Schwimmende Kraftwerke
Ganze 13 Meter hoch und nur ein paar Kilowatt stark – es ist ein mickriges Windrad, das seine Flügel dort vor der norwegischen Küste dreht. Doch die Technik, die das norwegische Startup Sway im Meer vor Bergen testet, ist revolutionär: Die Turbine hat kein Fundament – sie schwimmt. Sie kann daher auch in tiefen Gewässern, weit vor der Küste, vor Anker gehen. Windkraft auf offenem Meer – mehrere europäische Unternehmen arbeiten an dieser Idee. Und das ist nicht die einzige Energieerzeugungstechnik, die das Wasser erobert. In Italien und Indien entstehen schwimmende Fotovoltaikanlagen. Sogar Wellenkraftwerke, die wie Bojen auf dem Wasser treiben, sind in Arbeit.
Damit werden völlig neue Flächen jenseits des Festlands für die Stromerzeugung erschlossen. In Gebieten mit bis zu 200 Meter Wassertiefe wäre allein in Europa genug Platz, um mit Windturbinen 8000 Terawattstunden Strom zu produzieren, hat Jochen Bard berechnet, Meeresenergieexperte vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik in Kassel. Das wäre mehr als doppelt so viel, wie alle EU-Bürger 2010 verbrauchten. Unterwasserstromkabel, die die Energie Hunderte Kilometer ans Land transportieren, sind heute schon in Offshore-Windparks erprobt.
Technisch funktionieren schwimmende Windräder wie eine Boje: Die Luft im Innern des Trägermastes sorgt für Auftrieb, und der Ballast am unteren Ende hält das Windrad aufrecht. Mehrere Anker am Meeresgrund wiederum sorgen dafür, dass es nicht wegschwimmt. Damit die Technik einen tatsächlichen Beitrag zur Stromerzeugung leisten kann, muss die Konstruktion so stabil werden, dass sie auch 20 Meter hohen Riesenwellen trotzen kann.
Kraftwerks-Bojen und schwimmende Solarmodule
Das US-Startup Ocean Power Technologies will unterdessen die Wellen selbst zur Stromerzeugung nutzen – mithilfe haushoher Bojen, die das Auf und Ab der Meeresoberfläche mithilfe eines Generators in Elektrizität umwandeln. Das maritime Kraftwerk ist für Gebiete mit bis zu 50 Meter Wassertiefe konstruiert. Ein Prototyp, der vor der Küste Schottlands schwimmt, leistet immerhin bis zu 150 Kilowatt. Meeresparks aus Hunderten von Anlagen könnten eines Tages kleine Kohlekraftwerke ersetzen, hoffen die Erfinder.
Sie könnten dann ganze Städte mit Strom versorgen. Die Stromerzeugungskosten sollen mit 15 US-Cent pro Kilowattstunde unter den Kosten heutiger Offshore-Windkraftwerke liegen.
Eine andere Technik testet das Forschungsinstitut Scienza Industria Tecnologia im italienischen Navacchio auf einem kleinen See in der Toskana: Dutzende Solarmodule sind auf einem Ponton montiert, alle im schrägen Winkel dem Himmel zugeneigt. Das schwimmende Kraftwerk dreht sich nach der Sonne und wird durch Wassersprinkler gekühlt. Beides soll die Stromausbeute gegenüber Solarkraftwerken auf dem Land um zwei Drittel erhöhen.
Staudammbetreiber könnten ihre Seen mit solchen Fotovoltaikanlagen bedecken – und damit den Gesamtstromertrag ihrer Kraftwerke mindestens verdoppeln. Scheint die Sonne, fließt Sonnenstrom ins Netz, abends springen die Wasserturbinen an.
Atmende Batterien
Winfried Wilcke will mit seinem Forscherteam den „Mount Everest der Batterietechnik“ besteigen, sagt er. Der deutsche Physiker arbeitet beim amerikanischen IT-Riesen IBM und erforscht neuartige Lithium-Luft-Batterien. Das Ziel des sogenannten Battery 500 Projects ist, einen Stromspeicher zu schaffen, der ein Mittelklasseauto 800 Kilometer weit bringt. Die Batterien müssten dafür eine ähnliche Energiedichte aufweisen wie Benzin oder Diesel. Gelingt das, könnten Batterien den Sprit aus Erdöl ersetzen.
