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Energiespeicher – Druck

 

Quelle: Achmed A. W. Khammas (Buch der Synergie)

Druckluft

Der erste Einsatz von Druckluft war wohl das Blasen auf Zunder, um Feuer zu entfachen – und Gebrauch von Blasrohren bei Jagd und Kampf. Ägyptische und sumerische Goldschmiede benutzten ein Blasrohr zum Einschmelzen kleiner Metallmengen, indem sie die Luft direkt in die Glut brachten und somit die Temperatur entscheidend erhöhten. Der erste mechanische Kompressor, der handbetriebene Blasebalg, wird Mitte des 3. Jahrtausends v. Chr. entwickelt, die sehr viel leistungsfähigeren fußbetriebenen Blasebälge um 1500 v. Chr.

Der Grieche Ktesibios (ca. 285 – 222 v. Chr.) baut eine Wasserorgel und nutzt Druckluft zur Bevorratung und zur Verringerung von Schwankungen. Die uns hier interessierende Eigenschaft der Druck- oder auch Preßluft, die Speicherung von Energie, nutzt Ktesibios für ein Katapult, das mit Hilfe der in einem Zylinder zusammengepreßten Luft eine Spannung erzeugt, die Geschosse fortschleudert.

1663 veröffentlicht Blaise Pascal seine Erkenntnisse zur Kraftverstärkung durch Flüssigkeiten (Hydraulik), die sich auch auf die Drucklufttechnologie anwenden lassen, und um 1810 werden bereits Eisenbahnen mit Druckluft angetrieben. In größerem Maßstab findet Druckluft zum ersten Mal ab 1861 beim Bau des Mont-Cenis-Tunnels (o.a. Fréjus-Bahntunnel) zwischen Frankreich und Italien Anwendung, wo die patentierten neuen pneumatischen Stoßbohrmaschinen des französischen Ingenieurs Germain Sommeiller eingesetzt werden, der auch das Gesamtprojekt leitet. Ihre Idee stammt von dem italienischen Ingenieur Giovanni Battista Piatti. Die Druckluftversorgung dieser frühen Preßlufthämmer erfolgt über Kompressoren, die von Wasserturbinen betrieben werden.

SUDAC in Paris

SUDAC in Paris

1863 richtet Latimer Clark zusammen mit dem Ingenieur Rammel eine kleine pneumatische Eisenbahn in London ein. Die kleinen Wagen fahren komplett in einer Treibröhre und sind zur Beförderung von Postbeuteln und Paketen bestimmt. Das führt schließlich zur Entstehung druckluftbetriebener Rohrpostnetze in Berlin, New York und Paris, wo das Netz 1934 mit 437 km seine größte Ausdehnung erreicht.

1869 stellt Westinghouse seine pneumatische Überdruckbremse vor, und ab 1870 werden stadtweite Druckluft-Systeme in Städten wie Paris, Birmingham, Buenos Aires, sowie in Rixdorf, Offenbach und Dresden in Deutschland installiert.

Die ersten dieser Systeme werden von dem österreichischen Ingenieur Victor Popp konstruiert, um Uhren zu betreiben, deren Zeiger durch minütliche Luftimpulse ihre Stellung verändern. Die Netze entwickeln sich sehr rasch, um Druckluft als Energiequelle für Haushalte und Industrieunternehmen zu liefern.

In das Ende der 1870er Jahre von Popp und dem ebenfalls österreichischen Prof. Alois Riedler (1850 – 1936) begonnene Pariser System, dessen Rohre in den Abwasserkanälen verlegt werden, werden 1888 insgesamt 14 Kompressoren mit zusammen 2.000 PS installiert, die von sieben Dampfmaschinen angetrieben werden, und 1891 beträgt die installierte Leistung bereits 18.000 kW. Um diese Zeit sind in Paris bereits über 8.000 pneumatische Uhren angeschlossen. In der Bank de France wird eine Rohrpostanlage betrieben, Flüssigkeiten werden mit Druck beaufschlagt und transportiert, und diverse Werkstätten und andere Betriebe werden mit Druckluft aus der ‚Druckluft-Zentrale’ versorgt.

Rohrpostverteiler in Prag

Rohrpostverteiler
in Prag

1896 besteht die Pariser Druckluftanlage bereits aus einem 50 km langen Netz aus Luftleitungen und einer Erzeugungskapazität von 2,2 MW. Mit einem Druck von 550 kPa wird Energie zum Betrieb von Motoren der Leicht- und Schwerindustrie verteilt und über Zähler abgerechnet. Häufige Abnehmer sind auch Zahnärzte, Näherinnen, Druckereien und Bäckereien.

Die um 1890 von Victor Popp und Joseph Leclaire gebaute Usine d’Air Comprimé (SUDAC) in Ile-de-France stellt bis 1994 Druckluft her: für die Rohrpost, öffentliche Uhren, Aufzüge und einige Fabriken. Udnd das Pariser Druckluftnetz ist sogar noch heute in Betrieb – ebenso wie das 55 km lange Druckluftnetz von Prag, in welchem Lieferungen mit einem Gewicht von bis zu 3 kg verschickt werden können.

Um 1900 werden auch in Deutschland und Österreich die ersten Unternehmen mit Druckluft versorgt, um im Laufe der Zeit entstehen immer leistungsfähigere und vielseitiger einsetzbare Druckluftwerkzeuge.

In explosionsgefährdeten Bereichen ist Druckluft auch für die Signalisierung (Einheitssignal 0,2 – 1 bar) und für die Bestätigung von Stellorganen (ca. 6 bar) lange Zeit die erste Wahl. Und bis heute wird Preßluft in Hospitälern wie auch von Tauchern genutzt, die sie in Stahlflaschen mit sich führen.

Womit wir auch bei dem Thema der Druckluftspeicherung sind, die heute in ganz anderem Maßstab ein Comeback feiert, da diese Technologie eine der kostengünstigsten, sichersten und einfachsten Methoden zur Energiespeicherung darstellt.

Druckluftspeicher (Pneumatischer Speicher, CAES)

Bei Druckluftspeichern (Compressed Air Energy Storage, CAES) bildet die absolute Dichte des Speichers die wichtigste Bedingung. Das erste Druckluftspeicher/Gasturbinen-Kraftwerk der Welt wird 1978 von der Firma Nordwestdeutsche Kraftwerke AG (NWK, Vorgängerunternehmen der E.ON Kraftwerke AG) im niedersächsischen Landkreis Wesermarsch in Elsfleth-Neuenhuntorf bei Bremen errichtet, in direkter Nachbarschaft zum Atomkraftwerk Unterweser. Die Idee zu dieser Speichermethode ist zu diesem Zeitpunkt allerdings schon rund 30 Jahre alt. Das 290 MW Projekt wird 1975 gestartet, und die Kostenkalkulation beläuft sich auf 92 Mio. DM.

Billiger Nachtstrom wird dazu genutzt, um mit einem Kompressor Luft in zwei ausgelaugten Salzstöcken zusammenzupressen. Betrieben wird der Kompressor durch einen 60 MW Elektromotor. Die zylindrischen Salzkavernen mit jeweils gut 150.000 m2 Fassungsvermögen liegen in 600 – 800 m Tiefe. Bei Spitzenbedarfszeiten nährt die herausdrängende Luft die Erdgasverbrennung zum Antrieb von Stromgeneratoren im Kraftwerk. Im Turbinenbetrieb kann diese Anlage über einen Zeitraum von zwei Stunden eine Leistung von 290 MW bereitstellen. Innerhalb von acht Stunden können die beiden Kavernen wieder auf den Maximaldruck von 70 bar aufgeladen werden. In den zwei Stunden, in denen die wieder austretende Luft die Verbrennung verstärkt, sinkt der Druck von 70 auf 45 bar.

An der Planung des Druckluftspeicher-Kraftwerk in Huntorf, das einen Gesamtwirkungsgrad von 42 % erreicht, ist auch die Schlumberger-Firma Kavernen Bau- und Betriebs-GmbH (KBB) beteiligt, die als eine der weltweit führenden Ingenieurgesellschaften auf dem Fachgebiet der Untertagespeicherung gilt und bereits einige der größten Salzkavernenspeicher zur saisonalen Bevorratung von Erdgas realisiert hat (2004 gehen die Untertageaktivitäten der KBB auf die KBB Underground Technologies GmbH mit Sitz in Hannover über).

Da zum Planungszeitpunkt die Investitionskosten im Vordergrund stehen und die Gaspreise niedrig sind, wird auf eine Luftvorwärmung über die Abgase verzichtet, die den Wirkungsgrad nennenswert auf 54 % verbessert hätte (moderne Anlagen recyceln die bei der Stromproduktion anfallende Abwärme und kommen so auf Wirkungsgrade bis zu 55 %).

Druckluftspeicher-Kraftwerk in Huntorf

Druckluftspeicher-Kraftwerk
Huntorf

Bei dieser CAES-Technologie wird zwar das allgemeine Übel der Gasgeneratoren aus der Welt geschafft, nämlich der geringe Wirkungsgrad und die damit verbundene niedrige Leistung, sehr aufwendig ist dagegen die notwendige Wasserspülung mit Süßwasser, damit die Salz­reste in der gespeicherten Luft die Turbinen nicht angreifen. 

Das Kraftwerk wird heute von E.ON vom nahen Kohlekraftwerk Farge in Bremen-Farge aus betrieben. 

Eine zweite CAES-Anlage betreibt die Alabama Electric Cooperative seit 1991 in McIntosh, Alabama. Das hauptsächlich von Desser-Rand ausHouston, Texas, gebaute Speicherkraftwerk besitzt eine Salzkaverne von 538.000 m2 Volumen in 450 – 750 m Tiefe, die über einen Zeitraum von 26 Stunden 110 MW verfügbar macht. Gespeichert wird die Luft bei einem Druck zwischen 45 – 76 bar. Im Juni 1998 werden die Arbeiten an zwei gasbetriebenen Single-Cycle-Gasturbinen abgeschlossen, die über eine Gesamtleistung von 226 MW verfügen und als McIntosh Blöcke 2 und 3 konzipiert sind. Desser-Rand baut ab 1991 auch oberirdische Druckluftspeicher.

Durch den starken Ausbau der Windenergie verschärft sich der Bedarf an Regelenergie zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage, die bislang von sogenannten Schattenkraftwerken (meist schnell anfahrende Gasturbinen) zur Verfügung gestellt wird. Experten rechnen damit, daß dieser Bedarf bis 2015 auf rund 3.200 MW steigen wird. Neben Pumpspeicherkraftwerken eignen sich besonders Druckluftspeicherkraftwerke gut für diesen Zweck. Einige der neu vorgeschlagenen CAES-Systeme beschränken sich auf die Komprimierung der Luft und nutzen die reine Preßluft (ohne zusätzliche Gaszufuhr) zur Spitzenlastdeckung. Bei diesen Systemen muß die Kompressionswärme allerdings in einem Wärmeträger gespeichert werden, weil der Gesamtwirkungsgrad sonst zu klein wäre. 

