

1984 wird ein Prototyp bei Heilbronn vorgestellt, und 1985 folgt nach Tests bei der DFVLR der Bau von zwei Dish-Kraftwerken mit je 17 m Durchmesser und einer Leistung von 50 kW im saudischen Riadh. Dort wird bei einer Receiver-Temperatur von 700°C Wasserstoff als Arbeitsgas für den 4-Zylinder-Stirling-Motor eingesetzt. Die Finanzierung von 3 Mio. $ teilen sich die King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST) und das BMFT, den Bau führt das Ingenieurbüro Schlaich, Bergermann & Partner durch. Bis 1988 werden rund drei Dutzend Patente durch Bomin-Solar angemeldet.

Zur Überbrückung von Ausfallszeiten bzw. für den nächtlichen Betrieb entwickelt die Bomin-Solar außerdem eine Methode der Energiespeicherung, die sich ideal in das vorhandene Konzept einpassen läßt: Das von einem Parabolspiegel gebündelte Licht trifft mit 450°C auf einen mit Magnesiumhydrid gefüllten Behälter, wodurch sich dort der Wasserstoff vom Magnesium trennt und in einen zweiten Behälter fließt, wo er sich mit einer Eisen-Titan-Legierung verbindet. Bei beiden Prozessen wird Wärme frei, die zu Heizzwecken oder zum Betrieb eines Motors genutzt werden kann. Bei Nacht oder bei Bedeckung kehrt sich das Ganze um: Der Wasserstoff verlässt die Eisen-Titan-Legierung und strömt zurück zum Magnesium, wobei sich der zweite Speicher bis auf minus 20°C abkühlt. Und indem im ersten Speicher Wasserstoff und Magnesium wieder miteinander reagieren, entsteht dort Wärme über 450°C, die jetzt den Motor antreiben kann.

Auch in den USA werden leistungsfähige Dish-Systeme entwickelt. Ab 1979 wird auf der Edwards Airforce Base in der Mojave-Wüste ein 11 m Dish mit einem Output von 23,5 kW getestet, dessen Reflektor aus 220 einzelnen Spiegelsegmenten besteht. Die sonnennachgeführte Anlage, die von dem Unternehmen United Stirling AB of Sweden geliefert wurde, kann im geschlossenen Wasserstoff- oder Helium-Kreislauf betrieben werden und erreicht am Receiver eine Temperatur von 700°C. Auf dem Foto erkennt man sehr gut den Ort, an dem sich bei einem 25 kW Receiver von Stirling Energy Systems die Sonnestrahlen treffen: es ist der Trichter aus spiralförmig angeordneten Metallröhrchen, welche die Hitze aufnehmen.

Ab 1981 ist ein weiteres System beim Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Betrieb. Die Anlage gibt 250 kW ins Netz des Stromversorgers Southern California Edison ab.

Unter dem Namen Vanguard I existiert von 1982 bis 1985 im kalifornischen Rancho Mirage außerdem eine 25 kW Anlage (andere Quellen: 35 kW) der Firma Advanco Corp., die mit einem Durchmesser von 10,5 m und einem Konzentrationsfaktor von 2.100 eine Effizienz von rund 30 % erreicht. Der installierte 4-95 Mark II Stirling der Firma United Stirling hat eine Operationstemperatur von 800°C. Advanco muß sich aufgrund einer Exklusivvereinbarung zwischen McDonnell Douglas und der United Stirling AB of Sweden allerdings aus der Entwicklung zurückziehen, während die beiden Partnerfirmen gemeinsam einen 25 kW Stirling entwickeln und testen, der einen Spiegelfacetten-Reflektor hat. Nach dem Bau von 6 Prototypen entscheidet man sich aber gegen eine Kommerzialisierung.

Geplant wird ferner eine 30 MW Anlage für die Southern California Edison, die im Hybridverfahren (Solar/Gas) funktioniert; der Vertrag für diese Vanguard II Anlage wird mit der United Gas Corp. of USA geschlossen.

Eine besonders große Dish-Farm ist die SolarPlant 1 der LaJet Energy Company in Abilene, Texas, die Mitte 1984 mit insgesamt 700 Konzentratoren vom Typ LEC-460 auf der Warner Ranch in der Nähe von Warner Springs, etwa 45 Meilen nordöstlich des kalifornischen San Diego, in Betrieb geht. Damals wurde besonders die kostengünstige Errichtung dieser Farm betont, deren Strom zu jener Zeit nicht teurer war als der aus fossilen oder nuklearen Quellen.

Die Anlage hat eine elektrische Leistung von 4,92 MW, die an die San Diego Gas & Electric (SDG&E) verkauft wird, und besteht aus zwei unterschiedlichen Konzentrator-Feldern: Im ersten Feld wird Dampf mit einer Temperatur von 276°C erzeugt, aus dem anschließend das Wasser abgeschieden und in den Kreislauf zurückgespeist wird. Im zweiten Feld erfolgt dann eine Nacherhitzung auf 371°C und die Weiterleitung zu zwei Turbinen. Von diesen hat die erste eine Leistung von 3,68 MW, während die zweite für 1,24 MW ausgelegt ist und primär beim Hoch- bzw. Herunterfahren der Anlage eingesetzt wird, wenn nicht genug Dampf für den Betrieb der großen Turbine erzeugt wird, bzw. bei einer zu geringen Sonneneinstrahlung, die nicht für den gemeinsamen Betrieb beider Turbinen ausreicht.

