TEIL C

Hybridkollektoren

Bisher noch selten eingesetzt werden jene ,Ausnahmefälle', bei denen die Solarenergie innerhalb des gleichen Kollektors auf mehr als nur eine Art ausgenutzt wird, und die deshalb Hybridkollektoren genannt werden.

Konventionelle und zusätzlich mit Solarzellen belegte Kollektoren sind bereits 1979 von Dr. E. Schmidt auf einem Pressecolloquium der AEG-Telefunken vorgeschlagen worden. Hier nimmt der thermische Kollektor jenen Teil der Sonneneinstrahlung auf, der von den Solarzellen nicht in Elektrizität umgewandelt wurde, während diese Zellen ständig gekühlt werden, damit ihr Wirkungsgrad nicht hitzebedingt abnimmt. Die gewonnene elektrische Energie kann der Versorgung von Umwälzpumpe und Regeleinrichtungen dienen, das Warm­wasser kommt dem Anwender zugute.

Die o.e. Floureszenzlicht-Zellen des Freiburger Instituts für Festkörpermechanik bilden einen ersten Schritt zu einen richtigen Hybridkollektor, bei dem 15 % der eingefangenen Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird, während die restlichen 85 % weitgehend über das Kühlsystem der Zellen als Wärme abgeführt und genutzt werden können.

Mehr darüber findet sich auch unter den Optimierungs- und Verstärkungstechniken bei Solarzellen.

Als erstes Unternehmen in Deutschland steigt im März 2008 das Solarzentrum Allgäu in die Serienproduktion von Kombimodulen für Photovoltaik und Solarthermie ein. In Europa beschäftigen sich bislang nur wenige Firmen mit dieser Technologie, darunter das kleine holländische Unternehmen PV Twins, eine Ausgründung des Forschungsinstituts Energy Research Centre of the Netherlands (ECN), deren Kombi-Systeme billiger sind als zwei getrennte Anlagen, 90°C heißes Wasser liefern und genauso viel Strom wie herkömmliche Photovoltaik-Module.

In Zukunft rechnet man mit großen Zuwächsen bei dieser Technologie, weil die Dachflächen zunehmend knapper werden und sich Hausbesitzer künftig öfter entscheiden müssen, ob sie ihr Sonnendach lieber für Heizung und Warmwasser oder zur Stromerzeugung nutzen wollen. Hier kommen dann die Kombi-Module ins Spiel. Außerdem kann der Kühleffekt einer ganzflächigen Hinterspülung des Photovoltaik-Moduls dessen Stromertrag um bis zu 30 % steigern, während das warme Wasser im Winter für schneefreie und damit produktionsfähige PV-Flächen sorgt.

Hochleistungskollektoren

Um die ‚energetische Lücke’ zwischen Flachkollektor-Warmwassersystemen und den Hochtemperatur-Kollektoren zu schließen bieten die israelischen Firmen Paz Oil Co. und Pimat Ltd. 1990 zwei gemeinsam entwickelte Bündel-Kollektorsysteme an, die Warmwasser und Wasserdampf erzeugen, wie sie von Hotels, Schulen, Krankenhäusern, Wäschereien und auch bei einigen industriellen Prozessen genutzt werden. Das erste System mit trogförmigen Kollektoren und einem Konzentrationsfaktor von 2,7 kann saisonal auf Sommer- oder Winterposition eingestellt werden und erreicht eine Wassertemperatur von 80°C – 90°C, während das zweite System, bei dem bewegliche Glasspiegel zum Einsatz kommen, Wasserdampf mit einer Temperatur bis 200°C erzeugt.

Eine Demonstrationsanlage des ersten System ist bereits seit 1984 in Ra’anana in Betrieb, wo das Wasser eines Galvanisierungsbetriebes solar aufgeheizt wird. Seit 1985 wird außerdem eine Gemeinschaftsküche im Kibbuz Nir Eliyahu mit Wasserdampf von 120°C – 150°C versorgt. Insgesamt sind in Israel 1990 schon 17 solcher Systeme in Betrieb.

1993 stellt die Universität München einen Solarkollektor vor, der sich im Bereich der industriellen Prozesswärme in der Textil-, Papier- und Lebensmittelindustrie einsetzen läßt. Durch das Aufdampfen selektiver Absorberschichten auf Kupfer werden Temperaturen bis 375°C erreicht.

