DE10224849A1

DE10224849A1 - Aufwindkraftwerk

Info

Publication number: DE10224849A1
Application number: DE2002124849
Authority: DE
Inventors: Uwe Asch
Original assignee: MASCHB ASCH
Current assignee: MASCHB ASCH
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2003-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aufwindkraftwerk in an sich grundsätzlich bekannter Ausführung, dass sich durch vergleichsweise kostengünstigen Aufbau auszeichnet. Aufgabe der Erfindung ist es, den Nachteil des Standes der Technik nachhaltig zu minimieren, so dass es sich lohnt, angesichts der Förderung erneuerbarer Energie mit Aufwindkraftwerken Strom zu produzieren. Es soll insbesondere eine Lösung angegeben werden, die den Aufwand für den Bau des Kamins solcher Kraftwerke drastisch reduziert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, Industrieschornsteine großer Höhe, sowohl stillgelegte als auch im Betrieb befindliche, als Kamin für Aufwindkraftwerke zu verwenden. Dabei ist es nach Maßgabe der Erfindung vorteilhaft, zusätzlich die aus Industrieabgasen bzw. bislang in Kraftwerksprozessen nicht mehr verwendbare Restenergiepotentiale zu nutzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufwindkraftwerk in an sich grundsätzlich bekannter Strukturierung, das sich durch vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet; seine Anwendung ist - im Gegensatz zu realisierten und geplanten Pilotanlagen - in jeder Hemisphäre vorteilhaft möglich.
Bekanntlich handelt es sich bei Aufwindkraftwerken um spezielle Solarkraftwerke, nämlich um solche, die unter Ausnutzung des Kamineffektes eine Luftströmung über eine Windturbine zur Energieerzeugung führen. Unter einem riesigen Glas- oder durchscheinenden Plastikdach, dem so genannten Kollektor, wird die Luft durch Sonneneinstrahlung erwärmt und - durch die Formgebung des vorzugsweise Glasdaches unterstützt - einem Kamin, der in der Mitte des Kollektors steht, zugeführt, in dem sie nach oben strebt. Von den Rändern des Glasdaches strömt die kühlere Umgebungsluft nach, die sich dann gleichfalls erwärmt. Eine im Kamin eingebaute Turbine wandelt die so erzeugte Windenergie mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie um.
Aufwindkraftwerke stellen also einen Sonderfall der Nutzung von Solarwärme dar. Zu ihren Vorteilen zählt im Vergleich zu den konzentrierten Systemen der Solartechnik die Möglichkeit der Nutzung der diffusen Strahlung und die Verlängerung der Nutzungsdauer über Wärmespeicher, die einen Teil der tagsüber eingestrahlten Energie nachts als Wärme freisetzen können. Hierzu ist die Verwendung dunkler, wasserführender Röhren, die den Erdboden unter dem Kollektor bedecken, vorgesehen.

Die ersten Überlegungen zu Aufwindkraftwerken stammen bereits aus den 30iger Jahren des 20. Jahrhunderts; aber erst Mitte 1986 konnte in Manzanares, Spanien eine von J. Schlaich, Deutschland, konstruierte Pilotanlage, die bis Anfang 1989 fast ohne Unterbrechung mit einer Spitzenleistung von 50 kW lief, in Betrieb genommen werden. Der Kollektor dieser Anlage hatte einen Durchmesser von 240 m; der des 195 m hohen Kamins aus Blech, der 1989 von einem Orkan zu Fall gebracht wurde, betrug 10 m.

Im Ergebnis des Pilotbetriebes wurde immer wieder angegeben, dass wirtschaftlich arbeitende Anlagen wesentlich größer sein müssten. So sollte der Kamin einer (nicht realisierten) 100 MW-Anlage in Gahna eine Höhe von 950 m bei einem Durchmesser von 115 m aufweisen; der Kollektor hätte hierbei eine Fläche von mehreren Quadratkilometern beansprucht (vgl. www.energieinfo.de). Noch größere Ausmaße (und damit Aufwendungen) soll ein Kraftwerk, welches in Australien entstehen soll, aufweisen. Dieses Projekt rechnet mit einem 1000 m hohen und 130 m dicken Kamin und einer Glasfläche von 10 km Durchmesser (vgl. SPIEGELONLINE 2002).

Es liegt auf der Hand, dass für solche Dimensionen eines Aufwindkraftwerkes in Europa kein Raum ist, so dass als Standorte nur entlegene Gebiete wie z. B. Wüsten oder Wüstenränder in Betracht kommen. Aber auch dort, wo Platz und Sonnenlicht im Überfluss vorhanden sind, sind die außerordentlich hohen Baukosten ein kaum überwindbares Hindernis. Namentlich sind deshalb Projekte in Afrika und Asien (u. a. Gahna, Sudan; Indien) gescheitert; auch für Australien muss an die Machbarkeit eines solchen gigantischen Vorhabens unter den Aspekten Infrastruktur, Dauer und Risiken der Genehmigungsverfahren und Höhe der notwendigen Anfangsinvestitionen und daraus folgend Wirtschaftlichkeit erheblicher Zweifel gerichtet sein.