Man hatte bereits 1979 mit der Entwicklung der LEC-460 Konzentratoren begonnen und im Laufe der Jahre insgesamt sechs verschiedene Modelle gebaut, bis das Ziels eines hochoptimierten Konzentrators erreicht war. Jeder einzelne LEC-460 besitzt zwecks schneller Reaktionszeiten und zur Vereinfachung der Gesamtanlagen-Software eine eigene Prozessorsteuerung zur Sonnennachführung. Jeder Konzentrator besteht aus 24 runden Einzelspiegeln aus leichter Polymerfolie, deren Wölbung mittels kleiner Vakuumpumpen exakt gesteuert wird. Der Konzentrationsfaktor beträgt 225. Die Edelstahl-Receiver, die alleine durch das Sonnenlicht eine permanente Schwärzung erreichen, sind mit einer Salzschmelze gefüllt, in der sich die wasserführenden Rohre erhitzen. Diese Schmelze wirkt bis zu 30 min. lang auch als Wärmepuffer. Die low-cost Trägerkonstruktion aus Metall und Karbonfasern ist auf eine Massenfertigung zugeschnitten. Im Gegensatz zu den Bauzeiten von 10 – 15 Jahren bei Brennstoff- oder Nuklear-Energieanlagen rechnet man bei einer SolarPlant mit Bauzeiten von nur einem Jahr. Dafür wird die Lebensdauer der Anlage mit 20 – 30 Jahren angegeben, bei einer Amortisationszeit von 10 Jahren. An den Reflektoren müssen die Polymerfolien allerdings schon nach 5 Jahren ausgetauscht werden. Das Gelände der SolarPlant 1 Anlage wird übrigens begrünt, um die lokale Staubfreisetzung zu reduzieren.

Die Entwicklung des LEC-460 Konzentrators und der ganzen Anlage erfolgt ohne öffentliche Förderung und ausschließlich aus privaten Mitteln. Nach dem Bau wird die SolarPlant 1 für 18,65 Mio. $ an die LEC Solar Partners verkauft, eine Gruppe, die durch die Merrill Lynch Capital Markets in New York gebildet wird. Im Vergleich zu der Solar One Rinnenkollektoranlage, bei der mit einem kW-Installationspreis von 14.000 $ gerechnet wird, kostet die SolarPlant 1 nur 3.790 $ pro installiertem kW. In einem Angebot von LaJet, das ich 1987 eingeholt habe, wird sogar ein Installationspreis von nur 3.000 $ pro kW angegeben. Es ist völlig unverständlich, daß man später nicht mehr das Geringste über diese Pionier-Anlage hört, obwohl bereits 1985 der Plan bestand, mit der Solarplant 2 eine zweite, diesmal sogar 10 MW leistende Anlage zu errichten.

1995 befindet sich außerdem ein 50 kW Parabolspiegel auf dem Testgelände der Sandia National Laboratories. Und ab ca. 2000 arbeiten in den USA drei Konsortien an der Markteinführung.

Das im Jahr 1985 gegründete Unternehmen Stirling Technology Co. entwickelt einen 25 kW Dish-Stirling, ebenso wie die Firma Cummins Power Generation, die außerdem ein 5 kW System zur Bereitstellung von Elektrizität in entlegenen Regionen konstruiert, das eiegntlich für den Massenmarkt gedacht ist. Die Firma beendet ihre Aktivitäten allerdings im jahr 1996.

Über den Österreicher Wolfgang Scheffler habe ich schon im Kapitel Solarkocher berichtet, da er schließlich der Initiator großer Solarküchen in Indien (und anderswo) ist, darunter auch der größten Solarküche der Welt in Abu Road, im indischen Rajastan, wo täglich für Zehntausende Besucher eines Brahma Kumaris Yoga-Zentrums gekocht wird. Seinen ersten funktionstüchtigen Reflektor hatte Scheffler schon 1986 in einer Missionsstation in Nordkenya gebaut.

Im Jahr 1998 beginnt er gemeinsam mit indischen Freunden aus der Stadt Valsad in Gujarat ein solares Krematorium zu entwickeln und zu konstruieren. Eine traditionelle indische Feuerbestattung erfordert immerhin ca. 300 kg an Brennholz und getrockneten Kuhfladen und de neue Idee sollte vor allem im Hinduismus sehr gut akzeptiert werden, weil ja Surya - der Sonnengott - den Körper in Asche umwandelt. Die Idee an sich ist nicht neu, denn schon 1977 erschien auf der Titelseite der September-Ausgabe von L´Architecture d´aujourd´hui der (abstrakte) Entwurf eines mit Flachspiegeln betriebenen solaren Krematoriums von Frederick Fisher, das allerdings ein reines Konzept blieb.

1999 werden bereits die ersten 50 m² Reflektoren installiert, doch die Arbeit geht nur schleppend voran, da Scheffler nicht dauernd anwesend sein kann. Als Anfang 2007 auch noch der leitende Ingenieur anderweitig ein finanziell besseres Angebot erhält und das Team verläßt, werden die Aktivitäten um das Solar-Krematorium fürs erste eingestellt. Was schade ist, da man schon 90 % der Arbeiten abgeschlossen hatte und viele Experimente positive Ergebnisse zeigten. Doch schon im Oktober geht es weiter, als die Verwaltung des Muni Seva Ashrams im 30 km östlich von Baroda gelegenen Dorf Goraj erklärt, daß man glücklich sei, wenn das Solar-Krematorium im Dorf installiert werden würde, um den Nutzen der solaren Feuerbestattung zu beweisen.

In Zusammenarbeit mit der Himalaya Company in Baroda geht es nun zügig voran, ein Reflektor wird installiert, und im März 2008 wird - noch bevor die Spiegel gereinigt sind - im Empfänger schon eine Temperatur von 1.050°C gemessen. Der Fokus hat einen Durchmesser von 300 mm, und die berechnete Zeit für die Einäscherung eines Körpers von 60 kg Gewicht beträgt ca. ein bis zwei Stunden. Leider habe ich bislang nicht herausfinden können, wie es mit diesem Projekt weiterging. Über neuere Scheffler-Projekte berichte ich weiter unten.

