mini|hochkant=1.7|Prinzipbild eines großen Aufwindkraftwerkes nach Jörg Schlaich In einem Aufwindkraftwerk (vereinzelt auch Thermikkraftwerk genannt) sollte Luft von der Sonne erwärmt werden und wegen natürlicher Konvektion in einem Kamin aufsteigen. Eine oder mehrere Turbinen sollten aus dieser Luftströmung elektrischen Strom erzeugen. Aufwindkraftwerke werden nicht mehr gebaut.
Das Prinzip wurde 1903 von dem Autor Oberst Isidoro Cabanyes in seinem Artikel in der Zeitschrift La energía eléctrica beschrieben und 1929 von Bernard Dubos patentiert. Im Jahr 1931 beschrieb der Autor Hanns Günther in seinem Buch In Hundert Jahren ein Aufwindkraftwerk.
Ende der 1970er Jahre wurde die Idee von Michael Simon aufgegriffen, der zusammen mit dem Stuttgarter Bauingenieur Jörg Schlaich eine Pilotanlage entwarf, die dann in Manzanares (Zentral-Spanien) als Forschungsprojekt des Bundesministeriums für Forschung und Technologie realisiert wurde. Sie zeigte über mehrere Jahre die technische Realisierbarkeit im praktischen Betrieb, allerdings nur im kleinen Maßstab.
Funktion mini|hochkant=2|Aufwindkraftwerk-Prototyp Manzanares in Spanien (Sicht aus Süden)
Die Sonne scheint durch ein großes Dach aus Glas oder lichtdurchlässigem Kunststoff bzw. Folie (Kollektor) und heizt den Boden und die Luft darunter auf. Diese warme Luft wird durch den statischen Auftrieb der wärmeren Luft (mit geringerer Dichte) in einen Kamin in der Mitte der Anlage gedrückt. Es entsteht ein Aufwind (Thermik), d. h. die geringere Dichte der warmen Luftsäule im Turm gegenüber der Außenluft ergibt eine Druckdifferenz, die mechanisch genutzt werden kann. Die Druckumwandlung durch die Turbine(n) kann unten im Umfang des Eingangs zur Kaminröhre erfolgen oder (wie beim Prototyp) durch eine Vertikalachsenturbine am unteren Ende der Turmröhre. Die Turbinen wandeln über Generatoren die mechanische Energie in elektrische um.
Die wesentlichen Größen für die Leistung eines Aufwindkraftwerks (abgekürzt AWK, englisch SCPP für Solar Chimney Power Plant) sind die Fläche des Kollektors zur Wandlung der Strahlung in Wärme und die Höhe des Kamins zur Wandlung dieser Wärme in eine Druckdifferenz. Je größer die überdachte Fläche ist, desto mehr Luft wird erwärmt, und je höher der Kamin ist, desto größer wird dieser nutzbare Druckunterschied.
Abhängigkeiten Aufwindkraftwerke sind von Standortparametern und dem lokalen Wettergeschehen abhängig. Der große Flächenbedarf von Aufwindkraftwerken und der wichtigste der Wetterparameter, die Globalstrahlung, legen Standorte in ariden Zonen (z. B. Sahara) ohne Grunderwerbskosten nahe. In der Tabelle sind Einflüsse durch meteorologische und geografische Variablen aufgelistet, auch im Vergleich zu anderen regenerativen Kraftwerkstypen.