Zu den Hochleistungskollektoren zählen auch die Vakuumröhren-Kollektoren (s.o.), die von unterschiedlichen Firmen entwickelt worden sind und um 1993 auf den deutschen Markt kommen. Sie werden erstmals 1994/1995 bei einer 100 m² Solaranlage in Schwäbisch Gmünd installiert.

Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg präsentiert 1994 einen Kollektor mit transparenter Wärmedämmung, dessen Absorber durch halbzylindrische Spiegel beidseitig beleuchtet wird und dadurch eine Temperatur bis 250°C erreicht.

Die PSE GmbH aus Freiburg entwickelt ihrerseits einen solarthermischen Fresnel-Kollektor, der in sonnenreichen Ländern Gebäude klimatisieren bzw. in der Lebensmittel- und Textilindustrie zum Einsatz kommen soll. Der Kollektor ist besonders gut für Flachdächer etwa von Einkaufszentren oder Fabrikhallen geeignet.

Fresnel-Kollektoren sind der Sonne einachsig nachgeführte Spiegelstreifen, welche die Solarstrahlung auf ein Vakuum-Absorberrohr konzentrieren, das die Wärme auf eine Flüssigkeit überträgt (s.a. unter Verstärkungstechniken). Im Gegensatz zu Flach- oder Röhrenkollektoren werden hier bis zu 180°C erreicht, womit sich Absorptionskältemaschinen zur Klimatisierung betreiben lassen, die im folgenden beschrieben werden.

Solare KÜhlsysteme

Eine sehr frühe Umsetzung der solaren Kühlung wurde in der Augustnummer 1935 des Magazins Modern Mechanix präsentiert. Der vermutlich deutschstämmige Ingenieur Otto H. Mohr stellte damals in Kalifornien seinen Icey Ball Kühlschrank vor, der mit Ammoniak als Kältemittel funktionierte. Es hätte genügt, das mit einer sphärischen Linse ausgerüstete Gerät täglich für zwei Stunden in die Sonne zu stellen, um einen 24-stündigen Betrieb zu garantieren, bei dem sogar Eis produziert wurde.

Größere Einheiten, die vier Stunden des vom Objektiv konzentrierten Sonnenlichts benötigten, hätten dem Erfinder zufolge genügend Leistung erbracht um ganze Häuser zu kühlen resp. zu heizen.

Es ist bemerkenswert, daß eine ganze Reihe höchst einfacher Technologien des Wärme- und Kältesektors, die teilweise mit erneuerbaren Primärenergien funktionierten – und davon an erster Stelle mit Sonnenenergie – inzwischen fast völlig dem Vergessen anheim gefallen sind. Ich werde einige dieser Systeme und Maschinen, die manchmal weit über 100 Jahre alt sind, im Kapitel Wärmeenergie vorstellen. Wir sollten sie nämlich noch einmal auf ihre Zukunftsfähigkeit hin analysieren. Speziell im Bereich der solaren Kühlung habe ich auf einer der Seiten von Rex Research eine ganze Anzahl alter Patente gefunden, die in der entsprechenden Literatur sonst nirgendwo auftauchen.

Erst neuerdings erwacht in den Ölländern des Arabischen Golfs und in Saudi-Arabien zunehmend mehr Interesse an der Solarenergie. Hier ist im dezentralen Bereich die Kühlung natürlich wesentlich wichtiger als die Beheizung, doch trotzdem blieben die tatsächlichen Anwendungen bislang eher bescheiden.

In den USA soll es dagegen 1978 bereits rund 40.000 Solaranlagen gegeben haben die wechselweise als Heiz- oder Kühlanlage betrieben werden konnten.

Anfang der 1980er Jahre experimentiert Prof. V. Silvestrini am Physikalischen Institut der Universität Neapel mit einer selektiv strahlenden Oberfläche – eine Polymerfolie mit aufgedampftem Aluminium –, die Gegenstände, die sie bedeckt, dadurch passiv kühlt, daß sie vorzugsweise im Wellenlängenbereich von Infrarotlicht strahlt. Bei einem Versuch erreicht ein isolierter Kasten, auf dessen Deckel eine solche Folie angebracht ist, Temperaturen von 15°C unterhalb der Umgebungstemperatur.

Laut Amory Lovins ist das Kühlen mit Sonnenenergie langfristig jedoch nicht von großem Interesse, da ihre Notwendigkeit durch eine vernünftige Bauweise – selbst in den heißesten tropischen Klimazonen – beseitigt werden kann, wie es Jahrtausende herkömmlicher Architektur auf der ganzen Welt gezeigt hätte. Architekten, die gerne mit riesigen Glasfassaden arbeiten, sind da natürlich ganz anderer Meinung. Ich denke, das eine sollte das andere nicht ausschließen.