In Deutschland entwickelt Schlaich, Bergermann & Partner (SBP) mit sechs weiteren Partnern aus Deutschland und Spanien, sowie mit EU-Förderung, ein fortschrittliches System mit dem Namen EuroDish, bei dem es in erster Linie um eine Kostenreduzierung gegenüber den Vorgängermodellen geht. So wird der 17 m durchmessende Konzentrator als dünnwandige Sandwichschale aus glasfaserverstärktem Epoxidharz hergestellt. Außerdem wird die Konzentratorfläche um 25 % größer ausgelegt als für die Nennleistung des 4-275 Motors von United Stirling erforderlich ist.

Zwar geht so bei maximaler Einstrahlung ein Teil der Wärme verloren, die dann durch ein kleines Gebläse an den Receiverrohren abgeführt wird, doch bei mittlerer und geringer Einstrahlung kann der Motor trotzdem mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Im Jahresmittel kann der Ertrag bei Standorten mit nur wenigen Stunden maximaler Einstrahlung um fast 30 % gesteigert werden. Zwei Stück dieser jeweils 50 kW leistenden EuroDish-Prototypen werden 1984 in Saudi-Arabien in Betrieb genommen

Später erfolgt bei SBP die Entwicklung eines 10 kW Dish/Stirling-Systems mit einem Durchmesser von 8,5 m, einem Konzentrator aus gespannter Mambran und einem V-161 Stirling, von dem ab 2000 bzw. 2001 zwei Prototypen in Almería getestet.

Die Anutech Pty Ltd., kommerzieller Arm der Australian National University, und die Pacific Power and Transfield Pty Ltd. erhalten vom Australian Greenhouse Office einen Betrag von 2 Mio. $, um 18 große Dish-Kollektoren auf dem Gelände des Eraring Kraftwerks in der Nähe des Macquarie-Sees in New South Wales zu installieren. Der Gesamtoutput wird 2,3 MW betragen und ins öffentliche Stromnetz geleitet werden.

In der Negev-Wüste betreibt das Ben Gurion National Solar Energy Center zu dieser Zeit den weltgrößten Solar-Parabolspiegel mit einer Reflexionsfläche von 420 m². Er besteht aus 216 einzeln einstellbaren Dreieckspiegeln, die Licht auf eine nur einen Quadratmeter große Fläche lenken. Der Dish-Konzentrator befindet sich in dem Photon Energy Transformer & Astrophysics Laboratory (PETAL) im israelischen Sde Boqer. Er konzentriert 400 kW Sonnlicht um das 10.000fache.

Ab Januar 2005 betreibt die 1996 gegründete Stirling Energy Systems Inc. (SES) mit Sitz in Scottsdale, Arizona, eine Anlage mit sechs Schüsseln auf dem Testgelände der Sandia National Laboratories in New Mexico, die eine Maximaleffizienz von 29,4 % erreichen – ein neuer Rekord. Das Unternehmen will seine Investitionen durch die hohe produzierte Strommenge wieder hereinholen. Auch sollen die Kosten durch die Massenproduktion der Schüsseln sinken. Die Prototypen im Sandia-Labor kosten derzeit 150.000 $ pro Stück – in der Wüste in der Nähe von Los Angeles sollen sie dann weniger als 50.000 $ kosten.

Das ausgereifte SunCatcher Modell von SES (das Unternehmen hatte im Jahr 1996 die Patente des 1984 von McDonnell Douglas und Kockums entwickelten Solar-Stirlings erworben) hat einen Durchmesser von 11,5 m, besitzt einen Vier-Zylinder Stirling-Motor, der mit expandierendem Wasserstoff funktioniert, und erreicht eine Leistung von 25 kW. Das Modell gilt als der gegenwärtig weltweit effizienteste Solargenerator - kostet allerdings auch 250.000 $

Einer der größten US-amerikanischen Stromversorger mit rund 13 Millionen Kunden, die Southern California Edison (SCE), verkündet zusammen mit Stirling Energy Systems im August 2005 Pläne für den Bau eines Dish-Stirling-Kraftwerks Calico Solar One mit 500 MW Leistung, das in San Bernadino County, rund 110 km nordöstlich von Los Angeles bzw. 60 km östlich von Bastrow, errichtet werden soll. Außerdem besteht eine Erweiterungsoption auf 850 MW. Eine derartige Anlage mit etwa 34.000 Schüsseln auf einer Fläche von rund 33 km² kann Strom für 600.000 Haushalte liefern, kosten würde sie rund 2 Mrd. $. Im Gespräch sind sogar Solarfarmen mit einer Gesamtleistung von 1,75 GW.

Stirling Energy Systems baut innerhalb von 18 Monaten nahe Victorville, Kalifornien, ein 1 MW Testfeld mit 40 Stück seiner Dish-Stirling-Systeme. Innerhalb von vier Jahren soll anschließend ein Kraftwerk mit 20.000 Einheiten entstehen, die eine Fläche von mehr als 1.800 Hektar abdecken. Es wäre dann das erste kommerzielle Kraftwerk dieser Art.

2008 verkauft SES für 100 Mio. $ eine Kontrollmehrheit an die in Dublin ansässige irische Firma NTR plc. Das Geld erlaubt es SES, das erforderliche Re-Engineering der ersten Generation durchzuführen, damit die Dishes leichter werden, mit nur 40 statt wie bislang 80 Spiegeln auskommen und auch einfacher herstellbar und wartbar werden. Daneben wird in Houston die Tessera Solar gegründet, um als Projektentwicklungsgesellschaft zu agieren. Im März installiert SAS vier neue SunCatcher in den Sandia National Laboratories auf der Kirtland Air Force Base in New Mexico und erzielt mit einem Wirkungsgrad von 31,25 % einen neuen Weltrekord. Das Unternehmen erwartet daraufhin, noch im Laufe des Jahres von NTR 54 Mio. $ für die Weiterentwicklung seiner Systeme zu bekommen.