Zudem sind eine Reihe von Vorschlägen bekannt, die auf eine Anwendung des Prinzips eines Aufwindkraftwerkes im dicht besiedelten und vergleichsweise Sonnenarmen Europa zielen. Dabei stehen neben zahlreichen Detail- (u. a. DE 41 14 501) und einfallsreichen steuerungstechnischen Lösungen, wie z. B. die Ausbildung eines Rundum-Kanals für die Luftströmung am Tage und eines solchen Kanals für die Luftströmung bei Nacht (DE 297 15 254), Vorschläge, die die geographischen Nachteile des Standortes ausgleichen sollen, im Zentrum der Entwicklungen. So wird in DE 199 39 663 ein alternatives System zur bivalenten Stromerzeugung aus Wind- und Verbrennungsenergie vorgeschlagen; gemäß DE 298 24 124 soll ein Aufwindkraftwerk mehrere Arten von industrieller Abwärme nutzen und schließlich wird angeregt, die Solarenergie gezielt wärmespeichernden Steinflächen (DE 299 17 453) oder sonstigen Wärmespeicherelementen (DE 100 23 424) zuzuführen, um den Wirkungsgrad eines Aufwindkraftwerkes zu erhöhen. Andere Entwicklungen wollen die Beschränkungen bezüglich der Höhe von thermosolaren Aufwindkraftwerken dadurch aufheben, dass sie keinen vertikalen, sondern einen entlang einer Anhöhe geneigten Kamin verwenden (DE 198 06 489, DE 195 43 514, die Anlehnung eines Kollektors an einen Berg ist auch aus DE 198 06 144 bekannt, die einer diesbezüglichen Luftführungsanordnung aus DE 198 44 659).

Des Weiteren sind vielfältige Bemühungen bekannt, die hohen Baukosten von Aufwindkraftwerken, besonders die für die Errichtung des Kamins, zu minimieren. Hierfür wird beispielsweise in DE 40 00 100 der Kamin als Kaminturm mit einem trichterförmigen ausladenden Fuß ausgeprägt. Der Fuß besitzt über seinem gesamten Außenumfang verteilt Lufteintrittsöffnungen und weist einen mindestens doppelt so großen Außendurchmesser wie der Kaminturm auf. Dadurch soll eine solche Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie technisch einfacher aufbaubar und kostengünstiger sein.

Weiterhin liegen Vorschläge vor, den Kamin als Schlauch aus Plaste auszubilden, so z. B. mittels Schlauchfolie, die durch feste oder aufblasbare ringartige Kammern zu einem so genannten Saugschlauch versteift wird. Nach DE 100 46 287 soll der Kamin eine flexibelwandige gasundurchlässige Ummantelung aufweisen, die in Verbindung mit mindestens einem mit Traggas gefüllten Hohlkörpergebilde steht, das den Kamin selbsttragend aufrecht hält. Schließlich wurde angeregt, dass ein konischer, nach oben auseinander gehender Kaminschlauch aus hochfestem Gewebematerial oder hochfesten Kunststofffolien den Aufwindkanal bildet und dass an dem Kaminschlauch in Abständen heliumgefüllte Ballonringe oder Schläuche zum Tragen des Kaminschlauches angeordnet sind.

Aber auch diese Entwicklungen haben wie die vorgenannten bislang zu keiner kommerziellen Nutzung des Prinzips eines Aufwindkraftwerkes geführt. Nach wie vor stehen dem die hohen Anfangsinvestitionen und daraus folgend die Höhe der Zinsen, die in erster Linie den Preis des mit dieser Technik erzeugten Stromes bestimmen, entgegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Nachteil des Standes der Technik nachhaltig zu minimieren, so dass es sich lohnt, angesichts der Förderung erneuerbarer Energie mit Aufwindkraftwerken Strom zu produzieren. Es soll insbesondere eine Lösung angegeben werden, die es ermöglicht, den Aufwand für den Kamin drastisch zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, Industrieschornsteine großer Höhe als Kamin für Aufwindkraftwerke zu verwenden. Hierfür sind sowohl stillgelegte als auch im Betrieb befindliche Schornsteine vorgesehen. Das Kraftwerk ist hierbei in grundsätzlich bekannter Weise strukturiert und besteht im wesentlichen aus einem Kollektor, vorzugsweise einem vom Erdboden beabstandeten Glasdach, und einem Kamin mit wenigstens einer Turbine, die von der im Kamin unter adiabatischen Expansion aufsteigender Luft, die vorher durch die solare Einstrahlung erwärmt wurde, angetrieben wird. Das Wesen der Erfindung schließt ein, dass auch mehrere Schornsteine, die räumlich in geeigneter Weise zueinander stehen, genutzt werden, die jeweils von dem Kollektor umschlossen sind, oder an denen separat der Kollektor oder ggf. Kollektorsegmente angeschlossen sind. Vorzugsweise sind mindestens 250 m hohe Schornsteine verwendet.

