Solarstrom aus dem All - Unbezahlbar für alle Zeit?

1. Einführung

Solarenergie von stationären Kraftwerken im geostationären Orbit gilt allgemein als extrem unwirtschaftlich. Nachfolgend werden einige Überlegungen darüber angestellt, ob dies wirklich so sein muss. Die Idee stammt aus den zwanziger Jahren, (von Hermann Oberth) wurde aber erst 1968 konkretisiert.  Peter Glaser, ein Exil-Tscheche, der in die USA geflüchtet war, entwickelte damals die Idee der Solar Power Satellites (SPS). Sie sollten im geostationären Orbit Sonnenlicht mittels Photovoltaik in Strom umwandeln.

Damit würde man in großem Maßstab Mikrowellen erzeugen, diese würden als mäßig gebündelter Strahl zur Erde gesandt und dort mittels Quadratkilometer großer Antennenanlagen wieder zurück in Elektrizität umgewandelt. Peter Glaser und seine Nachfolger postulierten Kraftwerke von bis zu 10 000 MW Leistung. Die NASA hatte damals das Szenario durchgerechnet und kam verständlicherweise zu dem Ergebnis, daß der Strom dieser Kraftwerke, jedenfalls wenn sie mit Hilfe konventioneller Raumfahrt errichtet werden, unbezahlbar wäre. Solche Photovoltaik-Anlagen die z.B. 5000 MWe Leistung erbringen, sollen eine Masse von 11000 Tonnen haben. Solche großen Massen können mit Raketen nicht wirtschaftlich von der Erde in den geostationären Orbit gebracht werden.


Natürlich sieht es günstiger aus, wenn solche Großanlagen mit Hilfe preiswerter Transportmittel, oder durch das „heraufschießen“ kleiner Bauteile mittels coil guns erstellt werden können. Wirklich preiswert wird es dann, wenn Weltraumaufzüge zur Verfügung stehen. Aber das ist einstweilen noch Zukunftsmusik. Die Frage darf gestellt werden, müssen es denn überhaupt schwere Monsteranlagen sein, aus teuren Solarzellen? Geht es vielleicht auch einfacher?  


2. Solarthermische Kraftwerke

Hermann Oberth war Zeit seines Lebens ein Verfechter der Solarthermie und billigte der Photovoltaik nur ein Nischendasein zu, vor allem für kleine Anlagen mit z.B. weniger als einem MWe Leistung. Der Grund liegt im höheren Wirkungsgrad der Solarthermie. Sie wird praktisch vom Wirkungsgrad der Turbine und des Generators vorgegeben. Denn das Reflektionsvermögen eines aus Aluminiumfolie gefertigten Parabolspiegels für sichtbares Licht liegt bei ungefähr 92%. Nur 8 % des auftreffenden Sonnenlichtes werden absorbiert und als Infrarotstrahlung an der Rückseite abgegeben. Denkbar sind auch hauchdünne Kunststofffolien, die mit Aluminium bedampft werden. Durch eine Bedampfung des Aluminiums mit Natrium kann das Reflexionsvermögen noch erhöht werden. Eine Bedampfung mit Gold erzielt noch höhere Werte, bis über 99 %, ist aber aus naheliegenden Gründen unwirtschaftlich.  

 

  kleine solarthermische 10 KW Anlage in Spanien

Wenn man nun von großen Parabolspiegeln ausgeht, die aus dünner, natriumbedampfter Aluminiumfolie bestehen, mit einem Refektionsvermögen um 95 %, ergeben sich folgende Leistungskriterien:

Spiegelfläche:            1 km2  = 1 Million m2.   
Dicke der Folie:          0.1 mm (also nicht ultradünn, möglich sind auch 0.01 mm)
Masse der Folie:        270 Tonnen (Aluminium hat die Dichte 2.7)
Gesamtmasse:          ca. 350 Tonnen (mit Aussteifung und Lagekontrolltriebwerken)    
Solarkonstante:         1370 Watt pro m2
Energieausbeute :     1370 x 0.95 = 1301 MW thermisch

Nun, das ist ziemlich viel, aber was bedeutet diese Zahl konkret? Zunächst noch nichts, denn es handelt sich ja nur um die konzentrierte Strahlungsleistung, also eine Menge Wärme, aber noch nicht um Strom.    