1987 stellt die französische Firma Brissonneau & Lotz Marine (BLM) aus Carque Fou Cedex einen Absorptionskühlschrank vor, der Aktivkohle und Methanol im Rahmen eines Tag/Nach-Zyklus nutzt und keinerlei beweglichen Teile besitzt. Die Entwicklung erfolgte am französischen Forschungszentrum C.N.R.S. Während der Nacht saugt die abgekühlte, aus Mikropartikeln bestehende Aktivkohle das in einem Behälter gelagerte Methanol an, das anschließend verdampft. Bei dieser Verdampfung wird Kälte erzeugt, die in Eisform in einer isothermischen Zelle des Verdampfers gespeichert wird. Tagsüber wird die Kohle durch Sonneneinwirkung erwärmt und das Methanol in Form von Dampf ausgestoßen, welcher kondensiert und sich dann wieder im Behälter ansammelt. Während der Nacht setzt ein neuer Zyklus ein, so daß die Kälte kontinuierlich erzeugt und genutzt werden kann.

Auch auf dem Weltkongreß zur Solartechnik 1987 in Hamburg wird ein Solar-Kühlschrank gezeigt, der in Zaire schon erfolgreich im Einsatz ist. Einen Einfachst-Holzkohlekühlschrank stelle ich übrigens bei den 3.-Welt-Systemen vor.

1988 bewertet die United Nations Industrial Development Organisation in Wien verschiedene Studien zur solaren Kühlung. Neben einem einfachen Ammoniak/Wasser-System der Universität von Florida werden dabei ein luftgekühlter Ammoniak/Wasser-Kreislauf des Lawrence Berkeley Laboratory der Universität von Kalifornien (von 1976) sowie ein Lithium/Bromid-Absorptionssystem der Ohio State Universität (von 1975) verglichen. Großtechnisch umgesetzt wird aber keines der Systeme.

Erst 1998 wird das Thema der solaren Kühlung wieder aktuell, als das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) im Rahmen eines Demonstrationsprojektes in Sintra nahe Lissabon eine Klimaanlage vorstellt, die auf dem Prinzip der Verdunstungskühlung basiert. Es handelt sich um eine mit Silikatgel (o. Silicagel) bestückte Kühlanlage, die als ‚solar-betriebene, auf Trocknungsmitteln beruhende Kühlungstechnologie’ vermarktet werden soll. Die Senkung der Temperatur wird durch Verdampfungskühlung erreicht, also durch die Befeuchtung der in das Gebäude gesaugten Luft – allerdings erst, nachdem die Luft zuvor mittels Silikatgel getrocknet wurde, um mit der gekühlten Luft keine übermäßige Feuchtigkeit zu verteilen. Der Wasserdampf aus der einströmenden Luft wird von dem Silikatgel absorbiert und in ein Trocknungs-‚Rad’ gepackt. Heißes Wasser von einem Sonnenkollektor erwärmt die Außenluft auf bis zu 65°C. Wenn sich das Rad dreht, geht es durch einen Heißluftstrom, der das Wasser vertreibt, wobei das Gel für den nächsten Zyklus desorbiert wird. Ein zweites Rad – ein sich ebenfalls drehender Wärmetauscher – kühlt die einströmende Luft vor, wobei die ausströmende Luft gleichzeitig vorgewärmt wird.

Zwar benötigt die Anlage Strom für ihre Ventilatoren sowie Wasser, doch der Stromverbrauch läßt sich in den klimatischen Bedingungen Portugals – im Vergleich zu konventionellen Kühlanlagen – um bis zu 65 % senken. Außerdem kann die Anlage im Winter auch zu Heizzwecken genutzt werden. Die EU übernimmt 40 % der Projektkosten.

1999 wird am Universitäts-Klinikum Freiburg eine Anlage zur solar unterstützten Klimatisierung eines Laborgebäudes installiert. Sie arbeitet mit einer Adsorptionskältemaschine und versorgt die Luftkühler in zwei Lüftungsanlagen. An der Konzeption und wissenschaftlichen Begleitung ist auch das Fraunhofer ISE beteiligt.

