Sturm im Turm
In einem Thermikkraftwerk, auch Aufwindkraftwerk genannt, wird Luft von der Sonne erwärmt und steigt in einem Schornstein auf. Eine oder mehrere Turbinen erzeugen aus dieser Luftströmung elektrischen Strom. Dieser Kraftwerkstyp wurde bereits 1903 von Isidoro Cabanyes beschrieben. In den 1980er Jahren wurde von dem Stuttgarter Bauingenieur Jörg Schlaich eine Versuchsanlage entworfen und in Manzanares/Spanien erbaut. Sie zeigte über mehrere Jahre die technische Realisierbarkeit im praktischen Betrieb, allerdings nur im kleineren Maßstab.Funktionsprinzip
Die Funktionsweise ist sehr einfach. Die Sonne scheint durch ein großes Glas- oder auch ein lichtdurchlässiges Kunststoffdach (Kollektor) und heizt Boden und die Luft darunter wie in einem Treibhaus auf. Die warme Luft steigt nach oben und strömt unter dem Glasdach zu einem Kamin in der Mitte der Anlage. Es entsteht ein Aufwind (Thermik), der mit Hilfe von Turbinen in elektrischen Strom umgewandelt wird. Es können entweder Horizontalachsenturbinen, die ringförmig am Fuße des Turms, also an der Übergangsstelle vom Kollektor zum Turm auf dem Boden, verwendet werden (geplant beim Mildura-Projekt) oder (wie in Spanien) die Vertikalachsenturbine am unteren Ende der Turmröhre (siehe Zeichnung). Abgesehen von der Intensität der Sonnenstrahlung hängt die Leistung eines solchen Elektrizitätswerks von zwei Faktoren ab: der Kollektorfläche und der Kaminhöhe. Je größer die überdachte Fläche ist, desto mehr Luft wird erwärmt und desto schneller steigt die Luft im Kamin auf (bei gleich bleibendem Kamindurchmesser), und je höher der Kamin ist, desto größer ist der Druckunterschied zum Boden und desto schneller steigt die Luft im Kamin auf (Kamineffekt). Daher führen sowohl eine Vergrößerung der Kollektorfläche als auch der Kaminhöhe zu einer größeren Leistung der Anlage. Die Versuchsanlage in Manzanares hatte einen Kollektordurchmesser von 244 m und eine Kaminhöhe von 195 m, damit erreichte sie eine Leistung von 50 kW. Ein Aufwindkraftwerk mit einer Leistung von 200 MW benötigt einen Kollektor von 8 km Durchmesser und einen 1000 m hohen Kamin. Derartig große Kraftwerke erfordern jedoch auch hohe Investitionen zum Bau. Die Rentabilität steigt mit der Größe. Während des Betriebes fallen nur Wartungskosten an.Wirkungsgrad
Allgemein besitzt die Thermik in der Natur nur eine geringe Energiedichte. Der Grund liegt im relativ zu anderen thermischen Kraftwerken geringen Temperatur- bzw. Druckgradienten, der den Luftstrom antreibt. Aus diesem Grund ist der auf die von der Sonne eingestrahlte Energie bezogene Wirkungsgrad selbst bei 1000 m Turmhöhe mit ca. 1 % sehr gering. In Thermikkraftwerken wird diese Energie im Kamin gebündelt und durch Antrieb eines, auch mehrerer Rotoren genutzt. Der Wirkungsgrad des Luftstromes (Strömungsleistung/ Leistung an der Welle des Rotors), die den Elektrogenerator treibt, ist dagegen bei einem optimalen Rotor mit max. 59,3 % sehr hoch Betzschen Gesetz. Der Gesamtwirkungsrad ergibt sich aus 1% und 59,3 % zu lediglich 0,6%. Eine wirtschaftliche Nutzung ist somit kaum möglich und nur in Gebieten mit starker Sonneneinstrahlung denkbar, wo zudem der relativ grosse Flächenbedarf keine Rolle spielt. Die Sonnenenergie strahlt zwar mehr als das 10.000-fache Weltenergiebedarfes von 2006 ein, jedoch besteht bei einem Gesamtwirkungsrad von bestenfalls 0,6% keine Chance, dass sich diese Nutzungsform durchsetzt. Die relativ große zu überbauende Fläche der Thermikkraftwerke und die relativ hohen Baukosten bedingen dies. Vergleiche: Hierbei sind sogar die relativen hohen Stromerzeugungskosten aus Photovoltaikanlagen, die Wirkungsgrade um 15 % erreichen mit 42 Cent/ kWh sehr günstig. Konkurrenzlos günstig ist hierbei Strom aus Land- und Seewind, wo Strom in beiden Fällen zu 4,6 Cent/ kWh erzeugt wird - laut Universität Kassel. Das real umsetzbare elektrische Windpotenzial ist laut der Stanford University jährlich das 40 fache des Weltstromverbrauches von 2006, wenn nur an leicht zugänglichen Stellen Windkraftanlagen erstellt werden. Thermikkraftwerke können auch nachts elektrische Energie erzeugen, da sich der Boden tagsüber erwärmt. In der Nacht gibt er diese Wärmeenergie wieder ab und kann weiter Luft unter dem Kollektor erwärmen. Wegen der sich gleichzeitig abkühlenden Umgebungsluft entsteht immer noch genügend Auftrieb, um das Kraftwerk zu betreiben. Dabei sinkt die Gesamtleistung, sowie der Wirkungsgrad (Wärmemenge/ Strömungsenergie) von ca. 1% nochmals ab, z.B. auf 0,7. Der Gesamtwirkungsgrad liegt dann nur noch bei ca. 0,3%. Zur Verbesserung können thermische Speicherelemente, beispielsweise geschlossene wassergefüllte Behälter, die mehr Wärme als der Boden speichern können, unter dem Kollektor angebracht werden.