Diese 1300 MW sind im Brennpunkt des Parabolspiegels konzentriert. Dort können, je nach Grad der Konzentration, Temperaturen von bis zu 5000 ° C erreicht werden, rein theoretisch sogar die Temperatur der Sonnenoberfläche (5800 °C), aber keinesfalls auch nur ein einziges Grad mehr. Für eine effektive Stromerzeugung genügen einige hundert Grad bis maximal 1000° C. Deutlich höhere Temperaturen sind allenfalls für metallurgische und chemische Prozesse erforderlich.

Um eine Temperatur von ca. 500° C (770 Kelvin) zu erzeugen, ist eine Strahlungsdichte von mindestens 10 kW pro Quadratmeter erforderlich. Also muß das natürlich einfallende Sonnenlicht (1370 W/m2) nur siebenfach konzentriert werden, das ist leicht machbar. Anspruchsvoll wird es erst, wenn man 300 000 fach konzentriert, wie beim Sonnenofen von Odeillo in den Pyrenäen, wo allerdings unglaubliche 4000 Kelvin erreicht werden. Bei nur 10 kW/m2 an Strahlung dauert es allerdings geraume Zeit, bis die erwähnten 500 °C erreicht sind, also bündelt man doch noch etwas stärker, vielleicht 10 oder 20-fach, damit es schneller geht.

Im Brennpunkt des ca. 350 Tonnen schweren Spiegels befindet sich nun der Wärmeabsorber. Über technische Einzelheiten lasse ich mich hier nicht aus, es geht hier nur ums Prinzip. Der Absorber wird permanent aufgeheizt und gibt die Wärme an ein Arbeitsmedium ab.

Welches Arbeitsmedium kommt in Betracht?

Gehen wir erst mal nur von Wasser aus, es gibt aber auch noch bessere Möglichkeiten, z.B. Quecksilber oder Kalium. Das Wasser wird unter Druck (221 bar) bis zum kritischen Punkt erhitzt ( 374°C) und dann entspannt und in eine Dampfturbine geleitet. Diese treibt einen Generator an, der erzeugte Strom wird im Magnetron in Mikrowellen umgewandelt. Diese werden als Richtstrahl zur Erde gesandt und dort in einer großen Empfangsanlage wieder in Strom umgewandelt. Die klassische Dampfturbine würde man aber in diesem Fall sicher nicht nehmen, weil deren Wirkungsgrad zu gering ist. Den höchsten Wirkungsgrad weist gegenwärtig die Gas- u. Dampfturbine (GUD) auf, mit erstaunlichen 58 %.

Dieser Wirkungsgrad macht eigentlich den Hauptvorteil der Solarthermie gegenüber der Photovoltaik aus. Denn der Wirkungsgrad preiswerter Solarzellen auf Siliziumbasis liegt nur wenig über 10 %, vor allem nach einigen Jahren kosmischer Höhenbestrahlung und Sonnenwind. Wie groß mag nun die Gesamtmasse der oben beschriebenen kompletten Anlage sein? Das lässt sich nur schätzen, aber die Schätzung ist einigermaßen plausibel.

1. Parabolspiegel:                         350 Tonnen
2. Wärmeabsorber:                         20 Tonnen        
3. Arbeitsmedium                         100 Tonnen
4. Turbine und Generator:             25 Tonnen
5. Magnetron                                      5 Tonnen
6. Antenne:                                       10 Tonnen
7. Abstrahler (für Überschusswärme) 25 Tonnen    

Es mögen also insgesamt reichlich 500 Tonnen sein. Das Equipment auf der Erde wird hier nicht berücksichtigt. Diese 500 Tonnen müssen in den geostationären Orbit transportiert werden, mit welchem Gerät auch immer, und dort zusammengebaut werden.

 

 solarthermisches Kraftwerk im GEO

 

3. Kostenbetrachtung

Was darf denn so eine Anlage nun höchstens kosten, damit der auf der Erde ankommende Solarstrom noch einigermaßen bezahlbar bleibt ? Machen wir eine einfache Rechnung auf.

Thermische Energieausbeute des Spiegels:                 1300 MWth
Stromerzeugung (50 %):                                                       650 MWe
Nach Umwandlung im Magnetron (80 %):                        520 MWe       
Stromausbeute auf der Erde (80 %):                                 416 MWe    
Jahresleistung bei z.B. 8000 Std. Betrieb:         3.3 Milliarden KWh

Eine Leistung von 3,3 Milliarden Kilowattstunden reicht im Prinzip für eine Stadt wie Dortmund. Man müsste für eine Versorgung der ganzen Menschheit also größere Spiegelkraftwerke bauen (5 bis 10 km2 groß) und davon einige Tausend. Aber Platz ist genug im stationären Orbit (sein Umfang beträgt 266 000 km) und Aluminium gibt’s auf dem Mond satt.  

