Strom aus der Schüssel

US-Unternehmen arbeiten mit Hochdruck an der Serienreife für Solarthermie-Anlagen mit bisher unerreichtem Wirkungsgrad. Hoffnungsträger ihrer Innovation ist eine uralte Erfindung – der Stirlingmotor.

Die neueste Errungenschaft zur Energiegewinnung aus der Sonne verbirgt sich hinter Zäunen und Stacheldraht: Die L-förmige Anordnung auf der Kirtland Air Force Base in New Mexico enthält insgesamt zehn solarthermischen Anlagen der Firma Stirling Energy Systems (SES), ein Stück weiter stehen vier Modelle der Firma Infinia in Reih und Glied. Beide Systeme werden von Wissenschaftlern der staatlichen Großforschungseinrichtung Sandia National Laboratories im Auftrag des US-Energieministeriums DOE ausgiebig getestet. Im Fokus der Versuche steht vor allem jener Baustein, der die gesammelte Sonnenwärme in nutzbare Elektroenergie umwandelt – ein Heißgasmotor, nach seinem Erfinder auch Stirlingmotor genannt. Darin wird ein hermetisch abgeschottetes Arbeitsgas abwechselnd erhitzt und gekühlt – die Wärme wird auf diese Weise in mechanische Energie umgewandelt, die zum Antreiben eines Generators genutzt werden kann.

Die Idee des Heißgasmotors ist keineswegs neu: Der schottische Pfarrer und Tüftler Robert Stirling hatte seinen Motor bereits 1816 als kompakte, effiziente und vor allem sichere Alternative zur Dampfmaschine patentieren lassen, nachdem es durch Kesselexplosionen immer wieder zu schweren Unfällen gekommen war. Im Unterschied zur Dampfmaschine kommt der Stirling-Motor ohne konstante Wasserzufuhr aus. Weil das System in sich abgeschlossen ist, kann es 20 bis 30 Jahre lang auch unter widrigen Umweltbedingungen im Einsatz bleiben. Und im Unterschied zu Verbrennungsmotoren ist ein Stirling-Aggregat nicht auf bestimmte Brennstoffe angewiesen – Hauptsache, das Arbeitsgas wird irgendwie erhitzt – zum Beispiel durch konzentriertes Sonnenlicht. Dann produziert ein solches Aggregat nicht einmal Abgase.

In der Dampfmaschinen-Ära konnten die Stirling-Motoren jedoch wirtschaftlich nie mit den günstiger herzustellenden Dampfkessel-Antrieben konkurrieren – im 20ten Jahrhundert wurden sie dann von Verbrennungsmotoren verdrängt. In den 1970er und -80er Jahren versuchten dann Luftfahrtfirmen wie Boeing, McDonnell-Douglas und Lockheed Martin sowie Automobilhersteller wie Ford, Stirlingmotoren für das Militär, für zukünftige Fahrzeuge und sogar für Raumfahrt-Missionen zu bauen. Keiner dieser Entwicklungen gelang jedoch der Massen-Durchbruch.

Erst jetzt, fast 200 Jahre nach seiner Erfindung, stehen die Vorzeichen für die Renaissance des Stirling-Motors günstig wie nie zuvor. Denn zum einen ist die Technik weit genug gediehen, um die Serienfertigung erschwinglich zu machen. Zum anderen stehen zur Zeit in den USA so viele öffentliche Gelder für den verstärkten Einsatz erneuerbarer Energiequellen zur Verfügung wie noch nie – und auch das Interesse privater Geldgeber ist ungebrochen.

Treibende Kraft hinter den Plänen für einen massiven Ausbau von Stirling-Solarparks ist SES aus Phoenix. "Wir haben seit Juli in New Mexiko vier Anlagen unseres neuesten Modells und sechs unseres Vorgängermodells in Betrieb. Weitere sechs Stirlingmotoren laufen in Michigan. So versuchen wir die letzten Macken zu beheben, bevor sie in Serie gehen", berichtet Sean Gallagher, bei SES für strategisches Marketing zuständig. Die zwölf Meter breite Schüssel mit Stirlingmotor, an der das Unternehmen seit 1996 arbeitet, heißt SunCatcher – ein solches Modul stellt maximal etwa 25 Kilowatt elektrische Leistung bereit. SES kann sich rühmen, unter den wachsamen Augen der Sandia-Ingenieure den Weltrekord beim Wirkungsgrad zu halten: Ein SunCatcher verwandelt 31 Prozent der einfallenden Sonnenenergie in Strom und hat damit den seit 1984 geltenden Rekord für solarthermische Stirling-Anlagen von 29 Prozent gebrochen. Photovoltaik-Anlagen kommen auf maximal 20 Prozent Wirkungsgrad und herkömmliche Solarthermie-Kraftwerke wie etwa Parabolrinnen-Anlagen wandeln rund 15 Prozent der Sonnenenergie in Strom um. "Die Einzelteile gibt es seit langem", erklärt Gallagher, "aber wir haben das System effizienter, leichter und robuster gemacht."