Liste der Einflussgrößen von Aufwindkraftwerken und Vergleich mit anderen regenerativen Kraftwerkstypen Variable Typ Auswirkung Vergleich/Kommentar Globalstrahlung Meteorologie Bei bedecktem Himmel: auch die diffuse Strahlung ist von Aufwindkraftwerken verwertbar. Konzentratorsysteme (Trog-, Turm- und Stirling-Dish-Kraftwerke) können nur die Direktstrahlung der Sonne verwerten.Außentemperatur Meteorologie Tiefe Standort-Lufttemperaturen (sowohl am Boden als auch in höheren Luftschichten) erhöhen den Turmwirkungsgrad.Wirkungsgradverbesserungen durch niedrige Temperaturen sind auch bei Photovoltaik-Zellen (PV) möglich.Windgeschwindigkeit Meteorologie Negativ: geringerer Kollektorwirkungsgrad wegen erhöhter Konvektionsverluste an die Umgebung bei starkem Wind. Positiv: Seitenwind an der Turmspitze kann zusätzlichen Unterdruck erzeugen und dadurch die Leistung erhöhen. Verluste überwiegen, windstillere Standorte sind vorzuziehen. Komplementäre Standortauswahl zu Windkraftanlagenrelative Feuchte Meteorologie Das Wasserdampf-Luft-Gemisch ist leichter als trockene Luft. Dies ergibt eine Wirkungsgrad-Verbesserung, wenn der Wasserdampfgehalt im Turm größer als außen ist. Bei sehr großer Eingangsfeuchte bzw. Verdampfung im Kollektor ist Kondensation im Turm möglich. Die dann zusätzlich freiwerdende Kondensationsenthalpie erhöht den Auftrieb (siehe Gewitterwolken) Bei Standorten in Meeresnähe ist gezielte Kondensation zur Wassergewinnung denkbar.Niederschlag Meteorologie Bei einsetzendem Regen steigt die Leistung von Aufwindkraftwerken erst einmal an, bedingt durch das Absinken der Lufttemperatur in der Umgebung, während vom Kollektorboden, ähnlich wie bei der Nachtleistung, die Arbeitsluft weiter erwärmt wird. In den Kollektorboden eingedrungenes Regenwasser wirkt wegen der Verdampfungsverluste leistungsmindernd. Regen wirkt bei nichtkonzentrierenden Solarsystemen (AWK, PV) reinigend auf die Kollektorflächen.Luftdruck Meteorologie/Standort Hoher Luftdruck verbessert den Wirkungsgrad.Sehr hoch gelegene Standorte (über 1000 m ü. M.) sind nachteilig für AWKs.Atmosphärische Gegenstrahlung Meteorologie/Standort Hohe IR-Strahlung verringert die langwelligen Emissionsverluste (verbessert den Treibhauseffekt des Kollektors). Bei allen Solarkraftwerkstypen mit heißen Oberflächen folgen die Abstrahlungsverluste einem T4-Gesetz. Die meteorologische Varianz der atmosphärischen Gegenstrahlung hat aber außer bei AWKs auf diese Verluste keinen merklichen Einfluss.BodenbeschaffenheitStandort Die Farbe des Bodens ist für den Absorptionsgrad der Strahlung maßgebend, die Speicherfähigkeit des Bodens für Nachtleistung ist u. a. von seiner Dichte, Leitfähigkeit und der spezifischen Wärmekapazität abhängig. Eventuell ist eine Bearbeitung des Kollektorbodens sinnvoll.Bei anderen Solarkraftwerkstypen ist kein Einfluss der Bodenbeschaffenheit bekannt.TurmradiusAnlagengeometrie Große Turmfläche verringert Reibungsdruckverluste der Strömung und hilft, den Temperaturhub im Kollektor und somit Kollektorverluste gering zu halten.TurmhöheAnlagengeometrie Größere Steighöhe verbessert den Turmwirkungsgrad und erzielt dadurch auch mit größerem Massenfluss und kleinerem Temperaturhub im Kollektor eine Verbesserung des Kollektorwirkungsgrades.Kollektorradius Anlagengeometrie Sie bestimmt die sammelbare Strahlungsmenge und damit auch die elektrische Leistung. Vergrößerung des Kollektors bedingt auch eine Turmvergrößerung, da ansonsten die Luft im Kollektor zu langsam und zu heiß wird und man mit größeren Verlusten (Konvektion und IR-Emission) und somit geringerem Kollektorwirkungsgrad rechnen muss.
AWKs sind an ebenen, windarmen Standorten eine Alternative zu Windkraftanlagen und an Standorten mit hohem Bedeckungsgrad eine Möglichkeit zur Nutzung auch der diffusen Strahlungsanteile im Gegensatz zu den konzentrierenden Solarsystemen. Die Eignung für solare Stromerzeugung an Standorten mit der typischen Kombination „windarmer Standort / Standort mit hohem Bedeckungsgrad“ wird sonst nur von der Photovoltaik abgedeckt. Diese hat gegenüber AWKs den Vorteil, dass sie modulweise ausgebaut werden kann (beginnend mit kleinen Einheiten und entsprechend geringem Anfangs-Kapitaleinsatz), war aber bis 2007 im 200-MW-Bereich mindestens doppelt (bis höchstens 8-fach) so teuer wie Aufwindkraftwerke.
mini|hochkant=2|Sicht vom Turm auf das Vordach mit geschwärztem Boden. Man erkennt die unterschiedlichen Testmaterialien zur Vordach-Abdeckung und einen 12 Felder großen, nicht geschwärzten Agrar-Testbereich.