Zunächst ein Überblick über die reinen Erzeugungskosten von elektrischen Energie auf der Erde:

Kernenergie mit Leichtwasserreaktoren:        2 Euro Cent /KWh
Braunkohle:                                                           2 Euro Cent /KWh
Erdgas:                                                                  3 Euro Cent /KWh
Deutsche Wasserkraft:                                       3 Euro Cent /KWh (in Deutschland)
Deutsche Steinkohle:                                         4.5 Euro Cent /KWh
Wind:                                                                      9 Euro Cent /KWh
Öl:                                                                          8.5 Euro Cent / KWh.
Sonne (Deutschland):                                       50 Euro Cent /KWh

Wasserkraft ist in bestimmten Weltgegenden natürlich kostengünstiger als in Deutschland, die Sonne allerdings auch und Steinkohle zu Weltmarktpreisen liegt ca. bei 3-4 Euro Cent. Man sieht, das ist harte Konkurenz. Denn eigentlich müsste der Strom aus dem Orbit für wenige Cent pro KWh angeboten werden. Nun kennt jeder aus seiner Stromabrechnung eigentlich ganz ander Preise für eine Kilowattstunde. Denn da stecken nicht nur die Netzkosten drin, sondern vor allem sind es politische Preise. Da halten ganz viele die Hand auf.

So müssen in den EU- Staaten eben Endpreise gezahlt werden, die zwischen 18 und 23 Cent (KWh) für Haushalte und zwischen 13 und 18 Cent für Großabnehmer liegen. Bis zu 45% Staatsabgaben also und auch erhebliche Netzkosten. Zugegeben, die Netzkosten fallen auch beim orbitalen Solar-Strom unvermeidlich an. Aber all die Steuern und Abgaben (außer vielleicht der Mehrwertsteuer) könnten ja wegfallen. Jedenfalls dann, wenn die Politik es ernst meinte mit all dem Klimaschutz und  mit der Nachhaltigkeit etc.   

Man sollte also annehmen, daß Strom aus solarthermischen Kraftwerken, der mit 10 Cent pro /KWh in das Netz eingespeist wird, für 20 Cent den Endabnehmern verkauft wird. Das ist ein relativ hoher Preis, aber gerade noch wirtschaftlich vertretbar. Es entstehen keine Abgase und kein CO2, kein Flächenverbrauch (denn die Empfangsanlagen können in Weidegebieten oder Ödländern liegen) und last not least, die Energie reicht  ewig.  

Die 3.3 Mrd. Kilowattstunden erlösen somit 330 Millionen Euro im Jahr. Wenn man für den Bau des Kraftwerkes 5 % Verzinsung und 4 % Amortisierung sowie noch Gewinne ansetzt, ist man bei den üblichen 10 %. Ein Kraftwerk wie das oben beschriebene dürfte also 3.3 Mrd Euro (rund 4 Mrd Dollar) kosten.  

Wir erinnern uns: es geht um 500 Tonnen Aluminiumfolie, Konstruktionselemente, Turbinen, Generatoren, Wandler etc. Das alles ist in den Geostationären Orbit zu schaffen und dort zu montieren. Auf der Erde müssen diese Dinge auch erst mal produziert werden, das kostet einiges. (Die Produktion im Raum oder auf dem Mond lasse ich mal bewusst aus, um das Thema nicht noch weiter zu verkomplizieren).   

Die irdischen Produktionskosten (ohne Forschung und Entwicklung) schätze ich hier mal grob auf eine Milliarde EURO. Das mag vielleicht zu wenig sein, aber die Größenordnung ist realistisch. Die einen Quadratkilometer große Alufolie kostet kaum 2 Millionen. Da bleibt noch viel übrig für den Rest. Denn ein 600 MW-Kraftwerk (Kohle) zu bauen, kostet etwa 500 Millionen Euro. Es bleiben also noch etwa ca. zwei Milliarden Euro übrig, wenn man noch den Bau der sich über einige Quadratkilometer erstreckenden, irdischen Rectenna-Anlage abrechnet. Zwei Milliarden für Transport und Montage, das ist wirklich nicht viel. Aber das ist eben die Messlatte, wenn man Strom anbieten will, der noch bezahlbar ist.  

Dieser Betrag teilt sich auf in den Transport zum stationären Orbit und den dortigen Zusammenbau der einzelnen Komponenten.