Das Geschäftsmodell der Firma SES geht weit über die vereinzelte, dezentrale Nutzung kleiner Stirlingmotoren hinaus: Es zielt auf Stromversorger ab, die große Solarparks einrichten wollen. Das Unternehmen konzentriert sich auf die Entwicklung und Herstellung von Großanlagen mit einer Vielzahl parallel arbeitender Aggregate, die von seiner Tochterfirma Tessera Solar zuerst in Nordamerika und später international installiert und betrieben werden sollen. Den Anfang machen zwei gewaltige Solarparks im heißen und wolkenlosen Südwesten der USA.

Das Calico Solar One Projekt von SES in der Mojavewüste wird 34.000 Schüsseln samt Stirlingmotoren auf rund 33 Quadratkilometern umfassen, die in zwei Phasen zunächst 500 Megawatt und später weitere 350 Megawatt erzeugen. Das Genehmigungsverfahren laufe, so Gallagher, der Baubeginn sei für Ende 2010 und die phasenweise Einspeisung ab Mitte 2011 geplant. Abnehmer für mindestens 20 Jahre ist die Stromgesellschaft Southern California Edison, die 13 Millionen Menschen versorgt, darunter den Großraum Los Angeles. Fast genauso ehrgeizig ist das zweite SES-Projekt im kalifornischen Imperial Valley im Hinterland von San Diego. Dort sollen ab Ende 2010 auf 26 Quadratkilometern Wüste nach und nach 30.000 SunCatcher-Systeme aufgestellt werden, die bei voller Leistung 750 Megawatt in das Netz von San Diego Gas & Electric einspeisen.

Den Testballon für beide Installationen bilden derzeit zwei kleinere Anlagen in Arizona und Texas: Die Maricopa Solar Anlage außerhalb von Phoenix besteht aus 60 Schüsseln, die im Januar den Betrieb aufgenommen haben und für den Stromerzeuger Salt River Project insgesamt 1,5 Megawatt Elektrizität erzeugen werden. Das Western Ranch Projekt für die Stromgesellschaft CPS Energy im Großraum San Antonio wird mit 1.080 Systemen 27 Megawatt elektrischer Leistung bereit stellen – mit der Option, den Park bis auf 100 Megawatt auszubauen. Beides sind Vorführanlagen für Versorgungsunternehmen und Banken. "Der Vorteil unserer Anlagen besteht darin, dass wir sie modular ausbauen können", erklärt Gallagher, dessen Unternehmen im Mai 2008 von der irischen Energiefirma NTR übernommen wurde.

Während herkömmliche solarthermische Kraftwerke aus vielen dezentralen Spiegeln und einer zentralen Anlage zur Wandelung der Wärme in Strom bestehen, hat jede SES-Solarschüssel ihren eigenen, kleinen Generator. Der Kraftwerksbetreiber kann die Kapazität seiner Anlage also schrittweise ausbauen, indem er einfach weitere Module installiert. "Wir stellen jeweils ein Raster von sechs Mal 60 Schüsseln auf, die dann gruppenweise ans Netz gehen", sagt Gallagher.

Ein einzelnes SunCatcher-System besteht aus einer parabolischen Anordnung von 40 Spiegeln mit einer Gesamt-Oberfläche von 89 Quadratmetern, die einfallendes Sonnenlicht bündeln. Der angegliederte, vierzylindrige Stirlingmotor ist mit Wasserstoff gefüllt – nach Angaben der Firma das effizienteste Arbeitsmedium, da es von den physikalischen Eigenschaften her einem idealen Gas sehr nahe kommt. Das Gas hat allerdings auch einen Nachteil: Es lässt sich nur sehr schwer einschließen. Die eigentlich in sich geschlossenen Motoren müssen also ständig mit Wasserstoff nachbetankt werden – Sicherheitsbedenken sieht SES keine, da der Wasserstoff wie Erdgas über unterirdische Leitungen in ihre Solarparks eingespeist werde.