Die Kältemaschine besteht aus zwei Adsorbern, einem Verdampfer und einem Kondensator. Eine Adsorberkammer nimmt den im Verdampfer bei Unterdruck und tiefen Temperaturen (etwa 9°C) in die Gasphase überführten Wasserdampf auf. Das als Trocknungsmittel bekannte umweltfreundliche Granulat Silikatgel lagert ihn an (adsorbiert den Dampf). In der anderen Sorptionskammer wird der Wasserdampf mit dem Heißwasser der Sonnenkollektoren (etwa 85°C) wieder freigesetzt (die Kammer wird regeneriert oder ‚aufgeladen’). Der Druck steigt und der Dampf kann bei Umgebungstemperatur (30°C) in einem Kühlturm wieder verflüssigt (kondensiert) werden. Durch ein Drosselventil gelangt das Wasser anschließend wieder in den Verdampfer, und der Kreislauf beginnt von vorne. Sowohl das kondensierte Wasser (niedrige Temperatur) als auch die Sorptionswärme (hohe Temperatur) werden abgeführt. Die thermische Antriebsenergie für diese Adsorptionskältemaschine erzeugen direkt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren mit einer Fläche von 170 m², die in zwei Hauptfeldern verschaltet sind. Im Laufe der kontinuierlichen Arbeiten an der Anlage kann die Leistungsfähigkeit deutlich verbessert werden. Mittlerweile erreicht die Kältemaschine COP-Werte entsprechend den Herstellerangaben, diese liegen bei rund 0,6. Der solare Deckungsbeitrag zur Kältebereitstellung liegt im Sommer bei rund 60 %.

Sorptionskältemaschinen arbeiten auch im Presse- und Informationsamt der Bundesregierung in Berlin. Die Kältebereitstellung für die so genannte Giebelwandbebauung wird über Schwerkraftkühlsysteme realisiert, die aus einem Kältenetz von zwei Absorptionskälteanlagen versorgt werden. Die Vorlauftemperatur wurde auf 16° C und die Rücklauftemperatur auf 20° C ausgelegt. Die Absorptionskälteanlagen werden im Sommer ausschließlich durch die Heizwärme eines Solarkollektorfeldes mit direkt durchströmten Vakuumröhrenkollektoren angetrieben. Überschüssige, solar erzeugte Kälte kann in einen Gebäudeteil mit EDV-Bereich und ganzjährigem Kältebedarf genutzt werden.

Das Fraunhofer Institut UMSICHT arbeitet 2002 gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und der GEA Jet Pumps GmbH am Einsatz der Dampfstrahlkältetechnik –bislang vorwiegend in der Verfahrenstechnik genutzt – in sonnenreichen Ländern. Die effizienten Dampfstrahlkältemaschinen zeichnen sich durch ein gutes dynamisches Verhalten und den Einsatz von Wasser (ohne Zusatzstoffe) als Kältemittel aus. Die Antriebstemperaturen von typischerweise 200°C bedingen allerdings den Einsatz hocheffizienter Solarsysteme mit optischer Konzentration und Nachführung wie z.B. Parabolrinnen-Kollektoren (s.d.).

Im November 2002 stellt die Firma Menerga Apparatebau GmbH in Zusammenarbeit mit der Universität Essen ein neues Verfahren vor, bei dem Sonnenenergie in einer konzentrierten Salzlösung gespeichert und anschließend zur Kühlung verwendet wird. Bei dieser Technik zur Klimatisierung von Räumen wird der Arbeitsgang der Entfeuchtung der Zuluft von dem der Kühlung der Zuluft getrennt. Zuerst wird die von außen kommende Zuluft durch die Salzlösung entfeuchtet; dabei verdünnt das der Luft entzogene Wasser die Salzlösung. Anschließend wird die nun entfeuchtete Luft in einem Wärmetauscher mittels Wasserverdunstung herunter gekühlt und dann als kühle, trockene Luft in die Räume geleitet. Um den Kreislauf zu schließen, muß die verdünnte Salzlösung wieder entwässert werden. Dieser energieaufwendige Prozeß geschieht durch Aufheizen der Salzlösung mittels Sonnenenergie.

Einen Solar-Kühlschrank für hitzeempfindliche Medikamente, der im Durchschnitt weniger als 10 W verbraucht und ohne Stromanschluß im Dauerbetrieb laufen kann, wird 2004 von den Firmen Phocos aus dem baden-württembergischen Illerkirchberg, sowie va-Q-tec aus Würzburg entwickelt. Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt fördert das Vorhaben mit ca. 50.000 €. Das Kühlgerät soll den Anforderungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) für Transporte in Klimazonen bis zu 32°C entsprechen. Als Isolierung werden mit Aluminiumfolie ummantelte Platten aus porösem Quarzpulver verwendet, die dann evakuiert werden, um eine ideale Dämmung zu erhalten.

