TEIL 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.)

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In der Sowjetunion wird die Idee, Solarkraftwerke im Weltraum zu montieren, bereits kurz nach dem Weltraumflug von Juri Gagarin im April 1961 in einer Sitzung des Präsidiums der Akademie der Wissenschaften der Sowjetunion diskutiert und weitgehend gebilligt. In den darauf kommenden Jahren werden mehrere Projekte von Sonnenkraftwerken erstellt, besonders aktiv in den Jahren der Energiekrise Mitte der 1970er. Allerdings sind alle diese Projekte an geostationäre Umlaufbahnen gebunden, die inzwischen fast vollständig mit Kommunikationssatelliten vieler Länder besetzt sind.

In späteren Analysen wird betont, daß für die Stationierung eines russischen Kraftwerks eine elliptische solar-synchrone Umlaufbahn vorteilhafter wäre, in der die Anlage eine Erdumkreisung in zwölf Stunden absolvieren würde. In diesem Fall wird das Kraftwerk zwei Mal pro Tag ,aufgehen'. Die maximale Erdentfernung (über dem Nordpol) beträgt 40.000 km und die minimale Erdentfernung (über dem Südpol) 500 km.

Energie von einem solchen orbitalen Kraftwerk könnte innerhalb von acht Stunden zur Erde übertragen werden, wenn das Kraftwerk über dem Territorium Russlands hängt. Dabei können insbesondere die nördlichen Gebiete des Landes versorgt werden, wo es akut an Strom mangelt. In den restlichen vier Stunden würde der Strom in Akkus gespeichert werden.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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. 

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.

Technologien, bei denen Sonnenstrahlung bzw. Sonnenwind für mobile Systeme genutzt werden, behandle ich im Rahmen der elektrischen Mobilität unter Weltraum-Sonnensegel.

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

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