1. Montage:

Hier treffe ich erst einmal eine wilkürliche Annahme, nämlich daß die  Montage 50 % der Gesamtkosten beträgt. Beispielweise zehn Astronauten bauen innerhalb eines Jahres die Anlage im geostationären Orbit zusammen. Es ergeben sich dann 20 000 bis 25 000 Arbeitsstunden. In einer solchen Zeitspanne lässt sich eine Menge schaffen, vor allem wenn Roboter zur Verfügung stehen. Die meiste Arbeit dürfte wohl der einen Quadratkilometer große Parabolspiegel machen.

Pro Astronaut dürfen nicht mehr als 100 Millionen für ein Arbeitsjahr anfallen, oder 40 000 bis 50 000 Euro pro Arbeitsstunde. Das schein relativ üppig zu sein. Aber davon müssen schließlich auch bezahlt werden:

  • Zwei bis drei Trips zur Erde und wieder zurück ( geht nur mit Pendelfähren zum LEO und Raumgleitern Typ SÄNGER oder HOTOL oder vergleichbar)
  • Ein Zehntel eines Wohnhabitates, in dem man sich ein Jahr lang einigermaßen wohlfühlen kann. Dieses muss sich zwar erst in mehreren Jahren amortisieren, aber es dürfte einige hundert Millionen Euro kosten.
  • Dann natürlich das ganze technische Equipment, wie Werkzeuge aller Art, Roboter, steuerbare Arbeitskapseln mit Greifern, Spritzdüsen etc.  Doch auch das Equipment muss sich mit bei einer einzigen Kraftwerksmontage amortisieren, sondern kann ein paar mal verwendet werden.   

2. Transport von der Erde

Für die restliche Milliarde müssen 500 Tonnen in den geostationären Orbit (36 000 km Höhe) transportiert werden. Daraus ergeben sich 2000 EUR pro Kilogramm Nutzlast, das ist wirklich nicht viel. Aber im Prinzip ist es möglich. Die russische Proton-Rakete liegt mit etwa 4000 EUR (GEO) ein Stück oberhalb dieses Levels, aber in derselben Größenordnung,  und das obwohl sie eine sogenannte Wegwerfrakete ist. Die Proton ist aber auch bisher das mit weitem Abstand wirtschaftlichste Arbeitspferd in der Raumfahrt überhaupt (Hut ab vor den Russen).  

Um einen Transportpreis von 2000 EUR pro Kilogramm, oder noch weniger, zu erreichen, müssten einige technologische Revolutionen erfolgen, die allsamt auch seit Zwanzig Jahren wirklich überfällig sind.  

1. Zweistufige ballistische Großtransporter vom Typ Neptun
2. Zwei- oder einstufige Raumgleiter  Typ HOTOL oder Sänger 2 oder X 33.
3. Elektromagnetische Katapulte, Slingatrone (Schleudern), oder andere „Raumartillerie“.  

Den wahrhaft revolutionären Weltraumfahrstuhl link habe ich hier mal ganz ausgeklammert. Er würde sogar die Errichtung photovoltaischer Kraftwerke im Orbit wirtschaftlich machen.

Alle diese konventionellen Verfahren sind seit langem konzipiert, liegen in den Schubladen oder sogar als Prototypen vor. Daß auf diesem Gebiet ein technologischer Durchbruch erzielt wird, ist die unabdingbare Voraussetzung für eine Senkung der lift off Kosten auf z.B. 2000 Euro pro Kilogramm.

Und dann, aber auch nur dann, rückt die Errichtung von solarthermischen Großkraftwerken in 36 000 km Höhe in greifbare Nähe. Dieser Orbit ist 266 000 Kilometer lang. Dort können ganz leicht und ohne allzu großes Gedränge, einige Millionen Megawatt Leistung installiert werden. Die gegenwärtig installierte irdische Gesamtleistung aller Kraftwerke beträgt gut 2 Millionen MWe.

Es mag sein, daß Strom weltweit etwas teurer würde als er heute ist, aber das ist nicht mal sicher. Er würde aber noch bezahlbar bleiben, was man von unserer terrestrischen Photovoltaik nicht sagen kann. Das Speicherungsproblem (Nacht, Winter, Wolken) entfällt natürlich, lediglich der Erdschatten macht gelegentlich Probleme, aber das betrifft zum Glück nur einige Stunden im Monat.  

Und es reicht für ewig!! Denn die Ewigkeit dauert nun mal  5-6 Milliarden Jahre, so lange bis die Sonne zur Nova wird!

-> Helium 3 Teil 5


Autor: Michael  Boden


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