Auch die Methoden der Luftkomprimierung selbst variieren. Ein Ausschuß der amerikanischen National Academy of Sciences gräbt 1976 beispielsweise einen Bericht aus dem Jahre 1907 aus (!), in dem von einer Methode die Rede ist, bei der in einem Rohr von 1,50 m Durchmesser und 22 m Höhe Wasser zum Fallen gebracht wird, wodurch Luft auf 8 bar komprimiert werden kann. Mit diesem System soll eine Leistung von etwa 750 kW erzielt werden – bei einem Wirkungsgrad von 85 %. Ein funktionsfähiges Modell soll sich in einem naturwissenschaftlichen Museum in Toronto befinden. Ich werde hier jedoch nicht auf die Details der verschiedenen Kompressionstechniken eingehen, im Netz gibt es bereits ausreichende Materialien darüber.

1998 werden weltweit rund zehn Druckluftspeicher alten Typs geplant, insbesondere in den USA, wo man damit das labile Stromnetz stabilisieren will.

Ab 1999 untersuchen Forscher der Sandia National Laboratories monatelang eine aufgegebene Kalksteinmine im Nordosten von Ohio, um diese auf ihre Tauglichkeit als Druckluftspeicher zu überprüfen. Das Team von Steve Bauer arbeitet dabei mit der Norton Energy Storage LLC (NES) und deren 1997 gegründeten Mutterfirma Haddington Ventures mit Sitz in Houston zusammen, welche über eine weitere Tochterfirma namens CAES Development Company LLC ab 1998 an der Technologie arbeitet und den Standort samt Mine 1999 kauft.

Im Jahr 2000 folgt eine Kooperationsvereinbarung mit der Stadt Norton und die Beantragung einer Genehmigung, um bis 2003 das größte bisher gebaute Druckluftspeicherkraftwerk zu errichten, das in der 700 m tief liegenden und 10 Mio. m3 großen Mine Druckluft speichern soll. Der Betriebsdruck in der ‚luftdichten’ Mine wird zwischen 1.600 und 800 psi liegen.

Die erste Leistungsstufe der Anlage in Norton, Ohio, wird zwischen 200 MW und 480 MW haben (vermutlich 300 MW) und soll bis zu 480 Mio. $ kosten. In vier weiteren Stufen soll die Leistung anschließend bis auf 2.700 MW angehoben werden. Mit der dann gespeicherten Druckluft sollen sich 675.000 Haushalte zwei Tage lang versorgen lassen. Finanz- und Marktstörungen in der Energiewirtschaft 2001/2002 werfen das Projekt jedoch weit zurück.

Norton Anlage Grafik

Norton Anlage (Grafik)

Nachdem Norton 2008 eine Genehmigung erhält hofft das Unternehmen, im Frühjahr 2009 mit dem Bau beginnen zu können, was aber ebenso wenig klappt wie der Versuch seitens Haddington, über ein weiteres Portfoliounternehmen das Magnum Energy Storage Project in Delta, Utah, zu verwirklichen (s.u.).

Im November 2009 erwirbt die FirstEnergy Generation Corp. aus Akron, Ohio, eine 1997 gegründete Tochtergesellschaft der FirstEnergy Corp., die Rechte zur Weiterentwicklung des Projekts von dem Vorbesitzer CAES Development. Aktuellere Information gibt es bislang nicht.

Die seit 1991 bestehende Utility-Battery Group (UBG) ist ein Berufsverband aus mehr als 30 Stromversorgungsunternehmen, der die Entwicklung und Vermarktung von Batterie-Technologien zur Energiespeicherung fördert. 1996 wird beschlossen, sich in Form einer Handelsgesellschaft über die Batterien hinaus auch mit anderen Energiespeichertechnologien zu beschäftigen, und 2001 wird der Name in Electricity Storage Association (ESA) geändert. Seitdem unterstützt der Verband auch die CAES-Technologie.

Im Jahr 2000 gründen die beiden in Houston, Texas, beheimateten Unternehmen Ridge Group L.P. und Energy Storage & Grid Services Ltd. eine gemeinsame Tochter namens Ridge Energy Storage (RES), um CAES-Projekte in den USA und Großbritannien zu entwickeln, zu bauen und zu betreiben.

Im April 2002 gibt das inzwischen als Ridge Energy Storage & Grid Services L.P. firmierende Unternehmen bekannt, daß es mit der EP Energy Finance, eine Tochter der El Paso Corp., eine Finanzierungsvereinbarung in Höhe von 15 Mio. $ getroffen habe, um seine Druckluftspeicher-Projekte voranzutreiben. Trotz aggressiver Planungen und großer Pläne scheint die Firma jedoch nicht vom Fleck gekommen zu sein, über Versuche oder gar Umsetzungen konnte ich bislang nichts finden.

Auch das 2002 gegründete Kleinunternehmen BrightEarth Technologies Inc. aus Golden, Colorado, beschäftigt sich mit dem Einsatz von Druckluft zur Energiespeicherung. Anstatt diese jedoch in tiefen Kavernen, Minen oder Containern zu speichern, entwickelt das Unternehmen, über das es jedoch kaum Informationen gibt, große Beutel aus dünnen Materialien, die am Boden eines Gewässers deponiert werden sollen. Der hydrostatische Wasserdruck würde die komprimierte Luft und den Beutel unversehrt lassen, auch wenn das gewählte Material billig ist.

Möglicherweise handelt es sich um dieselbe Innovation, die Anfang 2010 von Forscher der University of Nottingham um Prof. Seamus Garvey präsentiert wird. An dem Integrated Compressed Air Renewable Energy Systems (ICARES) wird dort seit 2006 gearbeitet.

Hierbei wird Offshore-Windenergie aus riesigen Turbinen mit Durchmessern ab 230 m genutzt, um unter Wasser verankerte Säcke aus luftdichten Kunststoff- und Textilmaterialien namens Energy Bags mit Druckluft zu befüllen, welche dann bei Bedarf Druckluftgeneratoren antreibt um Strom zu erzeugen. Optimal ist, wenn sich die Beutel, jeweils so groß wie zehn Doppeldecker-Busse, in etwa 500 m Tiefe befinden, da die Luft hier mit einem Druck gespeichert wird, der dem äußeren Wasserdruck entspricht, also 50 bar. In dieser Tiefe lassen sich pro Kubikmeter Inhalt bis zu 25 Megajoule speichern.

Garvey startet im März 2010 mit der Firma Nimrod Energy Ltd. ein Spin-off-Unternehmen, um die Technologie, die besonders für Länder mit relativ tiefen küstennahen Gewässern geeignet sei, weiterzuentwickeln und zu vermarkten. Als Energiequelle für die Druckluft nennt er neben dem Wind auch die Gezeitenenergie sowie Meeresströmungen, wobei die Luft auf direktem Wege mittels eines hydraulischen Widders komprimiert werden soll. Die Patente behält die University of Nottingham, die in die Entwicklung dieser Technologie investiert hat.

Mitte 2010 laufen mit finanzieller Unterstützung von E.ON International Research (310.000 €) Tests mit zwei Maßstabmodellen, die in einem 15-Tonnen-Tank untersucht werden. Anschließende Tests im Meerwasser sollen dazu führen, daß bis Mai 2011 eine marktreife Energiespeicherlösung vorgelegt werden kann.

Im Rahmen des EU-geförderten europäischen Forschungsprojekts Advanced Adiabatic – Compressed Air Energy Storage (AA-CAES) arbeiten 20 Unternehmen und Institute ab 2003 daran, die Wirtschaftlichkeit der Druckluftspeicher-Technologie zu steigern. Beteiligt sind Energieversorger wie RWE und E.ON, Kraftwerkhersteller wie MAN Turbo und Alstom, das DLR u.a. Das Interesse ist groß, da es in direkter Nachbarschaft der geplanten deutschen Offshore-Windparks genug Salzstrukturen gibt, um Speicher zu bauen. Auch im Meer selbst ist der Bau von Druckluftspeichern kein Problem.

Im September 2005 findet in Berlin das dena-EnergieForum Druckluftspeicherkraftwerke statt, bei dem es vorrangig um Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke (AA-CAES) geht, die nicht nur die Druckluft speichern, sondern – in einem separaten Wärmespeicher – auch die Wärme, die beim Verdichten der Luft frei wird. Für die Stromerzeugung wird die Wärme der zur Turbine strömenden Druckluft wieder zugeführt, was den kostspieligen Einsatz von Erdgas überflüssig macht. Allein mit regenerativem Strom betrieben, sollen AA-CAES Wirkungsgrade von bis zu 70% erreichen, und für die Erzeugung von 1 kWh Spitzenlaststrom etwa 1,4 kWh Schwachlaststrom benötigen.

Axial-Radial-Kompressor von MAN Turbo

Axial-Radial-Kompressor
(MAN Turbo)

Die Entwicklung wird durch die Europäische Union gefördert, steht aber noch am Anfang, denn nahezu alle Komponenten müssen neu entwickelt werden. Entsprechend vorsichtig sind die Forscher mit Prognosen, wann die Technik einsatzbereit ist. Ein Demonstrationskraftwerk könnte in 5 – 10 Jahren gebaut werden, industriell einsetzbare Anlagen werden bis etwa 2015 erwartet. An der Entwicklung von Hochtemperatur-Kompressoren für diese Speicherkraftwerke arbeitet z.B. die Firma MAN Turbo AG in Oberhausen.

Im März 2006 meldet der Energieversorger EnBW, daß man am Bau einer Anlage zur unterirdischen Speicherung von Druckluft in Salzstöcken an der deutschen Nordseeküste arbeitet, in denen Energie aus unsteten Quellen wie Windkraftanlagen zwischengespeichert werden soll. Bei einem Überangebot an Strom, vor allem nachts, soll die Luft mit bis zum 100-fachen des normalen Atmosphärendrucks in zwei etwa 200 m hohe und 50 – 80 m breite Salzkavernen mit 150.000 m3 Fassungsvermögen gepreßt werden, die rund 800 m tief liegen.

Das geplante EnBW-Kraftwerk soll zunächst (wie in Huntorf) mit Gasbefeuerung arbeiten, während in der zweiten Phase das so genannte ‚adiabate’ Prinzip umgesetzt werden soll. Adiabat (ohne Wärmeaustausch verlaufend) bedeutet in diesem Fall, daß die bei der Kompression entstehende Wärme von bis zu 600°C zwischengespeichert und später zum Anheizen der Luft bei der Rückumwandlung genutzt wird – ohne Zufeuerung fossiler Brennstoffe.

Die Größe der Anlage soll zwischen 150 und 600 MW liegen, die Kosten werden auf 75 bis 300 Mio. € geschätzt. Mit dem Baubeginn wird in der zweiten Hälfte 2009 und mit der Inbetriebnahme 2011 gerechnet.

Die Electricity and Air Storage Enterprises LLC (EASE) in Houston, Texas, wird 2004 von einer Gruppe Interessierter Fachleute gegründet, die sich mit der Kommerzialisierung der CAES-Technologie beschäftigen. Die Gründer arbeiten gemeinsam auch an dem Norton Energy Storage Projekt in Ohio. 2009 bemüht man sich, auch andere Projekte in Texas, Nevada, Iowa, Colorado, Louisiana und anderswo – innerhalb und außerhalb der USA – zu unterstützen und Minen, Salzkavernen und Aquifere als potentielle Kandidaten für Luftdruck-Reservoirs zu identifizieren.

Inzwischen hat die Druckluft-Speichermethode übrigens auch einen gängigen Namen: Sie wird Dudelsack-Technik genannt.