Ein weiteres Projekt von Stirling namens Solar Two mit 30.000 SunCatchern auf 26 km²Wüste soll eine Leistung von 709 MW erreichen, und im kalifornischen Imperial Valley, etwa 160 km östlich von San Diego, entstehen – während Solar Three mit 550 MW Leistung in der Nähe von Newberry Springs errichtet werden soll.

Es dauert allerdings bis Mai 2009, bis die California Energy Commission mit der Überprüfung des Solar One Projekts beginnt. SES errichtet derweil gemeinsam mit dem örtlichen Energieversorger SRP das 1,5 MW Solarkraftwerk Maricopa in Peoria (Maricopa County), Arizona, das mit seinen 60 SunCatchern Anfang 2010 für den Stromerzeuger Salt River Project in Betrieb geht. Außerdem wird eine Vereinbarung mit Boeing geschlossen, um deren high-concentration photovoltaic (HCPV) Solartechnologie weiterzuentwickeln.

In West Texas wird ferner das Western Ranch Projekt für die Stromgesellschaft CPS Energy geplant, das mit 1.080 Systemen 27 MW elektrischer Leistung bereit stellen soll – mit der Option, den Park bis auf 100 MW auszubauen. Das für 2011 anvisierte Projekt wird im September 2010 jedoch aus finanziellen Gründen zeitweilig ausgesetzt.

Im Dezember 2010 verkauft der Projektentwickler Tessera das 850 MW Projekt Calico Solar One an die K Road Power Holdings, bzw. deren Tochter K Road Sun, nur kurz nach Erhalt der Zulassung von der California Energy Commission. Über den Verkaufspreis wird Stillschweigen bewahrt. K Road gibt bald darauf bekannt, daß 750 MW davon allerdings als günstigere PV-Anlage umgesetzt werden sollen. Die für das Projekt erforderliche Investitionssumme wird rund 3 Mrd. $ betragen. Im Februar 2011 verkauft Tessera auch das Imperial Valley-Projekt, Käufer ist die PV-Firma AES Solar Power. Auch hier ist ein Schwenk in Richtung Photovoltaik zu verzeichnen.

Schlußendlich werden alle weiteren Projekte obsolet, da SES im Oktober 2011 aus finanziellen Gründen in Konkurs geht.

Die SCE wiederum gilt schon heute als größter Einkäufer von Strom aus erneuerbaren Energiequellen in den USA. Mehr als 2.500 MW der Energie, die an die Kunden gehen, stammen aus Wind-, Erdwärme-, Solar-, Biomasse- oder Wasser-Kraftwerken. Das sind immerhin rund 18 % der Gesamtenergiemenge, die das Unternehmen verkauft.

Im Juli 2007 präsentiert die Australian National University in Canberra einen gigantischen Dish, der mit seiner Reflektorfläche von 400 m² einen weiteren Weltrekord darstellt und der in der Lage ist, ganz allein die Stromversorgung von 200 Haushalten zu sichern. Der Receiver im Brennpunkt  befindet sich in 13 m Höhe über dem Spiegel und wird von Wasser durchflossen, das sich bis auf 500°C aufheizt. Bis Anfang 2008 soll der existierende Prototyp zu einem marktfähigen Modell weiterentwickelt werden.

Einen kleinen Dish für den privaten Gebrauch stellt im Februar 2008 die Firma Infinia Corp. in Kennewick, Bundesstaat Washington, vor (später: Ogden, Utah), die ursprünglich miniaturisierte Stirlingmotoren für Kunstherzen und die Raumfahrt entwickelt hat. Ich habe das Unternehmen bereits im Kapitel über Optimierungs- und Verstärkungstechniken erwähnt (s.d.). Die einer konventionellen Satellitenschüssel ähnelnden Solargeneratoren mit Durchmessern zwischen 365 – 420 cm wiegen weniger als eine Tonne, produzieren pro Stück rund 3 kW, sind mit Stirling-Motoren ausgerüstet und sollen bereits Ende 2008 für 15.000 $ das Stück auf den Markt kommen.

Dieser Preis wird möglich, da der von Infinia entwickelte PowerDish weitgehend aus standardisierten Bauteilen aus der Autoindustrie besteht. Betrieben wird er mit Helium, das sich im Brennpunkt auf 650°C erhitzt. Als Wirkungsgrad werden 24 % angegeben.

Das 1985 gegründete Unternehmen (bis 2002 unter dem Namen Stirling Technology Co.), das 2007 eine Förderung des DOE in Höhe von 9,4 Mio. $ erhalten hat, bekommt 2008 von Wexford Capital, Vulcan Capital, Khosla Ventures, EQUUS Total Return, Idealab und Power Play Energy  50 Mio. $ Investitionsmittel, um die Produktion der Solargeneratoren hochzufahren.

Infinia verhandelt daraufhin mit Projektentwicklern über die Installation ihrer Dish-Systeme in Spanien und im Südwesten der USA, wobei es um Anlagengrößen zwischen 10 MW und 150 MW gehen soll. Für einen Dish-Park mit 10 MW sind 3.334 Einheiten erforderlich, die pro Stück 20.000 $ kosten, also insgesamt etwa 66 Mio. $. Die neue Produktionsanlage in Kennewick hat eine Jahreskapazität von 18.000 Einheiten, was einer Gesamtleistung von 55 MW entspricht. Tatsächlich hat Infinia 2008 aber erst einen einzigen Kunden in Spanien.

Im Dezember 2009 wird für rund 300.000 $ ein 9 kW System auf dem Dach der City Hall in Belen, New Mexico, installiert, das die monatlichen Stromkosten des Bürgermeisters von 1.200 $ auf Null verringert.

