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Fallwindkraftwerke in der Solarthermie

Das Fallwindkraftwerk gehört neben dem Solarturmkraftwerk, Solarteich- und Parabolrinnen-Kraftwerk zu den Sonnenwärmekraftwerken. Die Umwandlung von Sonnenlicht in verwertbare Wärmeenergie wird als Solarthermie bezeichnet. Die Funktion eines Fallwindkraftwerks beruht auf der Basis der Solartechnik Solarthermie und wird auch als Abwindkraftwerk bezeichnet. Es erzeugt mithilfe einer künstlichen Luftströmung elektrischen Strom. Dafür wird sonnenerwärmte Luft mithilfe von Wasser abgekühlt. Dieses wird in die erwärmte Luft gesprüht, die dann in einem Kamin nach unten abfällt und Turbinen (Windräder) passiert und antreibt. Die unterschiedlichen Dichten von warmer und kalter Luft führen zu einer sog. natürlichen Konvektion. Der auf diese Art und Weise erzeugte Luftzug wird in Form von Turbinen und Generatoren letzten Endes in elektrischen Strom verwandelt.

Obwohl das Patent des Fallwindkraftwerks schon 1975 durch den amerikanischen Ingenieur P. Carlson angemeldet wurde, ist bis heute noch kein Fallwindkraftwerk im großen Maßstab errichtet worden. Insbesondere in Israel wird seit den neunziger Jahren an dem Ausbau dieser Solar-Technologie gearbeitet.

Fallwindkraftwerk  Funktionsprinzip
Fallwindkraftwerk Funktionsprinzip | Quelle: Dan Zaslavsky

Fallwindkraftwerk: Die Funktionsweise

Im Gegensatz zu anderen Solarthermie-Kraftwerken werden bei einem Fallwindkraftwerk keine Solarkollektoren benötigt. Ein hoher Kamin stellt den Mittelpunkt des Fallwindkraftwerks dar. Im oberen Teil des Fallwindkraftwerk -Kamins wird sonnenerwärmte Luft mit kaltem Wasser besprüht und um etwa 12 Grad Celsius abgekühlt. Die abgekühlte Luft fällt im Kamin als künstlicher Luftstrom nach unten und erreicht dabei Geschwindigkeiten bis zu 20 Metern pro Sekunde. Der erzeugte Luftstrom des Fallwinds treibt Boden-nahe Turbinen an, welche die Dreh-Bewegung über Generatoren letzten Endes in Strom umwandeln.

Wirkungsgrad und Kraftwerksleistung des Abluft-Prinzips

Setzt man die nötige Energie für das hochpumpen des Wassers mit der gewonnenen Energie durch die Turbinen ins Verhältnis, so kommt man lediglich, je nach Auslegung des Kraftwerks, auf einen Wirkungsgrad wenigen Prozent. Die benötigte Energie die erst investiert werden muss beträgt rund ein Drittel, hinzu kommen noch Strömungsverluste der abgekühlten Luft auf den Weg nach unten. Das sind vergleichsweise geringe Werte im Vergleich zu Kohle- oder Atomkraftwerken. Jedoch sind diese auf wertvolle Brennstoffe angewiesen, Wasser und Luft gibt es in heißen Wüstenregionen jedoch mehr als im Überfluss was einen geringen Wirkungsgrad verschmerzbar macht. Durch einen breiten Durchmesser steigt die Effizienz deutlich an da Verwirbelungen vermieden werden könnne. Studien belegen, dass Stromgestehungskosten von 3 ct/jWh durchaus realisierbar wären. Bei 1.200 m Turmhöhe und einem Durchmesser von 400 m läge der Netto-Output (benötigter Pumpenstrom bereits abgezogen) bei 350 bis 400 Megawatt.

 

 