Die hohe Energiedichte will Wilcke erreichen, indem er die Lithium-Ionen in der Batterie mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft statt wie bisher mit Kohlenstoff reagieren lässt. Die Luft wird in den Akku eingesaugt, die folgende chemische Reaktion setzt
Strom frei. Der treibt das Auto an. Schließt der Fahrer den Wagen an die Steckdose an, entweicht während des Ladevorgangs die Luft wieder aus dem Akku. Forscher sprechen deshalb von einer atmenden Batterie.
Bis 2020 will IBM den Superakku marktreif haben. Ein Erfolg Wilckes würde einen unglaublichen Entwicklungssprung in der Batterietechnik bedeuten. Denn die heute üblichen Lithium-Ionen-Akkus erschlaffen spätestens nach etwa 150 Kilometern.
Schaltet der Fahrer an kalten Winter- oder an heißen Sommertagen die Heizung oder Klimaanlage an, schrumpft die Reichweite abermals.
Strom aus dem Strom
Mannshohe Turbinen, tonnenschwere Generatoren: Heutige Wasserkraftwerke sind groß und teuer. Karl Reinhard Kolmsee hat mit seinem Unternehmen Smart Hydro Power in Feldafing am Starnberger See jetzt eine kleine Variante entwickelt: schwimmende Kleinstwasserkraftwerke, die bis zu 35 Kilowatt leisten. Sie sollen Siedlungen am Amazonas oder in der Wildnis Kanadas, die keinen Zugang zum öffentlichen Energienetz haben, mit Strom versorgen. Die Minikraftwerke sind zudem billiger und umweltfreundlicher als die dort bisher eingesetzten Dieselgeneratoren. Kolmsee schätzt den Markt auf rund 100 000 Anlagen jährlich.
Sonnen-Allee
Für die meisten Menschen sind Straßen dazu da, um von A nach B zu kommen. Für Scott Brusaw sind sie weit mehr – nämlich die Kraftwerke von morgen. Der Gründer des US-Startups Solar Roadways hat ein Solarmodul mit der Fläche eines Pkw-Stellplatzes gebaut. Die dreieinhalb Meter breiten, quadratischen Bauteile sollen mit ihrer Glasabdeckung so stabil sein, dass sogar Lkws darüberrollen können. Stück für Stück aneinandergesetzt, will Brusaw Straßen mit diesen Modulen bauen.
Würde die Technik sämtliche Verkehrsflächen in den USA bedecken, könnte sie laut Brusaws Rechnung dreimal mehr Strom liefern, als die Amerikaner verbrauchen. 10 000 Dollar kostet ein Panel – das klingt nach einer astronomischen Investition. Doch über den Stromverkauf würden die Straßenkraftwerke die Ausgaben, über 20 Jahre gerechnet, wieder einspielen.
Zusätzlich will Brusaw LEDs einbauen, die Verkehrshinweise anzeigen. Einen kleinen Schritt kommt er dieses Jahr voran: Im Frühjahr wird das Startup im US-Bundesstaat Idaho den weltweit ersten Strom erzeugenden Parkplatz bauen.
Mikrobrennstoffzelle
Akkus sind die große Schwachstelle der heutigen Elektronikwelt. Sie sind wenig effizient – und oft leer.
Das Problem sollen nun Mikrobrennstoffzellen lösen. Sie produzieren Strom aus Methanol oder Wasserstoff. So hat Toshiba handtellergroße Brennstoffzellen im Angebot, die Akkus unterwegs aufladen können. Methanol lässt sich klimafreundlich aus Pflanzenresten oder Müll herstellen. Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) hat eine Brennstoffzelle in Knopfgröße gebaut. Schon bald soll sie Wasserstoff aus der chemischen Reaktion eines Metalls mit Wasser gewinnen.
Bei Millionen von Sensoren, die zum Beispiel Gebäude überwachen, könnte diese Technik Lithium-Ionen-Akkus ersetzen.
Die CO2-Waschmaschine
Ein grau-weißer Kasten, kaum größer als ein Schuhkarton, an dem einige Kabel und Schläuche baumeln und den ein paar Messinstrumente umgeben: Unspektakulärer könnte das Gerät kaum aussehen, das da auf einem Labortisch in den frisch bezogenen Räumen des Unternehmens Climeworks in Zürich steht.
Und doch hat es das Zeug, die Welt zu verändern. Davon sind jedenfalls die Climeworks-Gründer Jan Wurzbacher, 28, und Christoph Gebald, 29, überzeugt. Denn im Inneren des Geräts, versichern die jungen deutschen Maschinenbau-Ingenieure, verberge sich das bisher fehlende Glied, um die Menschheit auch nach dem Ende des Erdöl-Zeitalters in ausreichenden Mengen mit erschwinglichem Biokraftstoff versorgen zu können – und das gänzlich klimaneutral.