Eine völlig neue Methode mit Sonnenwärme Kälte zu erzeugen, verfolgen Wissenschaftler des Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) im amerikanischen Troy, die dabei mit 300.000 $ von der National Science Foundation (NSF) unterstützt werden. Dabei wird ein speziell entwickeltes Material genutzt, dessen  potentielle Anwendungsgebiete Flaschen ebenso wie neugebaute Hauswände umfassen. Hierzu verknüpfen die Forscher Solarzellen und elektrisch betriebene Wärmepumpen zu einer komplexen Sandwichschicht, die angrenzende Oberflächen abkühlen kann. Noch ist diese Schicht mehrere Millimeter stark, soll aber als fertiges Produkt wesentlich dünner werden. Der Prototyp der ABE (Active Building Envelope) genannten Technik steht 2006 in Form eines hohlen Würfels mit 1 m Kantenlänge auf dem Institutsdach in Troy. An einer Würfelseite sind flächendeckend Solarzellen angebracht, die den Strom für die darunterliegende Schicht aus thermoelektrischen Wärmepumpen liefern, die aus  Keramikplatten und dazwischen befindlichen Halbleiterelementen bestehen.

Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler die Solarkühlung auf unter einen Millimeter Dicke verkleinern, während die gesamte Technik am Ende der Entwicklung aus wenigen tausendstel Millimeter feinen Dünnschichtsolarzellen und Wärmepumpen im Nanometerbereich bestehen soll. Dann könnte die Fahrzeugindustrie das dünnschichtige System auf Windschutzscheiben oder Sonnendächern einsetzen, um damit den Innenraum eines Fahrzeugs zu beheizen oder zu kühlen, ebenso wie auch sich selbst kühlende Glasflaschen denkbar wären.

Auf der Intersolar 2006 im Juni in Freiburg, Europas größter Fachmesse für Solartechnik, zeigt sich, daß solare Kühl- und Klimatisierungsanlagen eines der aktuellen Topthemen sind. Führende Anbieter präsentieren ihre neuesten Produkte und Entwicklungen, darunter die deutschen Anbieter Citrin Solar GmbH und Conergy AG, der britische Vakuumröhren- Hersteller Thermomax Ltd. sowie die österreichischen Unternehmen Gasokol GmbH und Solution Solartechnik GmbH. Ebenfalls vertreten ist das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme.

Im September 2006 beginnt auf einem Robur-Firmengebäude bei Bergamo in Italien der Testbetrieb einer 50 kW Anlage mit 132 m² großem Fresnel-Kollektor, der an eine speziell entwickelte Ammoniak-Wasser-Absorptionskältemaschine angeschlossen ist und dieser heißes Druckwasser liefert, mit dem sie Temperaturen bis unter den Gefrierpunkt erzeugt. Dadurch ist der Einsatz eines Eisspeichers möglich, der die Kälte zeitversetzt abgibt und so auch nachts kühlt. Das Gesamtsystem soll in Kooperation mit dem Kältemaschinenhersteller Robur S.p.A. 2008 zur Marktreife gebracht werden.

Es ist schon traurig mitzuerleben, wie zwar jedes Verbrechen in den Medien breiteste Erwähnung findet – während eine Innovation wie die der 19-jährigen BWL-Studentin der Leeds University Emily Cummins einzig im Greenpeace-Magazin (und auch dort nur mit 7 Zeilen) kommuniziert wird. Immerhin gilt die britische Tüftlerin mit Leidenschaft für Afrika seit Anfang 2007 als jüngste „Technology Woman of the Future“ und wird für ihren mit Solarenergie betriebenen Kühlschrank, der vor allem lebensnotwendige Medikamente kühlen soll, vom Frauenministerium in London gewürdigt.

Auf die Idee kam Emily in Namibia, wo sie ein Jahr lang in einem Behindertenprojekt mitarbeitete. Bei der Umsetzung mitgeholfen hat ihr 76-jähriger Großvater Peter Harrison, und die Produktreife soll nun in Zusammenarneit mit Mark Champkins und der Stiftung ,National Endowment for Science, Technology and the Arts’ (NESTA) erfolgen.

Ist diese Meldung nicht mehr Wert als Nachrichten über 1.001 Verbrechen?!