Die US-Wüste sei nur der Anfang, sagt Gallagher. SES hat bereits ein Büro in London aufgebaut, das weitere Projekte im Mittelmeer-Raum anvisiert: "Wir sehen uns Spanien, Portugal, Italien, Griechenland und Zypern sowie Nordafrika genau an." Der Bau für eine Solarfarm zwischen 25 und 50 Megawatt im Mittelmeerraum könnte bereits 2011 beginnen, so Gallagher. Dabei konkurriert die Firma mit einem zweiten, finanziell üppig ausgestatteten Unternehmen im Bundesstaat Washington, dem Unternehmen Infinia. In diese Firma haben unter anderem der Microsoft-Mitgründer Paul Allen und der Milliardär Vinod Khosla – der Risikokapitalgeber investiert bevorzugt in Umwelttechnologien und gilt deshalb im Silicon Valley als "Cleantech Papst" – bislang rund 84 Millionen Dollar investiert. Das Unternehmen, das bis 2002 unter dem Namen Stirling Technology firmierte, entwickelte miniaturisierte Stirlingmotoren für Kunstherzen und die Raumfahrt, bevor es 2006 nach der Vergabe von großzügigen Regierungsaufträgen auf Solarthermie umschwenkte. Seitdem ist Infinia von 20 auf 170 Mitarbeiter angewachsen.

Infinias System ist erheblich kleiner als das SES-Modell: Es wiegt weniger als eine Tonne, kostet 15.000 Dollar – und der Stirlingmotor ist mit Helium gefüllt. Die Anlage besitzt allerdings nur einen Wirkungsgrad von 24 Prozent und erzeugt maximal drei Kilowatt elektrischer Leistung. Nach Angaben des Firmenchefs J.D. Sitton hat Infinia jedoch bereits Aufträge im Wert von zwei Milliarden Dollar in den Auftragsbüchern – darunter von der US-Armee, die Dieselgeneratoren im Feld ersetzen will. Bis September 2010 will Infinia sein System auf den Markt bringen und in der Anlaufphase bereits 100.000 Anlagen produzieren.

Sowohl SES als auch Infinia wollen die Massenfertigung so schlank wie möglich halten. Deswegen planen sie, die Komponenten von rezessionsgeplagten Automobil-Zulieferern zu beziehen. Statt Karosserieteilen und Verbrennungsmotoren können diese Partner ebenso gut Bleche für die Parabolspiegel stanzen und formen. So lässt Infinia seine Schüsseln und seinen Motor von der schwedischen Firma Autoliv beziehungsweise von der Firma Cosma fertigen, einer Tochter der kanadischen Magna-Gruppe. SES hat die Firma Tower Automotive am Rande von Detroit beauftragt, die Streben und Spiegelwannen für seine SunCatcher herzustellen.

"Die massive Nutzung von Solarenergie, nicht nur Photovoltaik, erlebt eine große Renaissance. Der Großteil des Potentials für solarthermische Anlagen steckt dabei im Südwesten der USA", erklärt Thomas Mancini, Programmdirektor für den Forschungsbereich "konzentrierte Solarenergie" (CSP) der Sandia National Laboratories. Allein für Photovoltaik-Anlagen dürfte die US-Nachfrage kommendes Jahr bei einem Gigawatt liegen. Bislang dominieren Deutschland, Japan und Spanien den Solarmarkt, aber bis 2014 könnten die USA die neue Nummer eins sein, schätzt die Marktforschungsgruppe Pike Research in Boulder. Neben Stirling-Anlagen sind in den Vereinigten Staaten zahlreiche Solarkraftwerke mit Parabolrinnen und Sonnentürmen in Arbeit. Alleine im ersten Halbjahr 2009 kündigten elf Hersteller Projekte in sechs Bundesstaaten von Oregon bis Florida mit rund 4,3 Gigawatt Kapazität an. Mancini veranschlagt die maximale CSP-Produktionskapazität in sieben westlichen US-Bundesstaaten von Colorado bis Kalifornien auf rund 16,3 Gigawatt.