Das britische Unternehmen Isentropic Energy entwickelt in der Nähe von Cambridge ab 2005 ein Isentropic Pumped Heat Electricity Storage System (PHES), bei dem zwei benachbarte große Kies-Tanks auf 500°C beheizt bzw. auf -160°C abgekühlt werden.

Für diese Form der Stromspeicherung wird Druckluft mittels einer elektrisch betriebenen isentropen Wärmepumpe komprimiert bzw. expandiert und durch die beiden Kiesspeicher geleitet, wo sie ihre Wärme bzw. Kälte an den Kies abgibt. Um Strom zu generieren wird der Zyklus einfach umgekehrt, indem die Temperaturdifferenz verwendet wird um die isentrope Maschine als Wärmekraftmaschine laufen zu lassen. Mehr über die thermische Energiespeicherung findet sich in dem entsprechenden Kapitel (s.d.).

Die Gesamteffizienz beträgt über 80 %, und da Kies ein billiges und leicht verfügbares Material ist können die Kosten pro kWh sehr niedrig gehalten werden. Bei Anlagen in größerem Maßstab rechnet man deshalb mit 10 $ – 55 $ pro kWh. Statt Luft kann auch Argon eingesetzt werden.

Anfang 2007 bekommt Isentropic vom Carbon Trust eine Forschungsförderung von 250.000 £, um innerhalb von drei Jahren ein vorkommerzielles Modell der Air Source Heat Pump zu entwickeln und zu testen. Hierfür sucht das Unternehmen nach Investitionsmitteln in Höhe von 6,5 Mio. £. Im Februar 2008 beteiligt sich die Credit Suisse Securities Europe Ltd. an dem Unternehmen. Ein erster Prototyp läuft allerdings nicht zufriedenstellend.

Ende 2009 zeigt die Firma mit ihrem 2. Prototyp die im Grunde erste wirklich reversible Wärmepumpe, die auf dem thermodynamischen Kreisprozeß nach Ericsson basiert. Es fehlen aber noch immer die Finanzmittel für eine Demonstrationsanlage, deren Kosten Anfang 2010 allerdings auf nur 2 Mio. £ geschätzt werden. Eine kommerzielle Anlage soll etwa 25 Mio. £ kosten. Mitte 2010 sollen die Arbeiten an einer kleineren Demonstrationsanlage begonnen haben.

Zur kurzzeitigen Energieversorgung (UPS) bietet das 1992 gegründete US-Unternehmen Active Power in Austin, Texas, ab 2006 einen Thermal- und Druckluft-Speicher an, der ein Maximum von 80 kW für 15 Minuten bereitstellt. Das seit 2003 patentierte CoolAir DC ist mit Druckluftflaschen und einem Thermalspeicher mit 1.300°C bestückt, der beim Betrieb die Druckluft vorheizt, bevor sie durch die stromerzeugende Expansionsturbine geleitet wird. Zur Überbrückung der Anlaufzeit von einigen Sekunden beinhaltet die Thermal & Compressed Air Energy Storage (TACAS) Technologie auch eine kleine Schwungscheibe. Das System des Unternehmens, das sich auch mit großen Schwungrad-Speichern beschäftigt, wird z.B. bei dem Bremsenhersteller Continental Teves in Morgantown, North Carolina, sowie im Server-Zentrum der Georgia State University eingesetzt. Im Laufe der Jahre gewinnt Active Power eine Reihe von Industriepreisen für seine Speicherlösung.

CoolAir DC

CoolAir DC

Im Januar 2007 wird das Projekt Iowa Stored Energy Park (IESP) bekannt, dessen Studien seit 2001 in Gang sind. Unterstützt durch das US Department of Energy (DOE) plant ab 2003 eine Gruppe von Stadtwerken in Iowa und den umliegenden Staaten den Bau eines neuen Energie-Parks, bei dem ein 75 – 150 MW Windpark mit der Compressed Air Energy Storage (CAES)-Technologie verbunden werden soll. Die Überschußenergie eines Windparks in Dallas Center, Iowa, wird in Form von Druckluft in einer Tiefe von gut 900 m in einer unterirdischen Schicht aus porösem Gestein gespeichert. Die Kosten der Speicher-Infrastruktur und der damit verbundenen Systeme werden auf 200 – 225 Mio. $ geschätzt.

2005 übernimmt die neu gegründete Iowa Stored Energy Plant Agency (ISEPA) die Verantwortung für das Projekt, das vom DOE mit 6 Mio. $, vom Iowa Power Fund mit 3,2 Mio. $ und von den Stadtwerken mit 1,1 Mio. $ gefördert wird.

Mitte 2008 sind auch die Sandia National Labs mit involviert, wobei inzwischen von einem 268 MW Speicher gesprochen wird, der 2012 in Betrieb gehen soll. 2010 repräsentieren die Mitglieder des ISEPA 95 Stadtwerke in Iowa, Minnesota, Nord- und Süd-Dakota. Der Betriebsbeginn ist auf 2015 verschoben, als zukünftiger Standort wird ein Gebiet westlich von Dallas Center, Iowa, nahe Des Moines, angegeben.

Im April 2007 veröffentlicht die kanadische Landis Energy Corporation aus Calgary, Alberta, einen Kurzbericht über das Alton Compressed Air Energy Storage (CAES) Projekt. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wird untersucht, ob sich diese Technologie auch am Standort des Alton Natural Gas Storage Projekts umsetzen läßt.

Im September 2007 gibt die im Vorjahr gegründete US-Firma General Compression Inc. aus Newton, Massachusetts, eine neue Technik bekannt (Dispatchable Wind Power System DWPS), mit der es möglich ist, Windenergie fast ohne Energieverlust zu speichern. Im Gegensatz zu den bisherigen Systemen produzieren die Windräder des Unternehmens keinen Strom, sondern gewinnen direkt Druckluft: anstatt des sonst üblichen Generators befindet sich in der Kanzel der Windräder ein Druckluft-Kompressor.

General Compression Grafik

General Compression
(Grafik)

Die Gesamtkosten des integrierten Systems schätzt das Unternehmen auf das Anderthalbfache eines herkömmlichen Windparks. Für 500 MW wären also rund 750 Mio. € erforderlich. Verschiedene Investoren haben bislang 8 Mio. $ Startkapital zur Verfügung gestellt.

Im Februar 2010 gibt es weitere 17 Mio. $ Investitionsmittel seitens der US Renewables Group (USRG) und Duke Energy. Damit soll im Laufe des Jahres eine erste modulare Kompressor/Expander-Einheit mit dem Namen General Compression Advanced Energy Storage (GCAES) und einer Nennleistung von 2 MW gebaut werden, deren Gesamteffizient über 70 % betragen soll.

GC unterzeichnet im April 2010 ein Abkommen mit ConocoPhillips (COP) aus Houston, Texas, um die GCAES-Technologie durch ein Pilotprojekt in Texas weiterzuentwickeln. Im Juli gibt es eine Förderung durch die ARPA in Höhe von 750.000 $, und im Oktober 2010 werden im Rahmen einer zweiten Finanzierungsrunde satte 20,9 Mio. $ eingenommen. Die erste kommerzielle Anlage ist nun für den Herbst 2011 geplant.

Ende Juli 2007 meldet die Presse, daß Shell WindEnergy, eine Tochterfirma des britischen Ölkonzerns, gemeinsam mit dem texanischen Energieversorger TXU in der besonders dünn besiedelten Gemeinde Briscoe County im Bundesstaat Texas den bisher weltweit größten Windpark mit einer Gesamtleistung von 3 GW plant. Zugleich wollen TXU und Shell hier auch ein Druckluftkraftwerk errichten, mit den in absatzarmen Zeiten Energie gespeichert werden kann. Nähere Details darüber gibt es bislang nicht.

Die New York State Electric & Gas Corp. (NYSEG) erhält im Februar 2008 eine Förderung in Höhe von gut 370.000 $ seitens der New York State Energy Research and Development Authority, um eine Studie über die unterirdische Druckluftspeicherung durchzuführen. Weitere 200.000 $ gibt es für ingenieurtechnische Untersuchungen eines optimierten Netzbetriebs und der Bestimmung möglicher Standorte.

Im November 2009 folgt eine Förderung durch das DOE in Höhe von 29,6 Mio. $, um einen Druckluftspeicher in einer Salzkaverne in Bingampton zu installieren. Die Gesamtkosten der Anlage werden auf 125 Mio. $ beziffert.

Mitte 2008 gründen die Public Service Enterprise Group Global LLC, eine Tochter der PSEG Energy Holdings, gemeinsam mit dem Erfinder Dr. Michael Nakhamkin das Joint-Venture Energy Storage & Power LLC (ES&P) in Bridgewater, New Jersey, um die 2. Generation der CAES-Technologie zu vermarkten, zu lizenzieren und die weitere Entwicklung zu unterstützen. In den folgenden drei Jahren will man hierfür 20 Mio. $ investieren. Als bevorzugten Standort nennt die neue Start-Up Firma den Bundesstaat New York, wo es neben neuen Windparks auch erschöpfte Salzbergwerke gibt, die sich gut als Druckluftspeicher eignen würden.

Nakhamkin war mit seiner 1987 gegründeten Firma Energy Storage Power Corp. (ESPC) schon für das Design und die Implementierung der Technologie bei der CAES-Anlage 1991 in McIntosh, Alabama, verantwortlich (s.o.), deren Patente 2006 abgelaufen sind. Inzwischen hat der Wissenschaftler das System weiterentwickelt und hält neue Patente für die nun CAES2 genannte Technologie. 2009 werden er und ES&P mit dem Platts Global Energy Award ausgezeichnet.

Die Solar Southwest Technology Inc. (SST) aus Phoenix, Arizona, arbeitet seit ihrer Gründung 2008 an einem System, das die Solarenergie nutzt um die aus überschüssiger Windenergie erzeugte und gespeicherte Druckluft bei ihrer anschließenden Expansion auf umweltfreundlichem Wege zu erhitzen. Das Unternehmen wendet hierfür eine Dish-Technologie an, in Form eines 23 m durchmessenden Parabolspiegels mit einer Fläche von mehr als 320 m2, der die Druckluft auf eine Temperatur von bis über 900°C aufheizen soll. In Verbindung mit der CAES-Technologie könnte ein einziger Spiegel bis 200 kW leisten. Kooperationspartner ist die Firma Brayton Energy in Hampton, New Hampshire, welche die Solarspiegel-Technologie unter dem Namen SolarCAT entwickelt hat.

Ein Prototyp des TurboSolar Power System wird südlich des Sky Harbor Flughafens von Phoenix errichtet, wobei die Druckluft allerdings durch einen separaten, elektrisch betriebenen Kompressor erzeugt wird, da sich der dortige Untergrund nicht für einen Speicher eignet. Man hofft, damit Investoren überzeugen zu können, in die Entwicklung und Kommerzialisierung dieses Systems einzusteigen.

Im November 2010 gibt Southwest Solar den Abschluß der Bauarbeiten an seinem Southwest Solar Research Park in Phoenix bekannt.