Auch Studenten des MIT arbeiten Mitte 2007 an solar betriebenen Kühlprozessen, wobei hier Luft als Trägermedium eingesetzt wird. Ihr System besteht aus einer Metallplatte als Reflektor sowie verschiedenen billigen und überall vorhandenen Autoteilen – und produziert gleichzeitig Strom, heißes Wasser und gekühltes Essen. Die grundlegende Idee dafür hat Matthew Orosz, während er als Mitglied des peace corps in Afrika weilt. Immerhin erhält das Entwicklungsteam von der Weltbank einen Betrag von 100.000 $, um an dem System weiterarbeiten zu können. Außerdem entwickelt das MIT-Team eine angepaßte Parabolrinnen-Technologie, den ,Lesotho solar generator’, den ich im Kapitel der solaren Hochtemperatursysteme vorstellen werde (s.d.)

Zum gleichen Zeitpunkt installiert die Firma Solvis in einem mittelständischen Betrieb in Fürth ein Modellprojekt zur solarautarken Kühlung, Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung, das im Rahmen des Solarthermie2000plus Programms vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit gefördert wird.

Das technische System hat eine Leistung von 30 KW und versorgt eine Nutzfläche von 1.000 m², die zu beheizen bzw. zu kühlen sind. Dabei ist das Kühlsystem ein Prototyp, der später auch in der Wohnungswirtschaft bei Mehrfamilienhäusern Anwendung finden könnte. Die Aufdach-Kollektorfläche beträgt rund 100 m² und das Schichtspeichervolumen 3.700 l. Die Konzeption sieht vor, mittels der installierten Absorptionskälteanlage vom Typ Wegracal-SE30 eine solare Kältedeckungsrate im Sommer von 100 % zu erzielen. Neben der Kälteerzeugung wird die gewonnene thermische Solarenergie außerhalb der Kühlperiode auch zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung genutzt und überschüssige Wärme in den Übergangszeiten dem angrenzenden Kurbad unentgeltlich zur Verfügung gestellt.

Eine solar angetriebene Adsorptionskältemaschine in Verbindung mit drei Erdreichsonden mit je 80 m Tiefe kühlt seit Sommer 2007 die Küche der Institutskantine des Fraunhofer ISE in Freiburg. Bei der Adsorptionsmaschine (ACS 05) mit 5,5 kW Kälteleistung handelt es sich um eine Maschine der ersten Prototypenserie der Firma SorTech AG, eines Spin off des Fraunhofer ISE. Im Winter läuft die Anlage in umgekehrter Funktion als Heizung. Rund 60 % der benötigten Antriebsenergie wurden durch die Solaranlage bereitgestellt. Die ACS 05 wird seit Anfang 2008 vertrieben.

Im September 2007 stellt die Firma Solarsa International Ltd. Co. in Tampa, Florida, ihr erstes vormontiertes solares Kühlsystem für kommerzielle Anwendungen vor. Das mit Spiegeln versehene Kollektorsystem mit seiner Leistung von bis zu 4 MW wird allerdings nicht verkauft, sondern die nutzenden Unternehmen bezahlen für die gelieferte Energie. Es soll ab Sommer 2008 auf den Markt kommen.

Solarteiche

Dieses Verfahren geht auf den Deutschen Rudolf Bloch im Jahr 1947 zurück und ist inzwischen besonders von dem israelischen Physiker Harvy Tabor weiterentwickelt worden. In den vergangenen Jahrzehnten gewannen die Solarteiche außerdem in den USA (Solar Ponds oder Salt Ponds) und in Australien zunehmende Bedeutung – u.a. auch als billige Methode, Wärme mittelfristig zu speichern.

Die Idee der Solarteiche läßt sich allerdings bis zu dem russisch-ungarischen Wissenschaftler Alexander von Kaletschinski (o. Kalcsinski) im Jahre 1901 in Transsylvanien zurückverfolgen, der diese natürliche Wärmefalle entdeckte, welche darauf beruht, daß stark salzhaltiges Wasser schwerer als Süßwasser ist – selbst dann, wenn es um vieles wärmer ist als das obenauf schwimmende Süßwasser.

Im Versuch wurde nachgewiesen, daß sich unter eine Süßwasserschicht von 30 – 50 cm (Salzgehalt < 5 %) zuerst eine Art Isolierschicht von 100 – 150 cm ausbildet (Salzgehalt mind. 5 %, mit der Tiefe zunehmend), und unter dieser dann eine Schicht von 100 – 200 cm mit einem Salzgehalt über 20 %. Diese Schicht wird im Laufe des Tages aufgeheizt, weil die darüber liegenden Schichten zwar die einfallenden Sonnenstrahlen durchlassen, nicht jedoch die Wärmestrahlung der untersten Schicht, deren Temperatur dadurch bis auf 90°C ansteigen kann. Diese Wäre kann dann abgezapft und in andere Energieformen umgewandelt werden.