Im Laufe der Folgejahre gelingt es dem Unternehmen immer wieder, hohe Investitionsmittel - u.a. von dem Microsoft-Mitbegründer Paul Allen - als auch Fördergelder zu aquirieren (bis März 2010 rund 84 Mio. $). Außerdem werden erste Einzelkunden in Indien, China und dem Südwesten der USA beliefert.

2010 erfolgt ein Test des 4,70 m durchmessenden Infinia-Dish auf dem Gelände des Wartungstzentrums der San Diego Gas & Electric Co.in El Cajon, und Mitte des Jahres beginnt die Arbeit an einer Demonstrationsanlage, die in der Toyota-Eishokey-Arena in Kennewick den Strom für die Herstellung des Eises liefern soll. Eine zweite Demonstrationsanlage mit 12 - 15 Stück der 3,2 kW Schüsseln wird in der Stadt Richland errichtet. Als Einzelpreis für einen PowerDish werden inzwischen noch 10.000 $ genannt.

Anfang 2011 wird mit einem indischen Kunden (NVVN) über die Errichtung einer 10 MW Farm, die aus rund 3.000 Parabolspiegeln besteht, in Dalmia verhandelt. Das Projekt soll bis 2012 realisiert werden. Im Vergleich zu den gewaltigen Beträgen, die das Unternehmen in den vergangenen Jahren einkassiert hat, ist das bisherige allerdings Ergebnis mehr als bescheiden.

Doch zurück zur Chronologie:

Im Januar 2008 wird an den Sandia National Laboratories in Neu Mexiko mit 31,25 % Wirkungsgrad eines Stirling Energy Systems (SES) der Serie 3 ein neuer Weltrekord gemessen. Bislang galt noch immer der Rekord von 29,40 % aus dem Jahr 1984. Dabei wird die tatsächliche Umwandlungsrate zwischen dem Input an Sonneneinstrahlung und dem Output an Elektrischer Energie gemessen, die in das öffentliche Netz eingespeist wurde. Die Serie 3 mit ihren 82 Einzelspiegeln pro Dish wird erstmals im Mai 2005 installiert – als Satz von sechs Prototypen mit einer Gesamtleistung von 150 kW.

Ebenfalls Anfang 2008 werden aus Australien große Pläne bekannt. Das Unternehmen Solar Systems aus Melbourne, das u.a. die 450 Mi. $ Solaranlage in Mildura baut (s.d.), will die weltweit erste kommerzielle solarthermische Anlage mit Dishes zur Herstellung von Wasserstoff errichten, mit dem Fahrzeuge betrieben bzw. Strom erzeugt werden soll. Das 60 Mio. $ Projekt basiert auf dem Gedanken, den Wasserstoff als Zwischenspeicher einzusetzen, so daß die Energie dann zur Verfügung steht, wenn sie tatsächlich gebraucht wird. Bislang steht die Entscheidung noch aus, ob die Wasserstoff-Fabrik an die Mildura-Anlage angeschlossen wird – oder ob sie in eine kleinere Demonstrationsanlage in Bridgewater, in der Nähe von Bendigo, integriert wird.

Die Wasserstoffherstellung selbst beruht auf einer 1991 vom Firmengründer John Lasich optimierten Elektrolyse-Methode, bei der das zu spaltende Wasser auf 1.000°C aufgeheizt wird. Man rechnet mit einer Tagesleistung von umgerechnet 1 MW. Eine weitere Technologie ist die Verbindung von Dish und Hochleistungs-Solarzellen: Solar Systems errichtet bereits 1997 eine kleine Dish-Anlage mit CPV-System in White Cliff, 1998 ein Dish-System mit 500-fachem Konzentrationsfaktor in Fosterville, sowie 2005 und 2006 drei kleinere Dish-Anlagen in den North Territories (in Hermannsburg, Yuendum und Lajmanu). Später beschäftigt sich das Unternehmen zunehmend mit Solarturm-Kraftwerken (s.d.).

Anfang 2008 stellen Studenten des MIT einen Dish mit einem Durchmesser von 3,65 m vor, dessen sehr einfaches und kostengünstiges Design aus einem Rahmen aus leichten Alu-Rohren besteht, auf dem die Spiegelelemente angebracht sind. Der Spiegel konzentriert die Sonnenenergie in seinem Brennpunkt mit einem Faktor von 1000 - was ausreicht um massiven Stahl zu schmelzen. Im vorliegenden Fall wird die Wärme genutzt, um Dampf für die verschiedensten Anwendungszwecke zu erzeugen. Gekostet hat der Dish ungefähr 5.000 $. Die Studenten gründen auch eine Firma namens RawSolar und hoffen, bald mit der Herstellung von bis zu 1.000 Dishes beginnen zu können.

Die 2006 gegründete israelische Firma Zenith Solar in Nes Ziona nahe Tel Aviv präsentiert im März 2008 eine Dish-Technologie von der sie behauptet, die weltweit effektivste zu sein. Der Spiegel hat eine Fläche von 10 m² und fokussiert die Sonnenstrahlen auf einen Receiver-Generator mit einer Fläche von 100 cm², der sowohl Strom produziert als auch Wasser erhitzt, so daß man von einem Nutzungsgrad von rund 70 % spricht.

Entwickelt wurde der Zenith-Dish in Zusammenarbeit mit der israelischen Ben-Gurion University und dem deutschen Fraunhofer Institut. Die aktuellen Planungen sehen vor, zum einen mit 86 Parabolspiegeln rund 25 % des Energiebedarfs von 250 Familien des Kibbuz Yavne zu decken, zum anderen mit einer Anzahl weiterer Spiegel den Verbrauch von Heizöl einer großen Chemieanlage zu ersetzen. Bei einem Erfolg plant Zenith 2009 mit der Vermarktung zu beginnen.