Dieser Boom hat auch bei europäischen und asiatischen Unternehmen Begehrlichkeiten geweckt – schließlich stellt die Obama-Regierung zweistellige Milliardenbeträge an Fördermitteln und Steuervergünstigungen für saubere, erneuerbare Energien bereit. Angesichts der Megaprojekte, die durch langfristige Abnahmeverträge örtlicher Stromversorger gestützt werden, sind nun auch europäische und asiatische Anbietert auf dem Vormarsch: So haben die deutsche SolarWorld, die spanische Firma Fotowatio und Itochu aus Japan in eigene Werke vor Ort investiert oder kaufen kleinere US-Konkurrenten. Auch die chinesische SunTech Power will in den USA solarthermische Systeme für den US-Markt bauen.

Das Interesse bündelt sich in Kalifornien, dem Vorreiterstaat für grüne Initiativen in Amerika. Der US-Bundesstaat ist nicht nur von der Sonne verwöhnt, er hat zugleich auch eines der strengsten Gesetze verabschiedet, um den Anteil erneuerbarer Energiequellen im Portfolio seiner Stromversorger bis 2010 auf 20 und bis 2020 auf 33 Prozent der Gesamt-Energieproduktion zu steigern. Alle gegenwärtig beantragten oder bereits genehmigten Solarthermie-Projekte in Kalifornien addieren sich auf 10,6 Gigawatt. Mit dabei sind drei Parabolrinnen-Kraftwerke mit rund 1,75 Gigawatt Leistung, die von der deutschen Firma Solar Millennium geplant werden.

Derzeit brauen sich über diesem Solarboom jedoch dunkle Wolken zusammen. Die anhaltende Rezession hat die Finanzierung von Großprojekten verlangsamt und in einigen Fällen sogar in Frage gestellt. Kreditbürgschaften aus Washington sind nach Angaben von SES-Manager Gallagher von "kritischer Bedeutung" für die Finanzierung der beiden Stirling-Parks seiner Firma. Hinzu kommen Umweltschutzbedenken, wenn es darum geht, weite Landstriche mit Solaranlagen zuzupflastern.

So musste die Firma Brightsource Energy, die ab kommendem Jahr in Kalifornien zwei gewaltige Solarturm-Parks mit insgesamt 2,6 Gigawatt Leistung bauen wollte, Mitte September einen für sie sehr schmerzhaften Rückzieher machen. Nach dem Einspruch von Umweltschutzorganisationen und Politikern gab BrightSource einen 21 Quadratkilometer großen Bauplatz in einem ehemaligen Naturschutzgebiet der Mojavewüste auf und muss sich nun auf die Suche nach einem neuen Standort machen.

Denn ein immer dringlicher werdendes Problem ist der enorme Wasserverbrauch von Parabolrinnen und Sonnentürmen – gerade in den Wüstenregionen des Westens, in denen sich Großstädte und Landwirte schon lange um Wasserrechte streiten. Während Stirlinganlagen dank ihres geschlossenen Kreislaufs mit geringen Mengen vom kostbaren Nass auskommen, das nur zur Reinigung der Spiegel eingesetzt wird, müssen Rinnen und Türme je nach Kühlungsmethode mit erheblichen Mengen Grundwasser versorgt werden. Zum Vergleich: Eine 500 Megawatt-Anlage mit Parabolrinnen und Wasserkühlung verbraucht im Jahr 3,9 Millionen Kubikmeter Wasser, eine gleich große Stirling-Anlage jedoch nur rund 27.000 Kubikmeter – das sind 0,7 Promille.

