Solar Pond

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Ein Salinity Gradient Solar Pond, kurz Solar Pond (engl., deutsch Solarteich, Solarbecken oder Solarbassin), ist ein mit Salzwasser (Sole) gefülltes Becken (engl. Pond), das als Kollektor und Speicher für Sonnenwärme genutzt wird. Die besondere Speicherwirkung beruht auf einer Ausnutzung von Dichte-, Temperatur- und Konzentrationsgefällen zwischen Grund und Oberfläche des Beckens.

Der Effekt des Solar Ponds tritt auch in natürlichen Salzseen auf und wurde hierher für die technische Nutzung abgeleitet (vgl. Bionik). Ein natürlicher Solar Pond, an dem der Effekt besonders extrem zum Tragen kommt, ist der Solar Lake am Ufer des Roten Meeres in Ägypten.

Physikalische Wirkungsweise[Bearbeiten]

Die Dichte von Wasser nimmt oberhalb von 4 °C mit der Temperatur ab. Das heißt, Wasser ist umso leichter, je wärmer es ist. Durch den statischen Auftrieb steigt daher erwärmtes Wasser zur Oberfläche auf. An der Oberfläche gibt das Wasser durch Verdunstung Wärmeenergie an die Luft ab. Das Wasser an der Oberfläche kühlt ab. Durch die verminderte Temperatur hat das abgekühlte Wasser eine höhere Dichte und sinkt wieder nach unten. Im Gegenzug strömt von unten warmes Wasser nach. Es entsteht eine konvektive Zirkulationsströmung die das Gewässers schnell abkühlt.

Die Dichte von Wasser nimmt mit dem Salzgehalt zu. Daher sinkt Wasser mit hohem Salzgehalt. Es bildet sich eine Schichtung, bei der der Salzgehalt von oben nach unten zunimmt (Halokline). Schon bei mäßigem Unterschied zwischen dem Salzgehalt an der Oberfläche und dem am Boden, ist der Unterschied in der Dichte des Wassers größer als er durch unterschiedliche Temperatur sein kann. Eine Erwärmung des Wassers am Boden des Teichs führt daher nicht zu einer Zirkulationsströmung. Eine heiße Wasserschicht am Boden des Teichs kann Wärmeenergie nur durch Wärmeleitung an das weiter oben liegende Wasser abgeben. Die Wärmeleitung von Wasser ist vergleichsweise gering. Die oberen Schichten wirken damit als Wärmedämmung.

Da der Pond trotz der reduzierten Verluste langsam Wärmeenergie verliert, kann die Temperaturschichtung im Pond auf Dauer nur erhalten bleiben, wenn der Sole Wärmeenergie zugeführt wird. Diese Wärmezufuhr muss direkt in den unteren Schichten des Ponds erfolgen. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Teil der natürlich einfallenden Sonnenstrahlung die oberen Wasserschichten durchdringt und dann von den unteren Schichten oder dem dunklen Grund des Ponds absorbiert wird.[1]

Probleme / Technische Verbesserungen[Bearbeiten]

Wenn die Wasserverluste durch Verdunstung an der Oberfläche und Versickerung im Untergrund nicht ständig durch Zuführung von Frischwasser ausgeglichen werden oder das auskristallisierte Salz am Grund des Ponds nicht abgeführt wird, dann wird der Pond auf Dauer austrocknen, bzw. irgendwann vollständig mit Salz gefüllt sein, wie dies bei natürlichen Salztonebenen und bei Salzpfannen in Salinen der Fall ist. In Solar Ponds ist dies unerwünscht.

Die Zuführung von Frischwasser mit geringer Salzkonzentration muss nahe der Oberfläche mit geringer Verwirbelung/Durchmischung erfolgen, denn das für die Temperaturschichtung notwendige Salzkonzentrationsgefälle wird sonst durch natürliche Diffusion langsam ausgeglichen. Die Wiedereinspeisung der Sole nach der Entnahme und Nutzwärmeauskopplung muss hingegen in die unteren Schichten des Ponds erfolgen.

Eine Möglichkeit zur Unterbindung der Verdunstung und der damit verbundenen Wasser- und Wärmeverluste ist die Abdeckung der Wasseroberfläche mit einer schwimmenden Folie. Eine solche Folie oder geeignete schwimmende Windbrecher helfen auch bei der Unterbindung von windinduzierten Wellen oder Strömungen, die eine Durchmischung und somit eine Zerstörung des Salzkonzentrationsgefälles bewirken.

Eine Trübung des Wassers durch die Salzkristalle, Algenwuchs oder andere Verunreinigungen führt dazu, dass ein höherer Anteil der Sonnenstrahlung nahe der Oberfläche absorbiert oder reflektiert wird und weniger Strahlung in die wärmespeichernde Soleschicht durchdringt. Eine solche Trübung ist daher im Allgemeinen unerwünscht, außer wenn sie auf die unteren Schichten begrenzt ist.[1] Um die Wärmeabsorption von unten sicherzustellen, empfiehlt es sich bei künstlichen Solarponds, eine wärmeabsorbierende, dunkle Farbe auf dem Grund aufzubringen.

Um die Probleme mit der Aufrechterhaltung des Salzkonzentrationsgefälles zu umgehen, hat es erfolgreiche Versuche gegeben, die obere Schicht eines Solar Ponds statt aus Süßwasser aus organischem Polymer-Gel zu bilden. Das Gel ist leichter als die Sole und schwimmt dadurch oben, ist lichtdurchlässiger als Wasser, so dass mehr Energie die Soleschicht erreicht und ist hochviskos, so dass Konvektionsströmungen unterbunden werden.[1]

Nutzung[Bearbeiten]

Aufgrund des oben erklärten Effektes ist ein Solar Pond auch ohne eine aufwändige und teure Wärmedämmung, wie sie bei konventionellen Warmwasserspeichern notwendig ist, mit relativ geringen Verlusten eine große Menge an Wärme zu speichern. Solar Ponds sind - anders als geschlossene Behälter - auch bei großen Abmessungen mit einfachen Mitteln billig herzustellen. Sie gelten daher als einfache Technik (Low-Tech), mit Potential für den Einsatz in sonnenreichen Entwicklungsländern. Die Gewinnung von Salz kann ein erwünschter Nebeneffekt sein.

Die im Solar Pond gespeicherte Wärme kann in verschiedener Weise genutzt werden:

Trotz langjähriger Entwicklung befindet sich die Nutzung von Solarponds zur Stromerzeugung auch heute noch im Entwicklungs- und Erprobungsstadium. Es gibt kaum größere kommerzielle Anlagen. Einige existierende oder ehemalige Forschungs- und Pilotanlagen sind:

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c S. P. Sukhatme: Solar Energy: Principles Of Thermal Collection And Storage, Verlag Tata McGraw-Hill, 2008, ISBN 9780070260641, auszugsweise online auf Google Books (Englischsprachig)
  2. Mother Earth News: ISRAEL'S 150-KW SOLAR POND (May/June 1980) auf www.motherearthnews.com (Englischsprachig)
  3. Salt-gradient solar ponds auf www.teriin.org (Englischsprachig)