Mitte des Jahres präsentiert die Saskatoon, Saskatchewan, ansässige kanadische Firma Solar Hydrogen Energy Corp. Labs (SHEC) eine innovative Solar-Technologie, die aus Konzentrator, Receiver und Wärmespeicher besteht. Mit dem neuen Design, das keine exotischen Materialien verwendet, soll ein Konzentrationsfaktor von 5.000 bis 22.000 Sonnen erreicht werden. Damit kann eine Betriebstemperatur von 800°C leicht erreicht werden – doppelt so viel wie bei Parabolrinnen –, was zu höheren Wirkungsgraden bei der zu betreibenden Turbine führt.

SHEC, die schon im Jahr 1996 mit Forschungen zur Produktion von Wasserstoff mit Hilfe von Solartechnik begann, behauptet, daß ihr Dish der weltweit effizienteste seiner Klasse sei. Außerdem entwickelt das Unternehmen eine Technik zur Herstellung von Glasspiegeln mit sehr hoher Geschwindigkeit, die 30 Mal schneller als der übliche Industriestandard ist. Damit sollen sich die Kosten des Gesamtsystems um 75 % reduzieren lassen. Erste Freilandversuche mit einer kleinen Pilotanlage werden auf einem Testgelände in Arizona durchgeführt. Mehr über SHEC findet sich im Kapitel Sonnenofen.

Im Oktober 2008 gibt die US-Firma Andersen Manufacturing Inc. aus Idaho Falls, die in  den vergangenen 26 Jahren weltweit rund 250.000 Satellitenschüsseln unterschiedlichster Größe hergestellt und installiert hat, bekannt, daß sie nach Joint Venture-Partnern sucht, um in Zukunft auch segmentierte Dish-Reflektoren für große Solarfarmen zu produzieren. Andersen Produktionsanlage sei in der Lage, täglich bis zu 20 Stück der 6 x 7 m großen Parabolspiegel auszustoßen. Ein 36.000 Reflektoren-Solarpark wäre damit innerhalb von zwei Jahren zu bauen. Im März hatte das Unternehmen schon einen Solarkocher vorgestellt, bei dem ein kleiner Motor den zu erhitzenden Topf ständig dreht. Leider ist später nichts mehr über diese Projekte zu finden.

Im November 2009 gibt die zwei Jahre zuvor gegründete, und aus dem Weizmann Institute hervorgegangene, israelische Firma HelioFocus Ltd. bekannt, daß sie vom US Department of Energy (DOE) und von Israels binationaler industrieller Forschungs- und Entwicklungsstiftung (BIRD) einen Zuschuß von 800.000 $ bekommen habe, um gemeinsam mit dem Weltmarktführer Capstone Turbine Corp. die solarbetriebenen Mikro-Turbinen des Unternehmens weiterzuentwickeln. 2008 hatten Musea Ventures und die Israel Green Corp. 20 Mio. $ in die Firma investiert.

Die Systemlösung der in Ness Ziona beheimateten HelioFocus besteht aus einem besonderen Receiver im Brennpunkt eines großen, segmentierten Parabolspiegels, der die solare Wärme mit Luft als Wärmeträger bereitstellt. Der volumetrische Receiver ist das Ergebnis von 20 Jahren Forschung, um einen hohen Wirkungsgrad mit langfristiger Haltbarkeit zu verbinden. Ein früher Prototyp des HelioBooster, der etwa ein Jahr lang betrieben wird, erzeugt Luftströme mit einer Temperatur von 850°C, anvisiert wird allerdings eine Temperatur von 1.000°C. Die Effizienz soll oberhalb der 20 % liegen. Das System erfordert nur 500 m²Land für seine Basis und produziert 360 kW thermisch, aus denen etwa 130 kW Strom entstehen.

Im Januar 2010 bekommt HelioFocus, die sich mehrheitlich im Besitz der Firmen IC Green Energy (Israel, 40 %) und Zhejiang Sanhua (China, 30 %) befindet, 11,5 Mio. $ von ihren Müttern und schließt im Laufe des Jahres mehrere Verträge mit Zulieferern ab.

Einer Vereinbarung zwischen HelioFocus und dem Stromversorger Israel Electric Company (IEC) zufolge wird in Ramat Hovav eine erste kommerzielle 1 MW Anlage errichtet, um das dort befindliche GuD-Kraftwerk zu unterstützen. Das Projekt soll 2012 gebaut werden und im Januar 2013 in Betrieb gehen. Es ist beabsichtigt, das Projekt 2014 auf 10 MW zu erweitern. Zu jenem Zeitpunkt soll dann auch ein ähnliches Projekt mit 12 MW im Industriepark Rotem seinen Betrieb aufnehmen, das mit dem Partner IC-Power realisiert wird.

Im November 2011 wird der Prototyp eines großen Parabol-Konzentrators in der Nähe von Dimona fertiggestellt. Die Anlage ist mit 500 m²Spiegelfläche einer der beiden weltweit größten derartigen Konzentratoren. Erstmals wird das Prinzip der Fresnel-Anordnung der Spiegelfacetten angewandt, wobei 219 gekrümmte Spiegel das Sonnenlicht auf den Receiver fokussieren (mehr über Fresnel-Spiegel findet sich im Kapitel über Optimierungs- und Verstärkungstechniken sowie unter Flachspiegel-Kollektoren). Im Mai 2012 folgt die Präsentation des ersten Spiegels Industriepark Rotem. Außerdem unterzeichnet HelioFocus mit Sanhua ein Abkommen zum Bau einer 10 MW Anlage für das chinesische Energieunternehmen Taiqing in der Inneren Mongolei ab 2013. Die mittelfristig auf 60 MW zu erweiternde Anlage soll zur Unterstützung eines 600 MW Kohlekraftwerks dienen.