Im Mai 2009 meldet der nordkalifornische Stromversorger Pacific Gas & Electric (PG&E) in San Francisco, daß er sich ebenfalls mit der Druckluftspeicher-Technologie beschäftigen wird und bereits erste geologische Untersuchung durchgeführt hat. Mit der California Energy Commission werden Gespräche zur Unterstützung der Bodenerforschung und mit dem DOE zur Eruierung von Fördermöglichkeiten geführt. Forschern des kooperierenden Electric Power Research Institute (EPRI) zufolge kostet die Druckluftspeicherung zu diesem Zeitpunkt 700 $ – 1.000 $ pro kWh. Hier arbeitet man an zwei Konzepten, einer unterirdischen 300 MW Anlage für 10 h sowie einer oberirdischen mit 15 MW für 2 h, wo die Druckluft in Tanks gespeichert wird.

Im November 2009 erhält PG&E eine DOE-Finanzierung in Höhe von 25 Mio. $, um die Pläne einer 300 MW Speicheranlage in Kern County nahe Bakersfield voranzutreiben, deren Gesamtkosten auf rund 356 Mio. $ geschätzt werden. Das Unternehmen hofft auf weitere Unterstützung durch die California Public Utilities Commission und die California Energy Commission, um das Projekt bis Ende 2014 verwirklichen zu können.

Die Magnum Energy Storage LLC aus Salt Lake City plant 2009 einen riesigen unterirdischen Gasspeicher in der Wüste nördlich von Delta, Utah. Dabei sollen in einem massiven Salzstock in rund 1,6 km Tiefe vier Kavernen vorbereitet werden, um etwa 10 Mio. Barrel Erdgas speichern zu können. Das Magnum Gas Storage-Projekt ist Teil des westlichen Energy Hub-Konzepts, das die Verbreitung und Nutzung von ‚grünen’ Energie-Technologien unterstützen soll. In Zukunft soll das Projekt auch für eine Umsetzung der CAES-Druckluft-Speichertechnik genutzt werden, Details darüber gibt es bislang noch nicht.

Eine andere Form der GCAES-Technologie verfolgt die vermutlich 2009 gegründete kalifornische Firma SEQEnergy aus San Francisco, die statt normaler Luft CO2 als Speichermedium nutzen will. Dabei geht man davon aus, daß das Vorhandensein großer Hohlräume nicht zwingend notwendig ist. Das Unternehmen erwähnt verschiedene Nano-Materialien wie z.B. Graphene, die bei dem firmeneigenen Prozeß produziert werden, ohne daß es bislang detaillierte Informationen oder Umsetzungspläne bekannt gibt. Mitte 2010 wir vor dieser Firma allerdings gewarnt, ohne daß ich bislang Details über die Hintergründe herausfinden konnte.

Im Gegensatz zu den meisten Ansätzen, bei denen die Druckluft mit Gas kombiniert in entsprechenden Turbinen ,verbrannt’ wird, verfolgt die in West Lebanon, New Hampshire, beheimatete US-Start-Up Firma SustainX Energy Solutions des Dartmouth College eine andere Methode, bei der die elektrische Energie direkt aus der Expansion der Preßluft erfolgt. Das 2009 gegründete Unternehmen beschreibt seine Technik als isothermen Gaskreislauf, der mit einer stufenweisen hydraulischen Kompression und Expansion gekoppelt ist. Die Energie wird überirdisch gespeichert, was die langen Vorlaufzeiten für die ansonsten notwendigen Genehmigungen vermeidet. Außerdem würden die Kosten nur etwa die Hälfte der von konventionellen CAES-Anlagen entsprechen.

Die von RockPort Capital, Polaris Venture Partners, Angeli Parvi und der National Science Foundation mit rund 4 Mio. $ finanzierte Firma erhält weitere 5,4 Mio. $ vom DOE, um bis 2011 einen oberirdischen 4 MWh Druckluftspeicher zu errichten, dessen Gesamtkosten auf 10,8 Mio. $ beziffert werden. Die energiesparende, modulare Druckluftspeicherung von SustainX soll in marktüblichen Frachtcontainern erfolgen.

Im September 2010 erhält das Unternehmen ein Patent auf seine Technologie, bei dem es um eine Methoden zur Speicherung von Druckluft bei einer (ungefähr) konstanten Temperatur geht. Dabei wird bei der Kompression Wärme ab-, und bei der Expansion wieder zugeführt. Im November ist SustainX eines der 12 Gewinner-Firmen des von GE und weiteren Venture Capital Unternehmen veranstalteten und mit 200 Mio. $ ausgestatteten Ecomagination Challenge Wettbewerbs, wobei sich SustainX mit den anderen 11 Firmen die ersten 55 Mio. $ Preisgelder aufteilen darf (der genaue Anteil ist bislang nicht bekanntgegeben).

Gaelectric wiederum ist eine Gruppe von Unternehmen in Dublin, Ireland, die in verschiedenen Bereichen der Erneuerbaren Energie und der Energiespeicherung aktiv sind, hauptsächlich in Nordirland, der Republik Irland und Nordamerika. Anfang 2010 hat Gaelectric ein Windenergie-Portfolio mit verschiedenen Projekten in Irland, von denen der erste Windpark Ende 2010 in Betrieb gehen soll. Die Unternehmenstochter Gaelectric Energy Storage Ltd. untersucht wiederum das Potential der CAES-Technologie, die anhand einer geplanten 140 MW Anlage in Nordirland und mehreren Projekten in den USA entwickelt werden soll.

Ein weiteres Unternehmen, das sich 2010 mit der CAES-Technologie beschäftigt, ist die Firma Dakota Salts LLC in Denver, Clorado, eine Tochter der Sirius Exploration Plc. Das Unternehmen, das sich in unmittelbarer Nähe zum Windpark Hartland LLC befindet, Nordamerikas aktuell größtem Windpark-Projekt, beabsichtigt ein System zu entwickeln, das unter Einbezug der Druckluftspeicherung bis zu 4,8 GW erzeugen kann.

RWE Druckluftspeicher Grafik

RWE Druckluftspeicher
(Grafik)

Ebenfalls Anfang 2010 erweitert das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) die Forschungsförderung um den Schwerpunkt Stromspeicher. Eines der ersten geförderten Projekte ist die Entwicklung und der Bau eines adiabaten Druckluftspeichers durch ein Firmenkonsortium. An dem Projekt ADELE (Adiabater Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung) beteiligen sich RWE, General Electric, Züblin, Ooms-Ittner-Hof GmbH, Erdgasspeicher Kalle GmbH und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die zusammen eine Summe von 10 Mio. € investieren.

Ziel ist die Errichtung einer ersten großtechnischen Demonstrationsanlage ab 2013, die über eine Speicherkapazität von 1 GWh verfügt und fünf Stunden lang eine elektrische Leistung von bis zu 200 MW erbringen soll. Der Wirkungsgrad soll 70 % erreichen, während die Kaverne, die für Adele im Salzstock ausgespült wird, eine Höhe von ca. 300 m haben soll.

RWE geht von einem Bedarf von 20 – 30 Anlagen in Deutschland aus, um die Netzspannung bei regenerativer Strom-Vollversorgung stabil zu halten. Ideal ist, daß die Salzstockfelder in Nord- und Mitteldeutschland geographisch nah an zukünftigen großen Windparks liegen. Nach der Vorstellung der Bundesregierung sollen neue Speicherkraftwerke auch von den Netzentgelten befreit werden.

Zum Abschluß des aktuellen Updates (November 2010) möchte ich noch auf das Konzept einer Luftdruckspeicherung mit Integrierter Stromerzeugungs-Anlage (LUISA) hinweisen, auf das ich von einem meiner Leser aufmerksam gemacht worden bin.

Frank Lessing aus Dresden, Mitglied im Deutschen Solarverein, stellt im Mai 2010 das Projekt ,Sonnenbahn’ vor, bei dem die überdachende, photovoltaische Nutzung von Autobahnen und Fernstraßen das größte Kraftwerk der Welt bilden soll. Ich werde darüber im entsprechenden Kapitel über die Solarenergie noch ausführlicher berichten.

An dieser Stelle hier ist das im Konzept erwähnte Prinzip der individuellen Speicherung von Haushaltsenergie interessant, das mittels LUISA-Modulen individuelle Strukturen wie z.B. Haushalte, Wohnblöcke, Hotels, Schulen usw. ermöglicht, selbst für einen gewissen Vorrat an elektrischer Energie zu sorgen. Viele dieser Strukturen haben immer einen gewissen Vorrat an Nahrung im Haus – warum also nicht auch Energie? Millionen von kleinen Einheiten hätten zudem den Vorteil, daß ein großer Anteil der komplizierten und teuren Energie-Zwischenspeicher wie Pumpspeicherwerke oder große Batteriesätze wegfallen könnten.

Ein LUISA-Modul besteht aus drei mit Kevlar ummantelten 300 bar Druckflaschen für den Preßluft-Vorrat, einem Kompressor und Wärmetauscher, einem Druckluftmotor mit Kälteauslaß, dem 380/220V 15kW Generator und der notwendigen Steuerelektronik – alles bewährte und langjährig bekannte Standardprodukte. Bei Massenproduktion soll das Modul schätzungsweise zwischen 3.000 € und 5.000 € kosten.

Druckluft-Uhr

Luftdruckbetriebene Armbanduhr

UR-202

Im April 2008 gibt die bereits 1997 gegründete Schweizer Firma Urwerk SA die Markteinführung der weltweit ersten Armbanduhr bekannt, die mit komprimierter Luft angetrieben wird, welche von zwei Mikroturbinen auf der Unterseite erzeugt wird.

Die Turbinchen setzen so einen Rotor in Bewegung, der wiederum das Uhrwerk der UR-202 aufzieht. Die Turbinen fungieren gleichzeitig als eine Art ,Stoßdämpfer’ und schützen den Rotor vor hohen Belastungsspitzen, was die Lebensdauer erhöhen soll.

Im Armbanduhren Katalog 2010 wird der Preis für die UR-202 übrigens mit 112.000,- € angegeben.

Druckluft-Wasserpumpe

Eine sehr interessante Anwendung von Druckluft wird im Februar 2009 in den Blogs vorgestellt. Die Unterwasser-Pumpe der australischen Firma Brumby Pumps aus Toodyay ist extrem einfach aufgebaut, leicht herstellbar und langlebig. Eine 2,2 m lange Pumpe wiegt z.B. rund 10 kg und ist aus nichtmetallischen, nicht korrodierenden Materialien gefertigt (möglicherweise PVC-Rohren).

Das Wasser aus Tiefbrunnen wird durch hinuntergepumpte Preßluft hinaufgefördert. Ein kleiner Nachteil davon ist, daß das Wasser dementsprechend durchmischt heraufkommt und nicht direkt an Bewässerungssysteme angeschlossen werden kann.

Je nach Leistung kosten die Pumpen zwischen 600 und 1.440 Australische $ (Stand 2010).

Druckluft im mobilen Einsatz

Zunehmend mehr Interesse wird der Druckluft auch im Verkehrs- und Transportwesen entgegengebracht. Der französische Physiker und Mathematiker Denis Papin (1647 – 1712) schlägt bereits 1687 der Société Royale in London den Einsatz von Druckluft vor, um Energie von einem Ort zum anderen zu transportieren.

du Motay Druckluftwagen

du Motay Druckluftwagen

Es dauert allerdings bis 1838, bis die Brüder Andraud und Tessié du Motay ein Fahrzeug konstruieren, das sich mittels Druckluft fortbewegt und 1840 in Paris öffentlich vorgestellt werden kann. Beschrieben wird es in dem Buch von C. H. Schmidt ‚Ueber die comprimirte Luft als universelle Triebkraft und unentgeltliches Ersatzmittel der Dampfkraft’ (Voigt, Weimar 1841).