Besonderheiten AWKs könnten 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. Bei entsprechender Bodenbeschaffenheit oder Sondermaßnahmen zur Erhöhung der Speicherkapazität des Bodens (z. B. schwarze Wasserbehälter) kann das Tages-Leistungsprofil noch ausgeglichener gestaltet werden: Die erhöhte Zwischenpufferung der Wärme im Boden in Zeiten hoher mittäglicher Einstrahlung senkt zwar die Leistungsmaxima bei Sonnenhöchststand, erhöht aber dafür die Anteile der Nachtleistung bei Zurückliefern dieser Wärme an die Arbeitsluft. Der Tagesverlauf des Angebots von elektrischer Leistung durch AWKs ist immer flacher und breiter gegenüber der tageszeitlichen Produktionskurve anderer Solarkraftwerke, die dem Verlauf des momentanen Sonnenangebots folgen, die also im Allgemeinen eine ausgeprägte Mittagsspitze und starken Leistungsabfall zu Sonnenauf- und -untergang hin aufweisen (siehe Diagramm „Tagesgang von Leistung und Energie von einem Aufwindkraftwerk und einer Photovoltaikanlage“).
An der Versuchsanlage in Manzanares konnte außer der Nachtleistung auch eine weitere Besonderheit von AWKs beobachtet werden: beachtliche Leistungsanstiege bei nahenden Kalt- oder Regenfronten. Darüber hinaus gelang es in der Versuchsanlage durch Erzeugung eines Vordralls im Vordach die Luft im Turm zur tornadoartigen Rotation zu bringen. Eine Fortsetzung des Wirbels über die Turmspitze hinaus in größere Höhen, wie man sie in hypothetischen Luftwirbelkraftwerken zur Energieerzeugung nutzen will, konnte aber nicht beobachtet werden.
Der Methode, wie Solarenergie erschwinglich und konkurrenzfähig gemacht werden kann, lag bei AWKs dieselbe Idee zugrunde wie bei den konzentrierenden Systemen: Man ersetze teure High-Tech-Komponenten zur Konvertierung des Sonnenlichts (z. B. Solarzellen) durch sehr großflächige, aber außerordentlich preiswerte Kollektoren (Glasspiegel, Rinnen, Treibhaus) und kombiniere diese mit einem zentral platzierten Konverter (Stirling- oder Tower-Receiver, ölhaltige Absorberrohre, Turm). Die auffälligste Besonderheit von AWKs im Vergleich zu anderen Solarkraftwerkstypen ist der einfache Zusammenhang des physikalischen Wirkungsgrads mit den geometrischen Abmessungen der Anlagen über mehrere Leistungs-Größenordnungen hinweg.
Leistung mini|hochkant=2|Aufwindkraftwerk-Prototyp Manzanares: Blick durch das (Teil-)Glasdach des Kollektors auf den Kamin Der auf die solare Einstrahlung auf den Kollektor bezogene Gesamtwirkungsgrad für die erreichbare elektrische Leistung ist mit Werten unter 1 % sehr gering – verglichen mit der technischen Eleganz und dem hohen Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen scheint das Prinzip „Aufwindkraftwerk“ hoffnungslos zu unterliegen. Wesentlich für die Rentabilität sind aber die Bau- und Betriebskosten im Verhältnis zum Ertrag. Dass sich bei deren grober, überschlägiger Ausformulierung im Zusammenhang mit dem Wirkungsgrad eine interessante Eigenschaft von AWKs ergibt, die diese von allen anderen Solarkraftwerken unterscheidet, soll kurz gezeigt werden:
Die Peak-Leistung eines Aufwindkraftwerks lässt sich ausdrücken als Produkt von Maschinen-, Turm- und Kollektorwirkungsgrad multipliziert mit der auf die gesamte Kollektorfläche einfallenden Globalstrahlung :
mini|hochkant=2|P,V- und T,S-Diagramme des Aufwindkraftwerks
Der Turmwirkungsgrad ist derjenige eines Joule-Prozesses, der die isobare Erwärmung im Kollektor, ausgehend von der Außentemperatur Ta, dann die adiabatische Expansion im Turm mit nachfolgender Abgabe der Wärme an die Atmosphäre bei Temperaturniveau Tah in der Höhe h an der Turmspitze beschreibt. Für adiabatische Schichtung der Umgebungsluft ist
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und es ergibt sich für das Umsetzungsverhältnis von gewonnener (mechanischer) Druckenergie zur im Kollektor gesammelten Wärmeenergie mit
mini|hochkant=2|Tagesgang von Leistung und Energie bei einem Aufwindkraftwerk und einer Photovoltaikanlage. Wären die Installationskosten für beide Anlagen identisch, so würden wegen der niedrigeren Leistungsspitze beim AWK dessen spezifische Investitionskosten höher ausgewiesen, obwohl der Energieertrag für beide Solarkraftwerke gleich ist. Das Tagesprofil des Leistungsangebots des AWK ist – auch wegen der Nachtleistung – dem Verbrauch etwas angeglichener als bei der PV-Anlage.