Die 2008 gegründete Southwest Solar Technologies Inc. (SST) in Phoenix, Arizona, arbeitet an einem modifizierten und sehr sauberen Druckluftspeicher-System (CAES), das im Laufe des Tages aufgeheizte Druckluft in eine luftdichte Kaverne pumpt. Dabei werden Dish-Kollektoren eingesetzt. Wird wieder Strom benötigt, betreibt die ausströmende Luft eine entsprechende Turbine. Nachts soll die Anlage mit Windkraft betrieben werden.

Die Mikro-Turbinen-Technologie (Solar Turbine Engine) des Unternehmens einen Brayton-Zyklus (Luftturbine), bei welchem das Sonnenlicht durch den Dish auf einen speziellen Solar-Receiver fokussiert wird, in dem sich die Druckluft extrem aufheizt. Das Konzept wurde zunächst mit Unterstützung des DOE entwickelt und soll eine Effizienz über 30 % erreichen.

Anfang 2011 startet SST seinen neuen Solarforschungspark in Phoenix, Arizona, und schon einen Monat später erhält das Unternehmen den Auftrag für den größten kommerziellen Solar-Dish in Nordamerika. Mit etwa 22 m im Durchmesser hat er eine Fläche von über 320 m²und ist in der Lage, mehr als ein Viertel Megawatt an thermischer Energie in Form von konzentriertem Sonnenlicht auf den Receiver zu konzentrieren, was etwa 2.000 Sonnen entspricht. Der Dish wurde entwickelt, um das Turbinen-Generator-System zu optimieren, an dem SST gemeinsam mit der in Hampton, New Hampshire, ansässigen Firma Brayton Energy LLC arbeitet.

Im Juni 2011 beendet das Unternehmen die Tests des Receivers, bei denen die Einstrahlung gedämpft wurde, um die Energie auf 50 kWth zu reduzieren, was etwa 20 % der vollen Kapazität entspricht. Trotzdem erreicht der Receiver eine Temperatur von 925°C und erfüllt die gestellten Effizienzziele. Im September werden dann auch die Tests der produktreifen Solar-Turbine erfolgreich abgeschlossen.

Anfang 2012 gibt Southwest Solar bekannt, daß man mit der firmeneigenen Technologie auch ein innovatives konzentriertes Photovoltaik System (CPV) umgesetzt habe, welches das Licht mit der Stärke von 1200 Sonnen auf die CPV-Zellen konzentriert. Darüber hinaus verwendet das neue CPV-System eine interne Flüssigkeit/Luft-Kühlung, die kostenlose Wärme liefert und den Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)-Anwendungen auf dem Industriesektor ermöglicht. Zur Weiterentwicklung wird im Februar eine entsprechende Vereinbarung mit der Firma MaxQ Power Conversion LLC, eine Tochtergesellschaft der MaxQ Technology LLC in Tempe, Arizona, geschlossen. Der Partner besitzt Kompetenzen bei fortschrittlichen und hocheffizienten Multi-Junction-Solarzellen, bei der Konzentratoroptik und Leistungselektronik sowie einer effizienten Fertigung. Der gemeinsame Entwurf beinhaltet ein einzigartiges Solar-Flux-Management mit der Fähigkeit, auch eine ungleichmäßige Lichtintensität zu nutzen. Dies erlaubt, das CPV-Produkt sowohl mit Dishes als auch mit Heliostat-Kollektoren solarthermischer Kraftwerke einzusetzen.

Die Firma Wizard Power Pty. Ltd. wurde im Jahr 2005 gegründet, um die Forschungen im Bereich der solarthermischen Technologien weiterzuführen und zu kommerzialisieren, die seit den frühen 1970er Jahren an der Australian National University (ANU) durchgeführt worden sind. Hierfür wird das Unternehmen mit über 11 Mio. AU $ an Fördermitteln unterstützt und erhält auch die Lizenzen für die seitens der ANU entwickelten Big Dish Technologie. Der originale Big Dish, auch als SG3 bekannt, wurde erstmals 1994 gebaut.

Ab 2008 arbeitet die Firma am Aufbau einer Solarenergie-Speicher-Pilotanlage in Whyalla, im Süden des Kontinents. Die Anlage mit einem Investitionsvolumen von 230 Mio. AU $ soll im Laufe der Zeit erweitert werden, um die thermische und thermochemische Energiespeicherungstechnologie weiterzuentwickeln. Mitte 2009 wird der Bau des ersten kommerziellen neuen Big Dish Prototyps SG4 abgeschlossen, dessen Entwicklungsziel es war, die Kosten zu reduzieren und dadurch den Bau von großen solarthermischen Kraftwerken zu erleichtern.

Die Regierung gewährt dem Unternehmen im Mai 2010 zur Errichtung des Whyalla SolarOasis Kraftwerksprojekts Finanzmittel in Höhe von 60 Mio. AU $ (~ 53,7 Mio. US $). Die Partner im Whyalla SolarOasis Konsortium (N.P Power, Sustainable Power Partners und Wizard Power) wollen damit ein 40 MW Anlage hochziehen, die aus 300 große Parabolschüsseln (Big Dish) von jeweils 500 m² Fläche besteht und pro Jahr 66 GWh Strom produzieren soll. Diese Dishes bilden eine ideale Plattform zur Bereitstellung von Hochtemperatur-Energie für die dampfbasierte Stromerzeugung, hybride Lösungen, die Speicherung von Sonnenenergie – unter Einsatz des SUper heated MOlten salt (SUMO) Systems von Wizard –, für thermochemische Prozesse wie die Herstellung von Wasserstoff oder der Ausgangsmaterialien für flüssige und gasförmige Brennstoffe, Kunststoffe und Düngemittel, sowie für andere Hochtemperatur-Produktionsprozesse.