Das vermeintliche Wunderwerk ist ein Filter, den Wurzbacher und Gebald als Doktoranden an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich entwickelt haben. Er fischt dank seiner speziellen porösen Struktur aus ganz normaler Luft mit wenig Energieaufwand Kohlendioxid (CO2) heraus. Synthetisiert man das Gas mit Wasserstoff, entsteht am Ende einer längeren Prozesskette Benzin, Diesel und Kerosin (siehe Grafik).
Eine solche CO2-Waschmaschine wäre ein Segen für unseren Planeten: Denn bei der Verbrennung des Ökotreibstoffs gelangt kein zusätzliches CO2 in die Atmosphäre, sondern nur so viel, wie die Filteranlage ihr vorher von dem Treibhausgas entzogen hat. Der CO2-Kreislauf wäre geschlossen – Tanken würde dem Klima nicht mehr schaden.
Bekannte Technik wirtschaftlich gemacht
Vor der Weltenrettung, das räumen Wurzbacher und Gebald bei aller Zuversicht ein, stehen allerdings noch einige Jahre harter Entwicklungsarbeit. Oberstes Ziel der beiden Erfinder ist es, die Filteranlage reif für den großtechnischen Einsatz zu machen. Investoren – wie die Zürcher Kantonalbank – haben ihnen dafür in einer jüngst abgeschlossenen Finanzierungsrunde insgesamt 2,5 Millionen Euro spendiert.
Die Idee, aus Wasser und CO2 saubere Treibstoffe herzustellen, hat nichts mit Spinnerei zu tun. Die prinzipielle Technik dafür steht bereit. Doch bisher gab es bei der Umsetzung einen großen Pferdefuß: Um CO2 zum Beispiel aus dem Abgas von Kohlekraftwerken herauszutrennen, wo das Gas in großen Mengen vorkommt, sind ein enorm hoher Druck und eine Temperatur von einigen Hundert Grad notwendig. Der extreme Energiebedarf machte die CO2-Gewinnung unwirtschaftlich. Wurzbachers und Gebalds Filter funktioniert schon bei Temperaturen von weniger als 100 Grad, und die lassen sich problemlos mit einem Sonnenkollektor plus angeschlossenem Wärmespeicher erreichen. Zudem können sie ihre Anlage an jedem beliebigen Ort aufstellen – Luft befindet sich schließlich überall.
Um ihre Erfindung im industriellen Maßstab umzusetzen, haben sich die Tankrevolutionäre mit Sunfire in Bremen verbündet. „Unser Part ist die Lieferung des aus der Luft gewonnenen CO2“, sagt Wurzbacher. Die Sunfire-Gründer Carl Berninghausen, Nils Aldag und Christian von Olshausen haben das Gesamtverfahren zur synthetischen Kraftstoffgewinnung seit 2008 zur industriellen Reife entwickelt.
Billige Massenproduktion
Die nächsten Schritte haben sie klar abgesteckt: Nächstes Jahr geht eine Testanlage in Betrieb, 2016 folgt eine erste Demonstrationsanlage. Drei Jahre später soll die Erzeugung dann in großem Stil beginnen – mit einer Tageskapazität von zunächst 650 000 Litern. Klingt viel, ist aber nur ein Bruchteil der etwa 180 Millionen Liter Kraftstoffe, die deutsche Autofahrer täglich verbrauchen.
Dank der neuen energiesparenden Filtertechnik von Climeworks erwartet Wurzbacher, die Erzeugungskosten bis dahin auf 1,20 bis 1,50 Euro je Liter drücken zu können. Das liegt zwar nur knapp unter den heutigen erdölbasierten Spritpreisen. „Aber die werden sicher bis dahin weiter deutlich gestiegen sein“, sagt Wurzbacher. „Und je mehr wir die Massenproduktion ausbauen, desto billiger wird unser Treibstoff.“ Überdies stehen Luft, Wasser und Sonne praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Zunächst will sich das Duo Sunfire und Climeworks auf die Herstellung von Kerosin konzentrieren. Der Grund: Die Luftfahrtindustrie hat sich verpflichtet, 2020 zehn Prozent ihrer Treibstoffe aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen. Der Preis spielt daher für sie nicht die wichtigste Rolle – Hauptsache, sie bekommt die Mengen zusammen.