Das für Schienen gedachte Vehikel kann acht Passagiere befördern. Sein Drucklufttank speichert die Luft bei einem Druck von 17 Atmosphären, während der Arbeitsdruck im Zylinder 3 Atmosphären beträgt. Die Erfinder ziehen auch die Anwendung von Druckluft bei Straßenfahrzeugen in Betracht und schlagen vor, die Luft vor ihrem Eintritt in den Zylinder zu erwärmen.

Ebenfalls 1838 erhält ein Wiener Pfarrer namens Andorfer ein Patent auf eine durch Preßluft angetriebene Lokomotive.

Im April und Mai 1842 wenden sich die Gebrüder du Motay mit dem Vorschlag an die Verwaltung für Brücken und Straßen, eine Locomotive Atmosphérique zu bauen, die auf den Eisenbahnstrecken von Lille zum Einsatz kommen soll. Im August 1844 führen sie auf der Strecke Paris – Lyon ein mit Druckluft betriebenes Fahrzeug vor, das aus Lokomotive und Wagon in einem besteht.

1860 erscheint in Frankreich das Buch ,Paris im 21. Jahrhundert’ – in welchem Jules Verne vorhersagt, daß die Transportsysteme der Zukunft zu ihrem Betrieb Druckluft verwenden werden.  

1872 beginnt der Franzose Louis Mékarski mit seinen Arbeiten, Straßenbahnen der Creusot-Werke für den Druckluft-Betrieb umzubauen. Die Versuche laufen von 1876 bis 1879, als auf der Strecke ‚Tramways-Nord’ der erste reguläre Betrieb zwischen Doulon und Chantenay bei Nantes aufgenommen wird. Im Laufe der folgenden zehn Jahre werden noch weitere Orte an das Druckluft-Straßenbahnnetz angeschlossen, sobald auch dort die benötigten Nachfüllstationen aufgebaut sind. Ähnliche Drucklufttrams werden auch in Vichy (1895), Aix-les-Bains (1896), La Rochelle (1899), und Saint-Quentin (1901) eingesetzt.

Zwischen 1890 und 1902 sind auch in Bern Drucklufttrams im Einsatz. Die zehn Triebwagen vom System Mékarski der Maschinenfabrik Bern werden vor ihrer Fahrt im alten Tramdepot beim Bärengraben mit Druckluft versorgt, die aus einer mit Wasserkraft der Aare betriebenen Kompressorenanlage stammt. Die Technologie hat allerdings zwei entscheidende Nachteile: erstens reicht die gespeicherte Energie manchmal nicht aus, um die Tram wieder zur Auffüllstation zurückzubringen, und zweitens zeigten die Preßluftschläuche die Tendenz, ab und zu mit einem großen Knall zu platzen und die Passagiere gewaltig zu erschrecken.

Druckluft-Straßenbahn

Druckluft-Straßenbahn

Eine Straßenbahn von Mékarski, die 1917 aus dem Verkehr genommen wird, ist die einzige Überlebende jener Epoche – das abgebildete Stück befindet sich heute im Besitz des AMTUIR-Museums (Musée des transports urbain, interurbain est ruraux) in Colombes.

1896 liefert die H. K. Porter Company aus Pittsburgh zehn Druckluft-Autos für das Eckington System in Washington, D.C. – und bis 1930 verkauft das Unternehmen Hunderte von druckluftbetriebenen Zugwagen an die Kohleminen im Osten der USA.

Ihr Erfinder, Charles B. Hodges, ist einer der wenigen Entwickler von Druckluftantrieben, dem noch zu Lebzeiten vergönnt ist von seiner Innovation zu profitieren. Sein zweiphasiges System besitzt einen Wärmetauscher, der die teilweise expandierte Druckluft durch die Nutzung der Umgebungsluft wieder aufwärmt. Bis in die 1920er Jahre hinein wird auch in Europa eine auf Hodges Patent beruhende Weiterentwicklung mit einer um 60 % höheren Reichweite zu Tausenden in den Kohleminen Belgiens, Frankreichs und Deutschlands eingesetzt. Auch hier wird die sonnenerwärmte Umgebungsluft genutzt, sobald die Zugwagen wieder aus den Minen herausfahren.

Von 18921900 fahren in Ney York City Druckluftlokomotiven von Robert Hardie mit einem einphasigen Expansions-Druckluftantrieb. Die Entwicklung wird von auch General Herman Haupt unterstützt, der seinerseits an Druckluft-Autos arbeitet. Im Gegensatz zu der Mekarski-Maschine ist hier sogar schon eine Rückgewinnung von Bremsenergie integriert!

Nachladestation auf dem Titel der Scientific American

Druckluft-
Nachladestation

Um seine eigenen sowie die ebenfalls in New York umherfahrenden Hoadley-Knight Druckluft-Lokomotiven (18961900) mit ihrem Betriebsstoff zu versorgen, wird in New York City eine Druckluft-Nachladestation mit einem dampfbetriebenen 1.500 PS Kompressor gebaut, die es sogar auf den Titel des Magazins Scientific American schafft. Die Tanks der Lokomotiven können so innerhalb weniger Minuten aufgefüllt werden.

1920 entwickelt der Erfinder John D. Houston aus Prineville, Oregon, eine sehr effiziente Hausheizung, welche für ihre Funktion Kompressionswärme verwendet. Das System soll über Kondensatoren (?) der Umgebungsluft Wärme entziehen und sich auch als Antrieb eignen, indem ein Druckluft-Kreislauf mit Kompressor, Luftmotor und Generator gebildet wird. Houston gründet zusammen mit seinem Vater eine Firma aus 20 Teilhabern und baut ein verbessertes Demonstrationsmodell. Der Erfinder behauptet, daß seine Maschine so heiß ‚gefahren’ werden kann, daß sie sich selbst dabei zerstört, während es im umgekehrten Betriebsmodus möglich sei, Kältegrade bis -250°C (?) zu erreichen.

Versuche, Industrielle in San Francisco zu überzeugen eine Produktion der Maschine zu starten, scheitern jedoch an dem Argument, daß ein Einsatz den Brennstoffverkauf beenden würde – zu jener Zeit die Hauptfracht der Dampfschiffe. Houston soll sein Gerät in Kanada und England patentiert haben. Ich fand bislang allerdings nur das US-Patent Nr. 1.781.062 von 1930, das unter dem Namen Thermal Plant läuft. Andere Informationen sprechen hingegen davon, daß Houston schon 1920 oder 1921 gestorben sei – im Alter von nur 22 Jahren.

Im Jahr 1926 stellt Lee Barton Williams aus Pittsburg, Kalifornien (?), ein Auto vor, das zwar mit einem Benzin-Motor gestartet wird, jedoch auf Druckluftbetrieb umgeschaltet werden kann, sobald es eine Geschwindigkeit von 15 km/h erreicht. Schon beim ersten Test soll der Wagen 100 km/h schnell gefahren sein.

Deutsche Druckluft-Lokomotive

Deutsche Druckluft-Lokomotive
(1930)

Um 1930 wird die Drucklufttechnik bei Zügen auch in Deutschland eingesetzt. Bei einer 1.200 PS Diesel-Lokomotive, die mit einem entsprechenden System ausgerüstet wird, soll eine Steigerung der Reichweite um 26 % erreicht worden sein. Der bordeigene Kompressor wird mit einem Dieselmotor betrieben, dazu wird außerdem noch die Abwärme in Druckluft umgewandelt, welche die Hybrid-Lokomotive antreibt.

Anfang der 1930er Jahre baut ein Ingenieur namens Roy Jerome Meyers aus Los Angeles ein druckluftbetriebenes Auto mit einem 6-Zylinder Stern-Luftmotor und mehr als 180 PS, das bei einer Geschwindigkeit von 55 km/h eine Reichweite von 800 km aufweist. Dafür sorgen vier große Druckflaschen. Zur Erwärmung der komprimierten Luft besitzt das Fahrzeug eine batterie- bzw. generatorbetriebene elektrische Heizung.

Meyers Druckluftauto von 1931

Meyers Druckluftauto (1931)

Meyers, dessen erste Patente bis 1913 zurückreichen, arbeitet sechs Jahre an seiner Entwicklung und schafft es damit, in der Januarausgabe 1931 des US-Magazins Modern Mechanix vorgestellt zu werden. Auch der Hope Star in Hope, Arkansas, berichtet über Meyers, der sich auch mit einem Absorber beschäftigt, der Elektrizität direkt aus der Atmosphäre abzapfen soll.

Eine merkwürdige Sache ereignet sich im Jahr 1934, als der damals 21-jährige Johannes Wardenier, ein einfacher Bauernjunge aus Steenwijkerwold, verkündet das weltweit erste (fast) brennstofflose Auto entwickelt zu haben, der Heißluft-Motor bräuchte nur wenige Tankfüllungen pro Jahr. Die Niederländischen Zeitungen berichten wochenlang über diese Erfindung, und in Wolvega wird schon eine Fabrik für 13.000 Beschäftigte geplant.

Plötzlich wird Wardenier jedoch unter geheimnisvollen Umständen in eine psychiatrische Anstalt gesperrt und ihm wird nicht erlaubt, jemanden zu sehen. Nachdem ihn der behandelnde Arzt als ,normal’ erklärt und wieder entläßt, berichten ihm seine Eltern, daß seine Maschine zwischenzeitlich von einigen Männer abgeholt worden sei. Auch die Entwürfe sollen gestohlen worden sein. Der Motor wird nie wieder gefunden.

Im Krieg ist Wardenier Zwangsarbeiter, Widerstandskämpfer, Häftling in einem Konzentrationslager und Flüchtling. Später lebt er in relativem Luxus und erklärt 1959, daß der niederländische Glühlampen-Industrielle Frederik Jacques ,Frits’ Philips für seine damalige Einweisung verantwortlich gewesen sei – und ebenso für sein anschließendes Wohlergehen. Als Wardenier 1960 im Alter von 47 Jahren stirbt, wird er in Kerkbuurt nahe Steenwijk begraben. Spätere Untersuchungen zeigen jedoch, daß sein Körper nicht da ist.

Ebenfalls 1934 beantragt der Schuhmacher Bob Neal aus Arkansas das Patent für einen Luftmotor. Nach der ersten Ablehnung versucht er es zwei Jahre später noch ein Mal – und demonstriert sein funktionierendes Modell. Nun bekommt er das Patent (Nr. 2.030.759). Nachdem dieses veröffentlicht wird, besuchen ihn deutsche Nazis oder Leute, die sich als Nazis ausgeben, um an das Geheimnis seiner Technologie zu kommen. Da er sich weigert ihnen die Rechte zu verkaufen, entführen sie seine Tochter. Neal zerlegt seinen Motor und informiert die Deutschen, daß das Thema für ihn damit endgültig beendet sei, worauf sie ihm seine Tochter zurückgeben.

