Aufwindkraftwerk: Strom durch Konvektion

Funktion und Verbreitung der Aufwindkraftwerke  

Warme Luft hat eine geringere Dichte als kalte. Sie steigt dadurch auf und kann auf diese Weise sogar Heißluftballons zum Fliegen bringen. Was viele nicht wissen: Mit dem gleichen Prinzip lässt sich in einem Aufwindkraftwerk auch Strom erzeugen.

Aufbau und Funktionsweise der thermischen Kraftwerke  

Möglich ist das durch eine große, überdachte Fläche, in deren Mittelpunkt ein hoher Turm steht. Strahlt die Sonne auf das Dach aus Kollektoren, erwärmt sie damit den Boden und die Luft darunter. Die Luft steigt auf und strömt in einen Kamin. Dieser ist so hoch, dass der Luftdruck am unteren Ende deutlich höher ist, als am oberen. Diese Druckdifferenz sorgt nun dafür, dass die von der Sonne erwärmte Luft im Schornstein nach oben steigt.

Große Generatoren gewinnen Strom im Aufwindkraftwerk  

Am Eingang der Schornsteine befinden sich große Turbinen. Diese bewegen sich durch die  Konvektion  der Luft und treiben Generatoren an. Die Bewegungsenergie lässt sich auf diese Weise in elektrische Energie umwandeln. Wie viel Strom dabei entsteht, hängt vor allem von der Größe der Kollektoren und der Höhe des Schornsteins ab. Während sich unter größeren Kollektorflächen mehr Luft erwärmt, erzeugen höhere Kamine eine größere Druckdifferenz. Die Luftströmung steigt und Aufwindkraftwerke erreichen eine höhere Leistung.

Bis heute sind nur wenige Kraftwerke in Betrieb  

Aktuell gibt auf der ganzen Welt nur ein Aufwindkraftwerk, das tatsächlich Strom erzeugt. Die Anlage steht in der Nähe der chinesischen Stadt Wuhai. Sie erreicht eine Leistung von etwa 200 Kilowatt und verfügt über einen 50 Meter hohen Turm. Ein Grund für die geringe Verbreitung der Technik ist die Sturm- und Erdbebenanfälligkeit der hohen Schlote. So fiel die erste funktionierende Demonstrationsanlage im spanischen Manzanares bereits 1989 einem mehrtägigen Sturm zum Opfer. Das Aufwindkraftwerk mit einem Kollektorradius von 122 Metern und einer Turmhöhe von 194,6 Metern erreichte eine Leistung von knapp 50 Kilowatt.

Wirkungsgrad und Einflussfaktoren auf die Stromerzeugung  

Während  Solarzellen  einer Photovoltaikanlage etwa zehn bis 20 Prozent des auftreffenden Lichts in Strom umwandeln, erreichen Aufwindkraftwerke bezogen auf die solare Einstrahlung einen Wirkungsgrad von nur einem Prozent. Durch die vergleichsweise geringen Kosten arbeiten die Kraftwerke im hohen Leistungsbereich trotz alledem wirtschaftlich. Zumindest dann, wenn die äußeren Einflussfaktoren günstig sind. Denn neben der solaren Einstrahlung wirken sich zahlreiche weitere Faktoren auf die Funktion der Aufwindkraftwerke aus. So zum Beispiel:

• Lufttemperatur:  Eine kühlere Umgebung sorgt für eine höhere Druckdifferenz und mehr Leistung.
  
• Windgeschwindigkeit:  Wind kühlt die Kollektoren und sorgt für geringere Wärmegewinne. An der Spitze der Aufwindkraftwerke erhöht er allerdings den Unterdruck und damit auch die Wirkung der Kamine.
  
• Bodenbeschaffenheit:  Während sich die Farbe der Böden auf die solaren Einstrahlungswerte auswirkt, hat ihre Beschaffenheit Einfluss darauf, wie viel Energie der Boden speichern kann. Bei einer hohen Speicherfähigkeit erzeugen Aufwindkraftwerke auch nachts noch Strom.

Technische Alternativen zum Aufwindkraftwerk  

Neben den Thermikkraftwerken gibt es heute eine Reihe weiterer Systeme, mit denen sich die Kraft der Sonne in elektrische Energie umwandeln lässt. So zum Beispiel:

• Photovoltaikanlage:  Solarzellen nutzen den photoelektrischen Effekt, um Licht in Strom umzuwandeln.
  
• Solarturmkraftwerk:  Zahlreiche Spiegel konzentrieren das Licht der Sonne auf einen Punkt an der Spitze eines hohen Turmes. Die hohen Temperaturen lassen sich nutzen, um ein Medium zu verdampfen und mit Generatoren Strom zu gewinnen.
  
• Parabolrinnenkraftwerk:  Halbrunde Spiegel oder zahlreiche ebene Spiegel (Fresnel-Kollektoren) bündeln das Licht der Sonne auf einem Rohr. In diesem befindet sich ein Öl, das sich dabei erhitzt. Auch hier lassen sich die hohen Temperaturen nutzen, um ein Medium zu verdampfen und mit Generatoren Strom zu gewinnen.
  
• Paraboloidkraftwerke:  Wie bei einer Satellitenschüssel bündeln Spiegel das Licht auf einen gemeinsamen Punkt. In diesem befindet sich ein Stirlingmotor, der thermische Energie in Bewegungsenergie umwandelt. Diese lässt sich von einem Generator zur Stromerzeugung nutzen.
  

Im Beitrag  Solarkraftwerk  geben wir einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften der unterschiedlichen Kraftwerksarten.