Die Whyalla SolarOasis bildet die erste kommerzielle Anwendung der Technologie und soll Aspekte wie Skalierbarkeit, Fertigungs- und Bautechniken demonstrieren sowie die Fähigkeit belegen, daß sich die Big Dish Konzentrator-Technologie auch mit handelsüblichen Dampfturbinen, Wärmetauscher und Kondensatoren integrieren läßt. Ein wichtiges Merkmal der SolarOasis wird auch das SUMO-Energiespeichersystem sein, das mit den geplanten vier Big Dish Einheiten verbunden werden soll.

Wizard arbeitet außerdem an der Errichtung einer eigenen Fabrikation für große Spiegelelemente, von denen dort pro Tag 3.000 Stück hergestellt werden sollen. Mit dem entsprechenden Jahresausstoß, der 2012 starten soll, ließe sich dann ein 500 MW Solarkraftwerk errichten. Daneben versucht das Unternehmen, kommerzielle Solarkraftwerke auch in anderen Regionen Australiens sowie in Asien, den USA und dem Nahen Osten zu etablieren.

Daß es auch eine Nummer kleiner geht, beweist Anfang 2011 der 19jährige Eric Jacqmain aus dem US-Bundesstaat Indiana, der mit 90 $ Kosten eine Satschüssel mit 5.800 winzigen Spiegeln ausgekleidet, die das Licht auf einen ungefähr einen Quadratzentimeter großen Bereich konzentrieren. Als nächstes will Jacqmain eine Schüssel bauen, die mit 32.000 Spiegelstückchen ausgestattet ist.

In Indien wird ab 2011 an den Plänen für ein gewaltiges Solarkraftwerk gearbeitet, das auf den o.g. Scheffler-Reflektoren basiert. Da mein Freund Thorsten Ludwig in die Entwicklung und den Bau dieser Anlage involviert ist, präsentiere ich das Projekt natürlich mit besonderer Freude – doch es verdient auch so besondere Anerkennung, denn die Komponenten werden fast ausnahmslos vor Ort selbst hergestellt und montiert.

Unter dem Namen India One Solar werden ab Anfang 2013 insgesamt 770 Parabolspiegel-Reflektoren von jeweils 60 m² Fläche (Gesamt: 45.000 m²) mittels Stahlkern-Hohlraum-Receivern einen thermalen Output von 140 MW erzielen – was 22 MWh pro Tag entspricht –, während über die direkte Dampferzeugung und eine Siemens-Dampfturbine zusätzlich 1 MW Strom erzeugt werden. Ein System zur Wärmespeicherung erlaubt einen 16-stündigen Betrieb auch ohne direkte Sonneneinstrahlung.

Initiator der Projekts ist der World Renewal Spiritual Trust (WRST) der spirituellen Vereinigung Brahma Kumaris, wo der große Scheffler-Reflektor auch entwickelt wurde. Das WRST hat bereits 15 Jahre lang gute Erfahrungen mit dieser Technologie gemacht. Hilfe erhält das weltweit einmalige Projekt in der Nähe des Shantivan Campus der Gemeinschaft in Abu Road, Rajasthan, durch das deutsche Fraunhofer Institut (ISE) sowie durch Wolfgang Scheffler persönlich. Die Kosten des Projekts werden auf etwa 11 Mio. € beziffert. Das indische Ministerium für Neue und Erneuerbare Energien (MNRE) hat einen Antrag auf Finanzierung bereits genehmigt, und das deutsche Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) erwägt ebenfalls, dieses Projekt zu unterstützen.

Eher für den professionellen Einsatz, aber auch in einer kleineren Dimension, bewegen sich die patentierten thermischen Dish-Sonnenkonzentratoren von Tufan Bayram aus Izmir. Die Entwicklung der Solarux-Dishes wurde von türkischen Forschungsinstitutionen unterstützt, und ihre Herstellung erfolgt zu 100 % in der Türkei.

Der Bayram-Konzentrator ist im Grunde ein Low-Cost Sonnenkonzentrator, der überall in Schwellen- beziehungsweise Drittweltländer gebaut werden kann. Der zweiachsig nachgeführte Prototyp hat einen Durchmesser von 4 m und erreicht eine Temperatur von 550°C. Es lassen sich aber auch leicht Dishes mit anderen Durchmessern (bis 24 m) herstellen. Hierfür hat Bayram auch eine entsprechende Software entwickelt, die automatisch alle einzelnen Spiegelgeometrien, ihre Lage und Winkel errechnet und die Zuschnittprogramme für die Blechschnitte erzeugt. Die Spiegel sind trapezförmige Flachspiegel, und die Spiegelfacetten haben alle unterschiedliche Abmessungen. Die Software erlaubt ferner, daß ein einziger PC bis zu 128 Konzentratoren zentral überwacht. Ansonsten besitzt jeder Spiegelkonzentrator einen eigenen Mikrocontroller und arbeitet autonom.

Der zylinderförmige Receiver arbeitet in Luftvakuum (0,01 mbar Unterdruck). Eine Pumpe fördert das Wärmeübertragungsöl durch den Absorber, wo es sich auf bis zu 345°C erwärmt. Anschließend wird dem Öl in einem Wärmeaustauscher die Wärme entzogen und Dampf erzeugt. Anfang 2012 arbeitet der Ingenieur an einer Pilotanlage für die Stromproduktion.

Diverse weitere Konzentrator-Systeme präsentiere ich im Kapitel Optimierungs- und Verstärkungstechniken - sowie im Kapitel über die sogenannten Concentrating Photovoltaic Anlagen (CPV).

Hier folgen nun die Solarturm-Anlagen, bei denen eine Vielzahl von Spiegeln ihre Strahlen bündeln und auf einen zentralen Receiver konzentrieren, der sich zumeist an der Spitze eines Turmes befindet.

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