Neal-Patent

Neal-Patent

Im Oktober 1937 zeigt ein Mickey Mouse-Comic von Walt Disney eine Satire mit der möglichen Interpretation, daß jemand, der einen selbst-füllenden Lufttank erwartet, ,doof’ (Goofy) ist. Der Strip ist möglicherweise durch eine 1926 1927 gelaufene Satire-Serie namens Gas Buggies von Frank Beck inspiriert worden, in der es um den fanatischen, aber ständig erfolglosen Luftauto-Erfinder Hem und seine Frau Amy geht.

Wesentlich weniger amüsant ist der unbemannte Marschflugkörper Fieseler Fi 103, umgangssprachlich als Vergeltungswaffe 1 (V1) bekannt, der ab Juni 1944 gegen England eingesetzt wird. Die mit 850 kg Sprengstoff gefüllte und von einem einfachen Autopiloten gesteuerte Flugbombe wird von einem aufgesetzten Verpuffungsstrahltriebwerk (o. Pulsionstrahltriebwerk) angetrieben, dessen Verbrennungsprozeß durch Preßluft aufrecht erhalten wird. Diese stammt aus zwei mit 150 bar befüllten Kugeln im Rumpf des Flugkörpers und erlaubt eine Reichweite von bis zu 370 km. Auch die Steuerorgane, vor allem das Strahlruder, werden mit Druckluft betätigt.

Danach scheint es einige Zeit ruhig um die Druckluft zu sein – ich habe aus den zwei Folgedekaden bislang jedenfalls kaum etwas gefunden… bis zur Ölkrise 1972, die offenbar einen Innovationsschub zur Folge hat.

Einzig Cleo L. McClintock, der auch als der ursprüngliche Erfinder des Differential-Getriebes gilt, erfindet und patentiert 1961 eine Air Engine (US-Patent Nr. 2.982.261), die keinen Kraftstoff verbraucht, sondern sich durch ihren eigenen Luftkompressor selbst antreibt. Bei dem auch Air Motor genannten Gerät scheint sich um eine Kreuzung zwischen einem 3-Zylinder-Diesel und einer Rotationsmaschine mit verschiedenen Getrieben zu handeln, die eine große Hitze entwickelt und einen starken Drehmoment besitzt.

Die Meldungen aus den 1970er Jahren beginnen mit dem Luftauto-Erfinder Russel R. Brown aus Harrisburg, Pennsylvania, der 1972 das Patent für einen Motor beantragt, der sich seinen Tank selbst befüllen kann. Es scheint sich um die Konvertierung eines Verbrennungsmotors zu handeln, die viel Zeit gekostet hat. Browns Frau jedenfalls verläßt ihren Ehemann, weil er zu viel Zeit in seiner Werkstatt verbringt. Anderen Quellen zufolge ist sein Auto 1974 funktionsfähig, nach 20 Jahren Entwicklungsarbeit.

Willard ,Bill’ Truitt aus McKees Rocks, Pennsylvania, baut ab 1973 ebenfalls an einem selbstantreibenden Druckluftauto, dessen wichtigste Elemente ein „geheimes Ventil, das wie ein Herz funktioniert“, ein dreistufiger elektrischer Kompressor und mehrere hydraulische Luftpumpen sind. Der Erfinder bietet sein Fahrzeug – kostenlos – der Regierung an, die jedoch nicht interessiert ist.

Aufgrund der „Belästigung durch Ölgesellschaften und Autofirmen“, und da er keine eigenen finanziellen Mittel für die Weiterentwicklung besitzt, baut Truitt nie wieder ein Auto, übergibt seine Entwürfe aber 1982 der NASA und der US-Army, die ihm eine Lizenzgebühr versprechen, ohne dieses Versprechen jedoch zu erfüllen. Zwar wird ihm mitgeteilt, daß seine Maschine in einen Jeep und sogar in einen Hubschrauber eingebaut wurde, doch danach scheint das Ganze im Sande verlaufen zu sein.

Ein beeindruckendes Luftdruckauto, das in flüssiger Form gespeicherte Druckluft verwendet, wird 1975 von Vittorio Sorgato aus Mailand vorgestellt. Der Wagen ist mit 9 Druckluftflaschen ausgestattet, die von einem externen Kompressor befüllt werden. Der fast lautlose Wagen ist knapp 50 km/h schnell und hat eine Reichweite von etwa zwei Stunden. Die Idee findet in Italien zunächst großen Anklang, gerät dann aber schnell wieder in Vergessenheit.

1976 baut Ray Starbard aus Vacaville, Kalifornien, einen Druckluft-Lastwagen.

Air Car One von Terry Miller

Air Car One

Unter dem Namen Air Car One konstruiert Terry Miller 1979 mit einem Betrag von nur 1.500 $ ein dreirädriges Druckluftfahrzeug, für das er 1983 das US-Patent 4.370.857 erhält. Mit Hilfe von Toby Butterfield wird das Projekt 1993 wieder zum Leben erweckt, und mit von den Herstellern gespendeten Teilen wird ein Druckluftfahrzeug gebaut, das den malerischen Namen Spirit of Joplin hat und eine Geschwindigkeit von 60 km/h erreicht.

In den 1980er Jahren entwickelt auch Carl Leissler in Hollywood einen Motor, der mit Luft funktioniert. Der pensionierte Gärtner arbeitet in seiner Garage über 15 Jahre lang an seiner Erfindung. Für den Betrieb des Motors in einem Auto muß eine kleine Elektro- oder Brennstoff-Energiequelle integriert werden, um den Kompressor anzutreiben.

Claude Mead und William Holmes erhalten 1980 das US-Patent Nr. 4.229.661 für ihren mobilen Preßluftspeicher (Power Plant for Camping Trailer). Das Konzept sieht einen kleinen Windrotor vor um Druckluft für den späteren Gebrauch zu speichern, welche dann zur Stromerzeugung sowie zum Laden von Batterien genutzt wird, die bei besonders hohem Bedarf den Kompressor betreiben können.

Der australische Erfinder Des Hill arbeitet 30 Jahre lang an seinem Druckluft-Motor – der Amerikaner George Miller aus Johnstown, ein ehemaliger Minenarbeiter und Maurer, erfindet 1984 einen Luftwagen – und Leroy K. Rogers aus Ft. Myers, Florida, meldet das Patent für einen Luftwagen an, der recht bekannt wird und die Autoindustrien dazu veranlaßt, Angebote in Milliardenhöhe zu machen, die Miller jedoch ablehnt (?). Bevor er aus den Nachrichten verschwindet sagt er noch, daß die Publicity um die Erfindung sein Familienleben ruiniert habe.

Im Mai 1987 berichtet die Presse über den Erfinder Ricardo Perez-Pomar aus Miami. Der aus Kuba stammende Hydraulikingenieur behauptet einen Luftdruckmotor entwickelt zu haben, der während seines Betriebs den Tank nachfüllt und so über Monate hinweg in Funktion gehalten werden kann. Bis zu seinem Tod 2007 gelingt es ihm jedoch nicht, einen tatsächlich funktionierenden Wagen zu bauen.

Die Arnold Jung Lokomotivenfabrik GmbH in Jungenthal, Kirchen a.d. Sieg, baut seit der 1920er Jahren und noch bis 1987 Preßluft-Grubenlokomotiven, zuletzt überwiegend für Polen.

Ab 1984 arbeitet Armando Regusci an einem Druckluft-Wagen, mit dem er 1992 in Maldonado, Uruguay, bereits 100 km weit kommt – mit einer einzigen Tankfüllung. 1997 betreibt er auch ein Fahrrad mit Preßluft. Seine Entwürfe zeichnen sich durch den konsequenten Verzicht auf jegliche Designelemente aus.

Druckluftwagen von Regusci

Druckluftwagen von Regusci

Inzwischen besteht großes Interesse daran, ein Druckluft-Auto bis zur Serienreife zu entwickeln und erschiedene Unternehmen beschäftigen sich bereits damit.

Am bekanntesten ist wohl Guy Nègre, der mit seinem Franchisekonzept (modular aufzubauende Komplettfabriken für begrenzte Lizenzgebiete) gleich den ganzen Erball aufrollen will… nur daß seine Wagen bislang noch nicht so rollen wie sie sollen.

Der aus Narbonne stammende frühere Formel 1 Motor-Ingenieur beginnt 1991 mit der Entwicklung eines Druckluftautos. Das Modell CityCAT (Compressed Air Technologies), das er 1997 fertigstellt, soll in erster Linie als Taxi zum Einsatz kommen.

In den Folgejahren werden diverse Konzeptstudien daraus abgeleitet – angefangen von einer luxuriösen Business-Version für vier Personen bis hin zu Kleintransportern für den innerstädtischen Lieferverkehr.

CityCAT PKW

CityCAT

Der spätere MiniCAT, der für 8.000 € auf den Markt kommen soll, hat drei Sitzplätze vorn, mit einen zentralem Steuersitz, ist 2,65 m lang, wiegt 550 kg und soll eine Reichweite von 150 km haben. Die Druckluftflasche ist unter den Sitzen angebracht.

Auf dem Pariser Automobilsalon im Oktober 2002 stellt Nègres Firma Motor Development International (MDI) den mit Druckluft und Wasserstoff angetriebenen Aircar vor. Herz des 3,84 m langen und 720 kg wiegenden 6-Sitzers ist ein Vierzylinder-Motor mit 800 cm3, der über eine zusätzliche Reaktionskammer verfügt. In dieser Kammer herrscht ein Druck von 20 Bar bei 400°C. Dort hinein wird kalte Druckluft aus den in den Wagenboden eingebauten Flaschen gespritzt, die sich blitzschnell ausdehnt und den Kolben antreibt.

Mit seiner auf 90 Liter komprimierten 90 m3 Füllung hat der Wagen eine Reichweite von 200 – 300 km, seine Höchstgeschwindigkeit liegt bei 110 km/h. Die wageneigenen Druckluft-Flaschen lassen sich entweder in 3 Minuten an einer Druckluftstation oder in 4 Stunden durch einen mitgelieferten elektrischen Kompressor wieder befüllen. Die Kosten pro Tankfüllung liegen unter 2 €. Bislang nur als Konzeptstudie existiert der MultiCAT, der als größerer Lieferwagen oder als Kleinbus zum Einsatz kommen soll.

Besonders großen Einsatz zeigt MDI bei der Akquise von Lizenznehmern, die einen nach Einwohnerzahlen aufgeschlüsselten Absatzbereich zugesprochen bekommen. Für diesen müssen sie dann auf eigene Kosten Lizenzwerke aufbauen, in denen die Wagen gefertigt werden. Es werden globale Claims abgesteckt und das Unternehmen behauptet bereits 2002, weltweit schon 62 solcher Lizenznehmer als Vertragspartner gefunden zu haben – wobei der Gebietsschutz jeweils 300.000 € kostet! Die jeweiligen MDI-Fertigungshallen inklusive Produktionsanlagen, Schauraum und Büros schlagen dann nochmals mit gut 9 Mio. € zu Buche.

MiniCAT Innenraum

MiniCAT Innenraum

Im Laufe der vergangenen Jahre werden seitens Guy Nègre jedoch so viele Versprechungen gemacht, die dann nie erfüllt werden, daß sich eine ganze Reihe früherer Partner wieder von ihm trennen und zum Teil sogar Anzeige wegen Betrugs stellen. Insider bezweifeln sogar, daß seine Fahrzeuge jemals tatsächlich in Produktion gehen, und auch seine Nominierung für den Eurosolar-Preis wird wieder zurückgezogen. Die großen japanischen, deutschen und amerikanischen Autobauer lassen Nègre ebenfalls abblitzen. Danach ist es erst einmal ruhig um den sonst so umtriebigen Erfinder.