Der Durst dieser eigentlich grünen, sauberen Energiegewinnung ruft erbitterten Widerstand auf den Plan: So kämpft Solar Millennium mit Anwohnern in Nevada, da zwei ihrer dort geplanten Solarfarmen jährlich 4,9 Millionen Kubikmeter Wasser benötigen – ein Fünftel der gesamten Ressourcen der Region. Beacon Solar, ein Solarrinnen-Projekt der Firma NextEra Energy Resources in der kalifornischen Wüste, würde zwei Millionen Kubikmeter Trinkwasser im Jahr verbrauchen. Der Staat Kalifornien untersagt Kraftwerksbetreibern jedoch bislang per Gesetz den Einsatz von Trinkwasser, deswegen fühlen sich Anwohner und Lokalpolitiker zum Widerstand ermutigt. Die beiden geplanten Stirling-Parks von SES kommen demgegenüber mit je 45.000 Kubikmetern Wasser aus, die das Unternehmen dennoch teuer zu stehen kommen. In der extrem wasserarmen Gegend muss die Betreiberfirma Tessera Solar diese Wasserrechte mit Sondergenehmigungen von Anliegern erkaufen.

Solche Probleme kennt der Erfinder Dean Kamen, der zuletzt mit seinem Segway-Roller für Schlagzeilen sorgte, nicht. Seit nunmehr gut zehn Jahren arbeitet Kamen an kleineren, dezentralen Stirling-Anlagen, die sich sowohl in der Dritten Welt als auch von westlichen Privathaushalten installieren lassen. Eine frühere Version seines Motors wurde mit Kuhdung befeuert und erzeugte in Feldversuchen 2005 in Bangladesch ein Kilowatt Leistung. "Wir sind gerade dabei, unsere fünfte Generation fertig zu stellen " berichtet Kamen über seine Kleinanlage, die sowohl mit Sonnenenergie als auch mit organischem Brennstoff betrieben werden kann. "Das Endziel über einen Stirlingmotor hinaus ist für uns, die Einzelteile für ein intelligentes Stromnetz zu bauen, so dass Haushalte ihren eigenen Strom erzeugen können – egal ob sie sich in einem entlegenen Dorf in Afrika befinden oder in den USA."

Sandia-Forscher Mancini zweifelt grundsätzlich an Kamens Vision vieler kleiner dezentraler Stirling-Anlagen, die wie Gasöfen in Wohnhäusern installiert werden und sogar Energie ins öffentliche Netz einspeisen könnten. " Ich möchte die Versicherung sehen, die ein Haus versichert, in dem eine solche Anlage läuft, die extrem heiß wird und unter Druck steht. Ich glaube nicht, dass diese Technologie den Weg in private Hände finden wird." Doch Kamen schreckt das nicht. Er hat über die Jahre bereits mehrere Patente auf Stirling-Anlagen erteilt bekommen, zuletzt im Dezember 2008 für einen Roller mit Hybridmotor. Seit er die Entwicklungsarbeiten in den 90er Jahren aufnahm, hat sein Team rund 100 kleinere Stirlingmotoren gebaut, berichtet der Leiter von Deka Research and Development. "Zwei oder drei" der neuesten Versionen würden gerade auf Kamens Privatinsel North Dumpling Island vor Neuengland eingebaut. Dort will der Tüftler testen, ob er den Winter ohne Anschluss ans öffentliche Netz verbringen kann. Kamen will nicht nur jedes aus Wind und Sonne erzeugte Watt messen, sondern auch den Verbrauch bis zur einzelnen Steckdose und jedem Küchengerät erfassen.

"Wir wollen unsere Stirling-Anlage zur Serienreife weiter entwickeln, aber dazu müssen die Herstellungs- und die Erzeugungskosten deutlich sinken. Es ist keine Frage der Technologie, sondern des Geldes", sagt Kamen. Sein Stirlingmotor sei inzwischen simpel und robust genug, um auch zigtausendfach in Solarparks eingebaut zu werden. "Wir würden liebend gerne zum Zulieferer für große Betreiber werden." Derzeit koste es allerdings noch zwei Dollar, um ein Watt mit seiner Stirling-Solaranlage zu gewinnen. In den nächsten Jahren will der Erfinder die Kosten auf "deutlich unter einen Dollar" bringen.

Dieser zugleich hohe wie vage Preis dürfte bis auf weiteres nur wenige Privathaushalte dazu verleiten, eine eigene Stirling-Solaranlage aufzustellen – zumal es in den USA keine einheitlichen Einspeisungsprämien gibt. SES dagegen will in seinen Parks Strom für 12 bis 15 US-Cent die Kilowattstunde erzeugen, der Branchenschnitt liegt derzeit noch bei 20 Cent. Zum Vergleich: Modernste Photovoltaik-Anlagen arbeiten zu 25 Cent pro Kilowattstunde. (bsc)