Zudem ist es vorteilhaft, bei noch im Betrieb befindlichen Schornsteinen neben der Energie, die durch die aufsteigende, vom Kollektor erwärmte Luft erzeugt wird, die Restenergiepotentiale von Industrieabgasen zum Antrieb der Windturbine zu nutzen. Des Weiteren wird vorgeschlagen, analog die Abwärme aus Kraftwerksprozessen und/oder Kühltürmen zur Verbesserung der Gesamtbilanz des Kraftwerkes der Windturbine zuzuführen, die in bekannter Weise auch mehrfach in einer oder mehreren Ebenen in dem Schornstein angeordnet sein kann.

Die Kopplung der Nutzung des Aufwindpotentials von Industrieabgasen und/oder der durch konventionelle Kraftwerkprozesse sonst nicht mehr (infolge des geringen Temperaturunterschiedes zur Umgebungstemperatur) technisch sinnvoll nutzbaren Energie mit einem Aufwindkraftwerk eröffnen gerade diese Möglichkeit. Der daraus resultierende Beitrag zum Ressourcen- und Umweltschutz ist offensichtlich.

Der Vorschlag, stillgelegte Industrieschornsteine als Kamin eines Aufwindkraftwerkes zu verwenden, spart die hohen Kosten, für deren ansonsten notwendigen Abriss.

Die Aufwendungen für die Anpassung der Schornsteine (egal, ob stillgelegt oder in Betrieb befindlich) an die jeweils konkrete Ausgestaltung eines damit bewerkstelligten Windkraftwerkes sind selbstredend gegenüber eines vergleichbaren Neubau eines Kamins praktisch fast vernachlässigbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt hierfür in schematischer Weise die Verwendung stillgelegter Industrieschornsteine als Kamin eines Aufwindkraftwerkes. Die drei (ehemaligen Kraftwerks-)Schornsteine 2 sind jeweils 300 m hoch und in einem Kollektor, ausgeführt als vom Boden beabstandetes Glasdach 1, integriert. In jedem Schornstein 2 ist in grundsätzlich bekannter Weise eine Windturbine 3 eingebaut.
Fig. 2 verdeutlicht in oben beschriebener Weise die Verwendung eines in Betrieb befindlichen Industrieschornsteines einschließlich der Nutzung der Abwärme aus einem Kraftwerksprozess. Dargestellt ist der Schornstein 2, an dem ein Tunnel oder eine Röhre angeschlossen ist, in dem bzw. in der sich die Windturbine 3 und der Wärmeübertrager 4, der durch die Leitung 5 mit dem Kraftwerksprozess verbunden ist, befinden. Der Tunnel oder die Röhre trägt den als Glasdach 1 ausgeführten Kollektor.
Beide Ausführungsvarianten können unter den jeweiligen Glasdächern 1 hier nicht dargestellte Wärmespeicher aufweisen.

Claims

1. Aufwindkraftwerk zur Gewinnung von Elektroenergie aus einem insbesondere durch solare Einstrahlung erzeugten Warmluftstroms, im Wesentlichen bestehend aus einem Kollektor zur Erzeugung der Warmluft und einem Kamin, in dem sich mindestens eine Turbine befindet, die durch die im Kamin unter adiabatischer Expansion aufsteigenden Luft angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass es als Kamin Schornsteine (2) verwendet.

2. Aufwindkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Industrieschornsteine (2), die räumlich in geeigneter Weise zueinander stehen, genutzt werden, wobei diese von einem Kollektor, vorzugsweise aus Glas bestehend, umschlossen oder an denen Kollektorsegmente in Form von Glasdächern (1) angeschlossen sind.

3. Aufwindkraftwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Industrieschornsteine (2) mindestens 250 m hoch sind.

4. Aufwindkraftwerk nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kamin stillgelegte Industrieschornsteine (2) verwendet sind.

5. Aufwindkraftwerk nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kamin im Betrieb befindliche Schornsteine (2) verwendet sind, so dass neben der durch Solarenergie erwärmten aufsteigenden Luft die Restenergiepotentiale von Industrieabgasen zum Antrieb der Windturbine (3) genutzt wird.

6. Aufwindkraftwerk nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass einem oder mehreren Industrieschornsteinen (2) Abwärme aus Kraftwerksprozessen, namentlich von Kühltürmen, zugeführt wird.

7. Aufwindkraftwerk nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Industrieschornsteinen (2) ein horizontal ausgeführter Tunnel bzw. eine horizontal angeordnete Röhre, in dem bzw. in der sich Wärmeübertrager (4) befinden, wobei der Tunnel bzw. die Röhre den als Glasdach ausgeführten Kollektor tragen, angeschlossen ist.

8. Aufwindkraftwerk nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasdächer (1) alle als Kamin dienende Industrieschornsteine (2) umschließen bzw. an denen segmentartig angeschlossen sind.