In Indien werden Salztümpel von 10 x 10 m angelegt, die ausreichende Kochwärme für 50 – 100 Familien liefern, und in Australien gibt es in Port Aspendale einen 200 m² Teich und in dem Wüstenort Alice Springs sogar einen Solarteich von 2.000 m², der einen 20 kW Generator betreibt. In den USA werden zwischen 1974 und 1980 ein gutes Duzend Teiche gegraben, mit Flächen zwischen 100 und 4.000 m². Das Woods Hole Oceanographic Institute in Falmouth, Massachusetts, experimentiert mit einem 1 m tiefen isolierten Erdloch von 4 m Durchmesser, auf dessen Boden sich – als schwarzer Absorber – eine Schicht Kohle befindet, über der sich eine Kalziumchloridlösung (45 %) befindet, die wiederum von 15 cm Süßwasser bedeckt ist. Über einen Rohrschlangen-Wärmetauscher kann dem Solarteich im Durchschnitt 2,7 kW Energie bei Temperaturen über 90°C entnommen werden. Zeitweilige Durchmischungen stabilisieren sich durch gelegentliche Einfrieren der Oberfläche von selbst. Weitere Tests an der kanadischen Grenze – eine Freibadbeheizung mit einem 1.000 m² Teich – und im harten Klima Neuenglands beweisen, daß eine Stromproduktion selbst bei gefrorener Oberfläche noch möglich ist.

Seit 1976 werden die Soletümpel auch an der University of New Mexico on Albuquerque sowie am Desert Research Institute in Nevada untersucht. Bei einer Höhe von 1.511 m über dem Meeresspiegel werden 108°C erreicht – genug um darin Eier zu kochen.

Ab 1979 werden Solarteiche auch in Saudi-Arabien angewendet. Ein 2.400 m² Teich wird so als Air Conditioning Anlage eingesetzt, andere Versuche beschäftigen sich mit der Nutzung als Energiequelle im Rahmen von Wasserentsalzungsprozessen. Probleme macht nur der Effekt der Salzkristallisation. Die Hitzeverluste der Oberfläche lassen sich dagegen mit der Auflage einer luftgefüllten, transparenten Wabenfolie oder mittels einem schwimmenden Polymer-Gel beheben, wobei letzteres allerdings eine nur kurze Lebensdauer besitzt.

Die Tests in Israel beginnen bereits 1954, doch erst ab 1980 wird auch an der Nutzung der Wärme für die Stromerzeugung gearbeitet, als die Firma Ormat Turbines Ltd. einen 7.000 m² Teich bei Ain Buqeq am Toten Meer mit einem 150 kW Generator koppelt. In Israel konzentriert man sich auf zwei Typen der Solarteiche: auf solche mit einem Salzkonzentrationsgefälle (s.o.), sowie auf Teiche die mit Wärmedioden arbeiten. Das heißt, daß die Wasseroberfläche hier mit Spezialpaneelen aus Glas oder Kunststoff abgedeckt wird, die Sonnenstrahlen durchlassen, den Wärmeverlust durch Rückstrahlung oder Konvektion aber verhindern. Mit dieser Methode kommt man auf Wassertemperaturen zwischen 60°C und 90°C, die sich gut als Sanitär- oder Brauchwasser eignen. An dieser Technologie arbeitet primär die Firma Arel Energy Ltd.

Am Toten Meer entstehen in Beit-HaAravah mehrere Anlagen von Solmat/Ormat. Die erste Anlage hat 5 MW (bei einer Wasserfläche von 250.000 m²), und speist ab 1984 ihren Strom ins Netzt ein, später werden Anlagen mit 20 MW bzw. 50 MW gebaut, und bei Sodom ist eine 100 MW Solarteich-Anlage geplant. Langfristig wird sogar daran gedacht, das gesamte Tote Meer als ein Auffangbecken für Solarenergie zu nutzen, was einen Energieertrag von rund 3.000 MW entsprechen würde, das heißt etwa ein Achtel des Gesamtenergieverbrauchs von 1981. Für den Einsatz hat Ormat spezielle Turbinen entwickelt, die organische Flüssigkeiten verwenden und mit Wasser auf relativ niedrigen Temperaturniveau betrieben werden.