Im März 2007 taucht die MDI dann wieder auf – dieses Mal in Verbindung mit Ratan Tata, Besitzer des größten indischen Auto-Herstellers Tata Motors, der Nègre für 20 Mio. € eine Lizenz für das Druckluftmotor-Konzept abkauft, um die Technik des Franzosen auf den indischen Markt zu bringen. Grundlage soll der Mini CAT sein, wobei Tata davon ausgeht, daß eine Tankfüllung 2 – 3 $ kostet und eine Reichweite von 200 – 300 km erlaubt. Der Wagen selbst soll zwischen 7.300 $ und 8.200 $ kosten, in der Erstserie wird eine Stückzahl von 3.000 Fahrzeugen pro Jahr anvisiert, und man will schon Ende 2008 mit der Produktion beginnen. Was – wie fast immer – dann doch nicht so schnell geht…

Ende 2007 melden die Blogs, daß MDI auch in Australien auf den Markt kommen will, ebenfalls schon 2008. Hier soll der Wagen für etwa 8.000 US $ verkauft werden. Im Rahmen eines wieder einmal sehr hoch aufgehängten Fünfjahresplans mit einem Investitionsvolumen von 1,5 Mrd. $ soll in Melbourne eine erste Fabrik aufgezogen werden.

In den USA will wiederum die Firma Zero Pollution Motors aus New Paltz im Bundesstaat New York MDI-Fahrzeuge unter Lizenz herstellen und ab 2010 anbieten. Gedacht ist an einen 75 PS Wagen mit 6-Zylinder Luftdruckmotor für sechs Personen, der rund 17.800 $ kosten soll. Woraus bislang aber noch nichts geworden ist.

Im Zuge der Vereinbarung zwischen Guy Negre und Tata Motors verläßt der Marketingexperte Miguel Celades Rex, der zuvor 8 Jahre lang bei Negre mitgearbeitet hatte, dessen MDI, und gründet die Firma Air Car Factories S.A. in Barcelona. In Zusammenarbeit mit der Universitat Politècnica de Catalunya will man innerhalb weniger Monate einen eigenen Druckluftwagen-Prototyp entwickeln. 2008 befindet sich das Unternehmen in der Designphase. Der geplante Air Car Eureka 1.1 soll über einen Druckluftmotor mit Mono- oder Bi-Energie angetrieben werden (Elektro- und Druckluftmotor).

Offene OneCAT-Studie

OneCAT (Studie)

In Europa berichtet die Presse Anfang 2008, daß der dreisitzige OneCAT nun ab 2009 in Frankreich hergestellt und dort für nur 3.500 € angeboten werden soll. Die gezeigte Studie ähnelt durch ihre geriffelten Türen ein wenig dem hierzulande altbekannten Kübelwagen – aber bei den sehr geringen Betriebskosten wäre auch dies zu verschmerzen. Durch seinen Luftfilter ist der Luftausstoß des Fahrzeugs im Druckluftbetrieb sauberer als beim Lufteinsaugen. Mit einem zusätzlichen (wohl fossilen) 15 PS Motor für den Dreisitzer oder einem 22 PS Motor für den Sechssitzer soll man über Land 110 km/h schnell fahren können. Auch bei dieser Umsetzung arbeitet MDI mit Tata zusammen.

Die Spezifikationen des geplanten Wagens lauten zu diesem Zeitpunkt:

  • ·  Gewicht: 350 kg
  • ·  Speichervolumen: 90 m3 / 300 Atmosphären
  • ·  Speichermaterial: von Airbus produzierte Kohlefasertanks
  • ·  Füllzeit: 3 Minuten / 4 Stunden durch bordeigenen Kompressor
  • ·  Reichweite im Stadtverkehr: bei 50 km/h etwa 100 km
  • ·  Zusatzkraftstoffe: Benzin, Diesel oder Biokraftstoff

Bevor jedoch tatsächliche Schritte in Richtung einer Produktion unternommen werden, zaubert Nègre das nächste Kaninchen aus dem MDI-Hut, das diesmal – zeitgemäß – AirPod heißt. Ob man das in knalligen Farben vorgestellte Fahrzeug allerdings als ‚Auto’ bezeichnen kann, ist fraglich. Es ähnelt äußerlich dem ‚Hamster-Auto’ von Toyota, das ich am Ende des Kapitels über die Muskelkraft vorgestellt habe, bzw. den Elektro-Cabs der Firma ULTra-System, die auf dem Internationalen Flughafen Heathrow bereits eingesetzt werden und auch für das Masdar-Projekt geplant sind (s.d. bzw. unter PRT).

Der 220 kg schwere und 2 m lange Wagen ohne seitliche Türen ist ein Dreisitzer mit Joystick-Steuerung, wobei nur der Fahrer nach vorne, die zwei Passagiere jedoch nach hinten schauen müssen. Die gläsernen Türen für den Fahrer und die Passagiere öffnen sich nach oben. Hinten besitzt das Fahrzeug eine konventionelle Achse mit zwei Antriebsrädern, während es vorne ein Einzelrad zur Steuerung gibt. Mit einem elektrischen Kompressor wird Luft in den 175 l Tank gefüllt, welcher wiederum den 6 kW Einzylinder-Kolbenmotor betreibt. Natürlich läßt sich der 350 bar Tank auch an jeder Tankstelle in 1,5 bis 3 Minuten mit Preßluft befüllen. Die Höchstgeschwindigkeit des Airpod soll 80 km/h betragen, die Reichweite bis 200 km. Die Fahrtkosten pro 100 km sollen 50 €-Cent betragen.

In den – wie immer euphorischen – Pressemeldungen der luxemburgischen Firma MDI wird im Oktober 2008 von einem Verkaufspreis von 6.000 € gesprochen. In Europa soll der AirPod bereits 2009, in den USA 2010 auf den Markt kommen… tönt es.

Im November 2008 wird bekannt gegeben, daß zehn MDI-Kabinenroller ab Frühjahr 2009 für einen Zeitraum von sechs Monaten von Air France/KLM auf den Flughäfen Paris-Charles de Gaulle und Amsterdam-Schiphol u.a. für die Beförderung von Wartungscrews getestet werden sollen. Cyril Nègre, Sohn des Firmengründers und ebenfalls bei MDI aktiv, verkündet außerdem, daß schon viele Kommunen Interesse an den Fahrzeugen angemeldet haben. Auch die Stadt Nizza will eine Testflotte aufbauen, wird behauptet.

AirPod Cargo

AirPod Cargo

Im Mai 2010 wird das Airpod zwar im Großherzogtum Luxemburg zugelassen, doch im Herbst 2010 sind im Zuge meiner Recherchen weder Details über die Flughafentests zu finden – noch wurde bislang die Serienproduktion gestartet. Die einzige Neuigkeit ist, daß der angekündigte Verkaufspreis des AirPod zwischenzeitlich auf 7.000 € geklettert ist. Die Nègres sollten sich statt mit Druckluft wohl besser mit der Erzeugung von Heißluft beschäftigen – denn dieses Metier scheinen sie perfekt zu beherrschen… (man beachte dazu auch die Anmerkungen der Erfinders Heinrich Schmid – s.u. unter Stickstoffmotoren).

Im Oktober 2010 gibt es eine Pressemeldung der 2008 gegründeten Firma Catecar SA mit Sitz in Pleigne, die mittels einer Lizenz die Exklusivrechte für die Produktion und den Verkauf der MDI-Fahrzeuge unter 500 kg in der Schweiz und in Liechtenstein er­worben hat: Die Produktion von Druckluftfahrzeugen in der Schweiz soll nun ab März 2011 erfolgen.

Catecar wird die Airpods in einer Halle des ehemaligen Boillat-Werks des Swissmetal-Konzerns fertigen, wobei pro Monat 135 Fahrzeuge das Werk verlassen sollen. Später soll die Kapazität auf 700 Fahrzeuge pro Monat erhöht werden. Für die Wartung und den Kundendienst will man ab April 2011 ein Netz von 200 Catecar-Werkstätten in den Großstädten einrichten. Die zwei ersten für 2011 geplanten Modelle sind der Airpod für Passagiere mit 3 – 4 Sitzen und der Airpod Cargo mit 300 kg Nutzlast. Andere Modelle sollen im Jahr 2012 folgen, und ab 2013 soll auch das Modell OneFlowAIR produziert werden. Warten wir’s ab.

Doch nun zurück zur den vielen anderen Personen und Unternehmen, die sich ebenfalls mit Luftdruck-Fahrzeugen beschäftigen.

Im Jahr 2005 tritt die Magesa Trust GmbH aus dem schweizerischen Trimmis auf den Plan (ein ehemaliger Lizenznehmer von MDI) und gibt bekannt, daß man im Oktober 2006 mit der Serienproduktion des Aircar Modular 4 beginnen werde, bei dem ein selbstentwickelter 6 Zylinder mit 600 cm3 zum Einsatz kommen soll. Bis dahin sollen die Beendigung der Testphase und die Herstellung der ersten Vorserie erfolgen.  Als Preis des Wagens in der Grundausstattung wird ein Betrag unterhalb von 10.000 € genannt. Laut eigenen Angaben habe das Unternehmen bereits 45.000 Vorbestellungen.

Allerdings geht die Magesa der Herren Matheis, Bergmann und Ramsauer bereits im März 2006 in Liquidation – und ward nicht mehr gesehen.

Über ein weiteres Luftdruck-Auto wird 2004 aus Australien berichtet, wo es von dem Motordesigner Angelo Di Pietro in seinem Unternehmen Engineair Pty Ltd. in Brooklyn, Victoria, entwickelt worden ist. Di Petro, aus dem italienischen Ort Avellino stammend, arbeitet 1969 und 1970 im Stuttgarter Entwicklungslabor von Mercedes Benz am Wankel-Motor und wandert 1970 nach Australien aus. Nach zweijähriger Arbeit meldet er 1999 einen Durchbruch bei der Entwicklung eines besonders effizienten Motors und gründet ein Jahr später die Firma Engineair.

Enginair Enviro 1

Die neuen Luftdruckmotoren werden erfolgreich in kleineren Fahrzeugen, bei Rollern und sogar als Außenborder für Boote getestet. Im August 2004 stellt das Unternehmen einen marktreifen, mit Druckluft betriebenen Kleintransporter vor, außerdem soll ein weiterer Enginair Carrier zum Einsatz im (geschlossenen) Melbourne Wholesale Fruit & Vegetable Market entwickelt werden, wo bislang 300 Transporter mit lauten, benzinschluckenden und Abgase emittierenden 2-Kolbenmotoren herumfahren.

Das von Engineair vorgestellte Fahrzeug ist mit einem speziell entwickelten Rotationskolbenmotor ausgestattet und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 50 km/h. Interessenten melden sich aus den USA, China, den Niederlanden und Großbritannien. Im April 2006 melden einige Blogs, daß die Rotary Air Engine von Angelo Pietro inzwischen einen Wirkungsgrad von fast 100 % erreicht. Die Druckluft wird in sechs Expansionskammern geleitet und bewegt dadurch einen einzelnen Rotationszylinder. Der Motor ist so klein, daß er sogar direkt als Radnabenmotor eingesetzt werden kann.