Wie rasch sich der klimaschonende Sprit aus Sonne, Wasser und Luft verbreitet? Wurzbacher hält nichts von Übertreibungen. Realistisch sei ein Anteil von fünf bis zehn Prozent bis zum Jahr 2030. Immerhin: Die Umwelt könnte schon einmal etwas aufatmen, und die Abhängigkeit vom Erdöl wäre merklich gelindert.
Wirbelstrom
Die Idee kam Corwin Hardham beim Kitesurfen: Aus der Kraft, die der Wind auf den Flugdrachen ausübt, müsste sich auch Strom erzeugen lassen, überlegte der Ingenieur aus Kalifornien. Seit 2006 baut er in seinem Startup Makani Power ein ungewöhnliches Kraftwerk: ein Flugzeug mit acht Meter Spannweite, auf dem vier Propeller angebracht sind, die beim Flug Generatoren antreiben und Elektrizität erzeugen. Ein Drachen mit 65 Meter Spannweite könnte fünf Megawatt erzeugen, hofft Hardham. Das Halteseil ist zugleich das Stromkabel.
Auch andere Startups wie Enerkite aus dem brandenburgischen Kleinmachnow wollen Winddrachen zur Energieernte in den Himmel senden – in bis zu 600 Meter Höhe, wo der Wind häufiger und stärker weht als in Bodennähe.
Gegenüber einem vergleichbaren Windrad sollen die fliegenden Kraftwerke nicht nur 90 Prozent Material einsparen, sondern Strom auch bis zu 50 Prozent preiswerter erzeugen.
Energie aus der Folie
Das Stück Kunststoff, das Martin Pfeiffer, Technikchef des Dresdener Solar-Startups Heliatek in der Hand hält, hat etwas Revolutionäres: Es ist eine organische Solarzelle, die aus Licht Strom erzeugt.
Zwar wandeln die Zellen nur bis zu 10,7 Prozent der aufgefangenen Sonnenenergie in Strom um, herkömmliche Siliziumzellen dagegen bis zu 20 Prozent. Dafür haben sie mit 500 Gramm pro Quadratmeter nur ein Fünfzehntel deren Gewichts und sollen nur 50 Cent pro Watt Leistung kosten. Zum Vergleich: Heutige Siliziummodule werden für 73 Cent gehandelt.
Auch das US-Startup Konarka forscht an organischen Solarzellen. Weil diese auch bei Kunstlicht Energie liefern, könnten sie künftig in Kombination mit kleinen Akkus die Batterien in Fernbedienungen, Rauchmeldern und anderen Kleinstgeräten ersetzen. Integriert in Fassaden, würden die Plastikzellen Gebäude zu kleinen Kraftwerken machen.
Algenöl
Auf den ersten Blick könnten Flugreisende das grüne Feld für einen Golfplatz mitten in der Wüste halten. Doch das wäre ein Irrtum. Denn was da im US-Bundesstaat – umgeben von Sand – 2014 dunkelgrün schimmern soll, ist kein Gras, sondern die erste große Algenfarm des Startups Sapphire Energy. Die Algen sind so gezüchtet, dass sie eine Art Ölersatz produzieren. Das Gemisch wird später aus dem Wasser gefiltert und in einer Raffinerie in Benzin oder Industrieöl verwandelt.
Sapphire will in den nächsten Jahren weitere Farmen bauen und damit einen Teil des wichtigsten Rohstoffs ersetzen: das Erdöl. Denn das Öl wird nicht nur knapp und teuer. Beim Verbrennen werden auch gewaltige Mengen des Treibhausgases CO2 freigesetzt, die das Klima aufheizen. Die Algen der Sapphire-Gründer haben diese Nachteile nicht. Sie gedeihen in künstlich angelegten Tümpeln und brauchen dafür nur Sonnenlicht und CO2 als Dünger. Sapphire ist das erste Unternehmen, das sich an den Bau einer kommerziellen Farm wagt. Laut Gründer Jason Pyle soll die Anlage täglich 100 Barrel Grün-Öl produzieren.
Ein Barrel entspricht 159 Litern. Ein Auto käme mit den 100 Barrel rund 18 000 Kilometer weit. Läuft die Herstellung einmal im großen Stil, kalkuliert Pyle mit einem Preis von etwas unter 100 Dollar je Fass – weniger als Erdöl derzeit kostet. Und es könnte noch billiger werden: Das US-Startup Solazyme manipuliert Algen genetisch so, dass sie gleich Benzin oder Kerosin erzeugen. VW testet diesen Treibstoff bereits.
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