Bei diesen Versuchen zeigen sich allerdings Probleme mit der Durchmischung des Wassers durch Wind, denn es dauert oft tagelang, bis sich die Schichtung wieder beruhigt. Der Wellenbildung soll daher mit Plastiknetzen entgegengewirkt werden. Die Investitionskosten werden mit 2.000 $ pro kW angegeben (1983).

1981 wird ein Lizenzvertrag zwischen  Israel und einem Konsortium kalifornischer Elektrizitätswerke geschlossen, bei dem es um den Bau eines 5 MW-Teiches im Imperial Valley geht, wo sich an der südwestlichen Seite des Salton Sees eine Versuchsbasis der U.S. Navy gibt, an der die neue Technologie nun erprobt werden soll. Die vom See abgeteilte Fläche von 1 km² wird stark mit Salz angereichert. Im Falle eines Erfolgs denkt man an ein 600 MW Kraftwerk, das von einen 80 km² großen Solarteich versorgt wird.

Ab 1983 beschäftigt man sich an der University of Texas in El Paso mit dem Salinity Gradient Solar Pond (SGSP) Projekt, das dann im May 1986 erfolgreich in Betrieb geht. Hierfür wird ein 3.350 m² großes und 3 m tiefes Becken bei Bruce Foods gefunden, einer Konservenfabrik im Nordosten von El Paso. Über das geschichtete Salzwasser werden Schwimmnetze ausgebracht, um die Wasserbewegung zu reduzieren. Der Motorgenerator (ein organischer Rankine-Zyklus) leistet 70 kW – die von der benachbarten Fabrik bei Spitzenlastzeiten genutzt werden.

Ab 1984 werden in den USA badewannenförmige Sunponds aus Perspex angeboten, das eine UV-Durchlässigkeit von 90 % besitzt. Ebenfalls 1984 exportiert Israel ein 48 MW Solarteich-Kraftwerk nach Südkalifornien.

Die 1991 in Los Angeles gegründete Sun Utility Network von Safwat Moustafa entwickelt neben einer mobilen Solaren Meerwasser-Entsalzungsanlage (s.d.) eine ortsfeste Anlage mit einem Tagesausstoß von 100 m³ Trinkwasser, die mit Vakuumröhren-Kollektoren und/oder mit einer selbst entwickelten Solarteich-Technologie arbeitet. Von einer kommerziellen Umsetzung ist jedoch nichts bekannt.

1991 wird auf dem Dach eines Gebäudes des Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) ein Solarteich mit 5 m Durchmesser angelegt, der im November eine Temperatur von 70°C erreicht. Im April 1992 wird ein rechteckiger Verdunstungsteich mit gleicher Fläche in Betrieb genommen, bei dem die solare Entsalzung (s.d.) untersucht wird.

1997 wird im indischen Bhuj ein 6.000 m² Solarteich gegraben, der eine Milchfabrik mit täglich 80.000 l heißem Wasser über 70°C beheizt – die Kosten liegen bei 90.000 $, während die erzielten Einsparungen 19.000 $ betragen.

2001 erhält das australische Unternehmen Pyramid Salt Pty Ltd. in Victoria eine Förderung von 550.000 AUS-$, um in Kooperation mit der RMIT University sowie der Geo-Eng Australia Pty Ltd. einen 3.000 m² großen Solarteich mit einem Output von 60 kW thermisch (bei Temperaturen von 45°C bis 80°C) anzulegen. Das System soll auch als Vorlage für eine kommerzielle Vermarktung dienen. Ab September des Jahres versorgt die Anlage in Pyramid Hill die Salzfabrik des Unternehmens mit Heißluft, mit der das Salz getrocknet wird. Man hofft darauf, die Anlage später so erweitern zu können, daß sie auch die Stromversorgung übernehmen kann.

2002 gibt es zu Forschungszwecken auch an der Universität von Tunis, am Institut für Ingenieure ‚ENIT’ (Ecole Nationale de Ingenieurs de Tunis), einen Solarteich.

2005 gibt es weltweit etwa 60 Solarteiche, die industriell genutzt werden. Trotzdem ist diese Technologie noch immer relativ unbekannt, obwohl sie insbesondere in Ländern der 3. Welt mit dort vorhandenen Techniken und Fertigkeiten leicht umsetzbar wäre.

Nun folgen weitere und spezielle Formen der Solarenergienutzung im Niedertemperaturbereich in Ländern der 3. Welt.

Weiter...