Sonnenofen

Sonnenofen Nutzung der Sonne im Hochtemperaturbereich

Auch bei diesem System reflektieren und konzentrieren eine Anzahl von Spie­geln die Sonnenstrahlen. Allerdings werden hier wesentlich höhere Temperaturen erzielt, als bei den zuvor beschriebenen Systemen. Die eindrucksvolle dieser Anlagen bildet der Sonnenofen von Odeillo Font-Romeu in den französischen Pyrenäen.

In Frankreich beginnt 1946 das Centre National de la Recherche Scientifique mit der Untersuchung der verschiedenen Methoden zur Nutzung der Solarenergie. Erste Tests an großen Solaröfen werden durchgeführt, in Meudon wird ein 2 kW Ofen errichtet. Durch die erfolgreichen Versuche erkennt man 1949 die immensen Möglichkeiten der solaren Hochtemperatur-Technologie und beauftragt den französisch-deutschen Wissenschaftler Felix Trombe (1906 – 1985) zuerst mit dem Bau eines 50 kW Ofens in Mont-Louis, in den östlichen Pyrenäen, der 1953 in Betrieb geht und schon 3.000°C erreicht, und dann mit dem Bau des 1 MW Solarofens bei Odeillo.

1968 beginnt der Bau in 1.500 m Höhe – wo die klimatischen Verhältnisse eine Betriebsdauer von gut 3.000 Arbeitsstunden pro Jahr erlauben. Der Odeillo-Solarofen, dessen riesiger parabolischer Spiegel aus kleinen Einzelspiegeln fast die gesamte Fassade eines elfstöckigen Gebäudes bedeckt, geht 1970 in Betrieb und erreicht im Brennpunkt Temperaturen bis zu 3.800°C, womit in jedem Fall Stahl ge­schmolzen werden kann. Die Anlage besitzt auf acht vorgelagerten Terrassen 63 bewegliche Planspiegel zu je 45 m2, von denen jeder aus 180 Spiegelsegmenten besteht. Diese Spiegel mit ihrer Gesamtfläche von 2.835 m2 lenken ihre Strah­len auf den riesigen Parabolspiegel von rund 1.830 m2, der 54 m breit und 40 m hoch ist, in dessen Brennpunkt das Ofenhaus liegt. Dieser Hohlspiegel ist keine zusammenhängende Fläche, sondern ist aus 9.130 einzelnen Spiegelsegmenten von 48,5 x 48,5 cm zusammengesetzt, die alle der Form des Paraboloids entsprechend leicht gekrümmt sind.

Trotz dieses großen Auf­wandes liefert die Anlage bei ihrer offiziellen Inbetriebnahme 1977 allerdings nur 0,06 MW, ans Netz gehen davon ganze 100 kW. Der Wirkungsgrad soll 8 % betragen, der theoretische Konzentrationsfaktor beträgt 37.700, aber durch Streuungs- und Absorptionsverluste wird nur ein tatsächlicher Konzentrationsfaktor von 20.000 erreicht. Der Odeillo-Solarofen wird vorzugsweise zum Vakuumschmelzen von Speziallegierungen benutzt und hat in den 80er Jahren einen täglichen Ausstoß von 3 t.

In Odeillo werden außerdem die Vorarbeiten für das solarthermische Kraftwerk Themis geleistet, das sich ein paar Kilometer weiter bei Targasonne befindet. Es war dort ab 1983 in Betrieb und hatte eine Leistung von ca. 2 MW – 1986 wird es allerdings abgewrackt.

Ähnlich wie in Frankreich werden auch in den USA Solar-Schmelzöfen errichtet: bei den Sandia Laboratories in Albuquerque, Neu Mexiko (16 kW), bei Georgia Tech in Golden, Colorado, und – als drittgrößter – in Natick, Massachusetts, von wo aus die Anlage Ende der 60er Jahre zum White Sands Raketen-Testgelände im südlichen Neu Mexiko umgesetzt wurde, was 230.000 $ kostete. Dieser Ofen, der dort ab 1972 in erneuten Betrieb ging, erzeugt im Brennpunkt eine Temperatur von 2.900°C, was auch schon dazu ausreicht, Stahl zu schmelzen. Allerdings wird der Ofen, der mit einem Shutter ausgestattet ist (was wie bei einer Kamera eine Kurzzeit-Belichtung von 0,1 Sekunden erlaubt), in erster Linie für Versuche genutzt, die Wauswirkungen von Extremstrahlung, wie z.B. von Atomwaffen, auf Materialien und Geräte zu erforschen.

1984 wird bekannt, daß in der damaligen sowjetischen Volksrepublik Usbekistan in 1.000 m Höhe ein Solarofen zum schmelzen besonderer Gläser und superreiner Legierungen gebaut wird, in dessen Brennpunkt Temperaturen von 3.500°C erreicht werden. Dieser Ofen besitzt 62 Spiegel à 50 m2 und einen mit Tellur beschichteten Hohlspiegel – er ist technisch dem Odeillo-Solarofen sehr ähnlich. Die Erbauer sprechen allerdings von einer Leistung von 320 MW, was einige Fragen aufwirft. In Taschkent soll sich ein weiterer 1 MW Sonnenofen befinden.

1988 soll der Odeillo-Solarofen abgerissen werden, später rückt man von diesem Plan wieder ab.

1991 wird auf dem Testgelände von Almería ein 60 kW Solarofen für den Höchsttemperaturbereich in Betrieb genommen (s.u.)

Kleinere Öfen werden weltweit in verschiedenen wissenschaftlichen Institutionen genutzt, in Deutschland zum Beispiel in Stuttgart, München und ab 1994 in Köln, wo die Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) einen 15 kW Solarofen mit 147 Hohlspiegeln vorstellt, der ebenfalls Metallplatten schmelzen kann. Diese Anlagen dienen zumeist für Versuche im Bereich der Werkstoffprüfung.

Anfang 2004 wird im Rahmen des Programmes Integrated Activities Transnational Access des 6. EU-Rahmenprogramms für Forschung (FP6) das europäische Programm SOLFACE (Solar high flux Facilities for Europe) eröffnet, das für den Zeitraum 2004 – 2007 den Zugang der europäischen Forscher zu den Solaranlagen des CNRS (Französisches Zentrum für wissenschaftliche Forschung) in Font-Romeu Odeillo erlaub

t.Auf dem Wasserstoffweltkongress in Lyon im Juni 2006 stellen Forscher der ETH Zürich ein neues, durchaus spektakuläres Verfahren zur Wasserstoffherstellung vor (s.d.), bei dem ausschließlich Wasser und Hitze genutzt werden. Durch das Bündeln von Sonnenlicht mit Spiegeln werden in einem chemischen Reaktor, der mit Zinkoxid gefüllt ist, Temperaturen von 2.000°C erreicht, wodurch das Zinkoxid in Zinkmetall und Sauerstoff gespalten wird. In einem zweiten Schritt läßt man das Zink mit Wasser reagieren, wodurch der Wasserstoff entsteht – und Zinkoxid, das wiederverwertet wird. Als Wirkungsgrad der zwei bislang gebauten Pilotanlagen werden über 50 % angegeben (zum Vergleich: der Wirkungsgrad der Elektrolyse mittels Solarzellenstrom erreicht höchstens 15 %). Die Forscher aus Zürich rechnen allerdings damit, daß es noch 10 bis 15 Jahre dauern wird, bis industrietaugliche Anlagen gebaut werden können.