Fallwindkraftwerk Größe
Größenvergleich. Burj Kaliva vs. Fallwindkraftwerk

Wirtschaftliche Aspekte des Solarthermie-Kraftwerks

Beispielsrechnungen zeigen, dass das Fallwindkraftwerk eine hohe wirtschaftliche Attraktivität besitzt. Dies liegt nicht zuletzt darin begründet, dass es zur Stromerzeugung nur auf die kostenfreien und scheinbar grenzenlos vorhandenen Ressourcen Wasser und sonnenerwärmter Luft zurückgreift. Bei der Nutzung von 1200 Meter hohen Fallwindkraftwerk -Kaminen mit etwa 400 Meter Durchmesser erreicht es Betriebsdauer- und Leistungswerte, die mit den Leistungsmerkmalen von Fossil- und Atomkraftwerken zu vergleichen ist. Ein wirtschaftlicher Nachteil der Fallwindkraftwerk-Technologie liegt jedoch in seinem Wirkungsgrad - dieser zeigt sich nur bei großen Fallwindkraftwerk-Anlagen effizient. Dies bedeutet hohe Investitionssummen in Milliardenhöhe für die Errichtung einer solchen Anlage. Ab 1.000 Meter Höhe scheint das Konzept wirtschaftlich zu werden. Angesichts der praktisch kaum vorhandenen Kosten für die Ausgangsstoffe Meerwasser und Luft, fallen beim Betrieb des meteorologischen Reaktors nach dem Bau in erster Linie Kosten für das (hoch-) Pumpen des Wassers an. Neben der primären Stromerzeugung lässt sich ein Fallwindkraftwerk auch zur Meerwasserentsalzung mithilfe des Einsatzes von semipermeablen Membranen einsetzen. Auch zur Kühlung von Industrie-, Wohn- und Kraftwerkanlagen kann dieses Solarthermie-Kraftwerks in Form solarer Kühlung eingesetzt werden.

Fallwindkraftwerke: Ökologische Aspekte

Insbesondere die Arbeit mit der Lebensressource Wasser wird bei der Betrachtung der Umwelteinflüsse eines Fallwindkraftwerkes in den Mittelpunkt gestellt. Laut Berechnungen liegt der Wasserverbrauch bei ungefähr einem Kubikmeter pro sechs Kilowattstunden. Etwa ein Drittel der erzeugten Energie muss dazu aufgewandt werden, dass Wasser an die Spitze des Fallwindkraftwerk -Kamins zu pumpen. Da als Wasser auch Meerwasser genutzt und sogar parallel entsalzt werden kann, wird der Einsatz der Fallwindkraftwerk -Technologie im Vergleich zu konventionellen Stromerzeugungskraftwerken nicht als umweltbelastend angesehen. Es werden dem Fallwindkraftwerk -Prinzip sogar positive Nebenwirkungen hinsichtlich einer möglichen Beregnung und Klimatisierung umliegender Gebiete zugesprochen. Ein Umstand, der insbesondere für die Breitengrade in Wüstenregionen sehr interessant sein kann. Aufgrund der Anlagengröße und hohen Fallwinkraftwerk -Kamine können sich jedoch aus Expertensicht Landschaftsbeeinträchtigungen ergeben. Ebenfalls besteht die potentielle Gefahr des Eingriffs ins Weltklima bei der Errichtung vieler Fallwindkraftwerk-Anlagen, da diese gegebenenfalls zu Veränderungen in den Luftschichten führen könnten.

Aktuelle Projekte und Alternativen

Die Realisierung dieses speziellen Solarthermie-Kraftwerks wird derzeit besonders in Israel (Wadi Araba) und Indien (Rajasthan) forciert. Aufgrund finanzieller Schwierigkeiten befinden sich diese Solarthermie-Projekte jedoch noch in ihren Anfängen. Auch in der Region des Persischen Golfs, oder den Breitengraden der Namib- und Atacama-Wüste sowie in Teilen Kaliforniens, Australiens und des Roten Meeres werden immer wieder entsprechende Projekte angedacht. Diese Gegenden eignen sich klimatisch sehr gut für diese Art der Stromerzeugung durch Solarenergie.

Das ehrgeizige DESERTEC-Projekt scheint jedoch nicht mit der Fallwind-Technologie realisiert zu werden, sofern es überhaupt kommt. Für das Wüstenstrom-Projekt wird derzeit das Konzept und Funktionsprinzip der Parabolrinnenkraftwerke favorisiert. Neben der Fallwindtechnik und Parabolidtechnik existieren weitere, viel versprechende Kraftwerkstypen in der Solarthermie. Ein nah-verwandtes Konzept stellt das Aufwindkraftwerk dar, hier sorgt ein Treibhauseffekt für einen starken aufsteigenden Luftstrom der energetisch mithilfe von Turbinen in Strom umgewandelt wird. Darüber hinaus bieten insbesondere Solarturmkraftwerke mit ihren vielen einzelnen Spiegeln und einem zentralen Receiver in der Turmspitze für hohe Temperaturen und Wirkungsgrade. Hinsichtlich des Kosten-Nutzen-Verhältnisses scheint jedoch derzeit das Konzept der Rinnentechnologie, analog zu CPC-Spiegeln der thermischen Solaranlagen von Paradigma, derzeit am rentabelsten.

Solar Lexikon

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