Thermikkraftwerk - Aufwindkraftwerke

Thermikkraftwerke (atmoshpärenthermische Aufwindkraftwerke) sind gewissermaßen Windkraftwerke mit direktem Sonnenenergieantrieb, von dem es zur Zeit nur einige wenige Versuchsanlagen gibt.

Das Aufwindkraftwerk in der Mancha-Hochebene in der Nähe von Manzanares (Spanien) nutzt für seinen Betrieb die Kombination dreier bekannter Techniken aus: den Treibhauseffekt, die Kaminwirkung und das Windrad. Rund 90% der sichtbaren kurzwelligen Sonnenstrahlung werden von einer witterungs- und UV-beständigen Spezialfolie durchgelassen und vom Erdboden absorbiert. Der so erhitzte Boden strahlt einen Teil dieser Energie mit größerer Wellenlänge wieder ab, aber diese Wärmestrahlung kann die Folie nicht passieren.

Durch den so entstandenen Treibhauseffekt wird die unter ihr befindliche Luftmenge um etwa 20°C erwärmt. In ihrem Bestreben, nach oben zu steigen, bewegt sich die erwärmte Luft in Richtung der unteren Öffnung des Blechkamins und strömt in diesen hinein. Der dabei entstehende Aufwind, in etwa vergleichbar mit der natürlichen Thermik. nur eben auf engstem Raum, treibt die in der Fußzone des Kamins horizontal eingebaute Windturbine, die mit einem Generator gekoppelt ist. Da das Foliendach nach den Seiten hin offen ist, strömt, bedingt durch den Sog der Kaminwirkung der hohen Blechröhre, ständig Luft von außen nach, wird erwärmt und gelangt in den Kamin.

Windräder

Der Wind ist ein direkter Abkömmling der Sonnenenergie. Ständig werden zwischen 1,5% und 2,5% der die Erde erreichenden Strahlungsenergie der Sonne in Strömungsenergie der Atmosphäre umgesetzt. Das entspricht einem mittleren Leistungspotential der Windenergie von 2600 bis 4300 Terawatt.

Allerdings ist dieses Potential nicht gleichmäßig über die Erde verteilt und auch nicht zu jeder Zeit in gleicher Höhe anzutreffen. Allgemein gilt, daß wegen der geringen Oberflächenrauhigkeit der Weltmeere dort und in den unmittelbar angrenzenden Küstengebieten besonders hohe mittlere Windgeschwindigkeiten zu erwarten sind. Durch die deutlich höhere Bodenrauhigkeit des Festlandes verringert sich diese dann landeinwärts sehr rasch, und schon nach weniger als 100 km sinken die Jahresmittel der Windgeschwindigkeiten so stark ab, daß eine Nutzung der Windenergie meist in den Bereich der Unwirtschaftlichkeit rückt.

Bei der Nutzung der Windkraft soll dem Wind Leistung entnommen werden. Dies erfolgt, indem der Wind durch eine technische Anlage, zum Beispiel eine Windturbine, von der Windgeschwindigkeit v1 auf die Windgeschwindigkeit v2 abgebremst und die dadurch entstehende Leistungsdifferenz genutzt wird.

Eine Windenergiekraftanlage mit horizontaler Achse besteht aus den Anlagenteilen:

- Turm (Stahlbeton oder Stahlgittermasten)
- Rotorblätter
- Rotornabe
- Getriebe und Kupplung (auch getriebelose Ausführung möglich)
- Generator (Synchron- oder Asynchrongeneratoren)
- Meß- und Regelungseinrichtungen

wobei die Rotornabe, Getriebe und Kupplung sowie der Generator und ein Teil der Regelungsvorrichtungen meist in einer an der Spitze des Turms befindlichen Gondel untergebracht sind. Von ausschlaggebender Bedeutung für die Leistungsfähigkeit einer Windenergiekraftanlage ist die Anzahl und die Gestaltung ihrer Rotorblätter. Moderne Anlagen verfügen heute meist über drei schmal gehaltene Rotorblätter, bei denen der Blattanstellwinkel über hydraulische Stellmotore gesteuert werden kann (Pitch- bzw. Stall-Regelung).

Neuere Anlagen erreichen einen Wirkungsgrad von rund 45%, wobei theoretisch maximal 59% möglich wären (Betz'scher maximaler Leistungsbeiwert).