Enginair Car

Enginair Car

Neben dem Transporter Enviro 1, der auf dem Foto von 2010 schon sehr professionell aussieht, entwickelt Di Pietro auch einen Druckluft-betriebenen Kleinwagen für zwei Personen. Ausführliche Testergebnisse sind bislang aber nicht veröffentlicht worden, und auch über eine Produktion oder gar über Verkäufe ist nichts in Erfahrung zu bringen.

Ein Druckluft-Motor von Di Pietro bildet auch den Antrieb des Motorrads, das der australische Industriedesigner Edwin Conan Ende 2009 vorstellt. Das Green Speed Air Powered Motorcycle ist eine umgebaute Suzuki GP100 aus den 1970ern, von der allerdings kaum mehr als der Rahmen, die Reifen und die Bremsen übrig geblieben sind.

Zwei Kohlefaser-Drucklufttanks liefern genug Energie, um die Drehzahl des Motors auf 3.000 U/m zu beschleunigen, wodurch auf ein Getriebe verzichtet werden kann. Bei einer Serienproduktion soll das Motorrad zusammen mit einem Solarpaneel ausgeliefert werden, das einen Kompressor zur Befüllung der Tanks betreibt.

Mitte 2005 wird aus Korea bekannt, daß dort die Firma Energine Corp. an der Entwicklung eines Druckluft-Fahrzeugs arbeitet. Das computergesteuerte pneumatic-hybrid electric vehicle (PHEV) besitzt einen Batterie-betriebenen 48 V Elektromotor, der die Luft zum Antrieb des Motors komprimiert. Die Entwicklung geht auf das Jahr 1972 zurück, doch erst 1984 werden die ersten Testfahrten mit 20 km/h absolviert, während die Patente 1992 beantragt werden. Das Unternehmen selbst wird 1996 gegründet, und im Jahr 2000 soll der Wagen bereits eine Geschwindigkeit von 100 km/h erreichen. Das letzte update der Firmenseite stammt allerdings vom November 2005, danach scheint es keinerlei neue Informationen mehr zu geben.

PHEV Druckluft-Hybrid-Auto

PHEV

2006 kommt dafür das Konzept der 2002 gegründeten Firma Scuderi Group LLC erstmals in die Presse, als das Unternehmen aus West Springfield, Massachussetts, auf der Industriemesse in Detroit seinen Air-Hybrid Split-Cycle Motor vorstellt, der auf einer bereits 1914 entwickelten Technologie beruht und einen Dieselmotor mit einer Druckluftspeicherung kombiniert.

Im Motor des Erfinders Carmelo Joseph Scuderi, an dem dieser seit 1998 arbeitet, geschehen die vier klassischen Takte (Ansaugen, Verdichten/Zünden, Arbeiten, Ausschieben), nicht in einem Zylinder, sondern in zweien. Ein Topf erzeugt durch Verdichtung Druckluft, im anderen wird das Gemisch abgefackelt. Durch die geschickte Wahl entsprechender Ventile sowie durch eine Erfindung, die das Zünden des Gases möglichst weit hinauszögert, gelingt es einen zumindest rechnerisch verblüffend effizienten und sauberen Motor zu entwerfen. Scuderis Sohn Sal, der Unternehmen seit dem Tod seines Vaters im Jahr 2002 leitet (auch die sieben anderen Kinder von Carmelo sind Mitgründer des Unternehmens), setzt einen Druckluftspeicher auf die Maschine und entwickelt damit einen produktreifen Hybridantrieb. Die ersten US-Patente stammen von 2003.

Mit dem Bau erster Prototypen wird das Southwest Research Institute in San Antonio, Texas, betraut, das Ende 2007 einen Zweizylinder sowie einen Sechszylinder in Split-Cycle-Technik fertig haben will.

Im Juni 2008 stellt die Scuderi Group auf der MTZ-Konferenz in München einen Lufthybrid-Motor vor, dessen Prototyp im Rahmen einer Kooperation mit der Bosch Engineering GmbH weiterentwickelt werden soll. Durch den Einsatz eines kleinen und kostengünstigen Druckluftspeichers könnte die Gesamteffizienz um bis zu 50 % angehoben werden, insbesondere durch die Rückgewinnung der Bremsenergie sowie der Strömung des Abgasausstoßes. Außerdem gelingt es dem Unternehmen zusätzliche 20 Mio. $ für weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten einzuwerben, nachdem man ursprünglich mit einem Etat in Höhe von 15 Mio. $ gestartet war.

Auf dem SAE-Weltkongreß 2009 in Detroit wird ein Prototyp I vorgestellt, ein Vierzylinder-Benzinsaugmotor mit 1 Liter Hubraum, dessen Druckluft-Hybridfunktion bis zum dritten Quartal 2010 fertiggestellt werden soll.

Im März 2006 legt Lothar Hofer an der Karl-Franzens Universität Graz seine Diplomarbeit unter dem Titel ‚Ökonomische und energetische Potenziale des Luftdrucks als alternatives Antriebsmedium’ vor. In dieser beschreibt er auch ausführlich die Entwicklung eines Hochdruckluftfahrzeugs durch den Erfinder Peter Bammer, der sich zuvor mit der Optimierung von Wärmepumpen beschäftigt hat. Bammer entwickelt im Rahmen seiner 2003 gegründeten Firma AirComPower Energietechnik GmbH in Mistelbach, Niederösterreich, spezielle Hochdruckpaneele, die im Dach und in der Bodenplatte des Fahrzeugs installiert für die notwendige Temperaturdifferenz sorgen sollen, um den Differentialkolben und den Ölhydraulikmotor anzutreiben. Das Auto braucht daher keinerlei externen Treibstoff mehr, sondern bezieht seine Betriebsenergie aus den eigenen, im Fahrzeug befindlichen Luftdruckflaschen, die sich durch die Temperaturdifferenzen der Luft selbständig wieder auffüllen sollen.

Leider lassen sich keine aktuellen Informationen darüber finden, wie es mit dieser innovativen Idee seitdem weitergegangen ist, nachdem sie – laut Hofer – keinerlei ideelle oder finanzielle Unterstützung von Seiten der Industrie oder der EU erhalten hat. Allerdings scheint es einen Streit mit der etwas ominösen britischen Firma SensiTLive Ltd. in Bramhall, Chesshire, gegeben zu haben, über dessen Hintergründe ich bislang jedoch noch nichts herausgefunden habe.

Im Juni 2006 berichtet die Presse über den luftbetriebenen Motorroller von Narayan Prajapati aus dem indischen Dorf Bhanpur Kurdh, der vier Jahre Bauzeit und 150.000 Rupien in dessen Entwicklung gesteckt hat. Der Roller fährt allerdings nur 20 km/h, und es gelingt Prajapati auch nicht, die notwendige Förderung für eine Weiterentwicklung zu bekommen.

Lynn Dickerson aus Idaho wiederum, der zur gleichen Zeit mit seinem Konzept eines Luftdruck-betriebenen Busses in die Presse kommt, beschäftigt sich schon seit 35 Jahren mit diesem Thema. Umsetzen will der Erfinder seine Entwicklung in den Bussen des Transportunternehmens Ketchum Area Rapid Transit (KART).

Nach einer Patentanmeldung soll sein 45 kg schwerer Motor als nächstes in einem Isuzu Trooper Sportwagen getestet werden. Doch auch von diesem Projekt hört man später nichts mehr.

Die 2002 gegründete Firma AP Technologies Corp. (APT) in Nevada ist ein weiteres Unternehmen auf dem Markt der emissionsfreien Antriebstechnologien, das sich „in weniger als fünf Jahren (…) zu einem führenden Fahrzeughersteller in Europa und weltweit entwickeln“ will – so steht es 2006 jedenfalls auf der Homepage des Unternehmens. Die Forschungsabteilung ist im schweizerischen Chur angesiedelt. Kerngeschäft der APT ist die Entwicklung, Herstellung und Vermarktung umweltschonender und kostengünstiger Antriebstechnologien für Fahrzeuge und Boote auf der Basis von Druckluft, flüssiger Luft und Brennstoffzellen.

Die Idee und die Vorarbeit wird durch den Gründer Gerd Mattheiss gelegt, für die technische Umsetzung ist Klaus Herrmann verantwortlich, ein Ingenieur und Wissenschaftler, der sich bereits seit über 20 Jahren mit dieser Technologie auseinandersetzt. Möglicherweise bestehen auch Verbindungen zur MDI.

Wenn Luft entspannt wird, kühl sie sich stark ab. Bei allen Expansionsmotoren, gleich welcher Bauart, ist die Abkühlung ein Problem, da die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit dabei kondensiert. Es kommt zur Eisbildung und zur Verstopfung der Strömungskanäle durch ‚Raureif’. Auch können Bauteile verspröden oder Schmiermittel einfrieren. Druckluft mit Umgebungstemperatur und einem Druck von 300 bar kühlt sich bei freier Expansion so stark ab, daß einige Systembauteile Temperaturen von -40°C erreichen können. ATP löst das Problem durch eine Vorwärmung der Druckluft vor dem eigentlichen Expansionsprozeß. Die dafür benötigte Energie läßt sich zu einem großen Teil im Expansionsmotor selbst zurückgewinnen.

Insbesondere mit dem Umbau eines Smart fortwo in ein druckluftbetriebenes Fahrzeug will das Unternehmen beweisen, daß solche Fahrzeuge auch im praktischen Betrieb funktionieren. Die anfänglich erzielte Reichweite von ca. 50 km ist ein recht gutes Ergebnis, das aber noch weiter ausgebaut werden soll. Der Smart wird mit herkömmlichen Tauchflaschen betrieben, und der Motor erreicht eine Leistung von etwa 28 kW/h.

APT Druckluft-Cart

APT Druckluft-Cart

Das Antriebsystem von APT sei an Effizienz und Laufruhe weltweit kaum zu übertreffen. Da es sich bei dem Herzstück, dem Motor, um einen Drehkolbenmotor handelt, ist keine statische Aufladung wie bei Hubkolbenmotoren feststellbar. Es wird kein Öl zur Schmierung verwendet, und die Bauart des Motors ermöglicht eine Luftpolsterung der Kolben und der beweglichen Teile. Der 6-Zylinder benötigt lediglich 0,07 bar um die Reibung zu überwinden. Es würde also ausreichen, in den Motor hineinzublasen, um ihn in Drehung zu versetzen.

Laut dem Unternehmen gibt es weltweit keinen vergleichbar effizienten Rotationsmotor, der einen Wirkungsgrad von über 85 % erreicht. Das APT System sei damit um ein vielfaches effizienter als alle sonst bekannten Druckluftmotoren. Bislang können schon folgende fahrtaugliche Prototypen vorgeführt werden:

  • ·  ein stickstoffbetriebener GoCart
  • ·  ein druckluftbetriebener Smart
  • ·  ein druckluftbetriebener Pick-Up

Der GolfCar geht Bereits im August 2005 in Vorserie. Das 140 cm lange Kleinfahrzeug wiegt 110 kg, erlaubt eine Zuladung von 200 kg und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 25 km/h. Die Reichweite beträgt ca. 15 km. Kosten soll der Wagen ab Werk rund 4.000 €. Der ebenfalls Mitte 2005 fertiggestellte Pick-Up ist ein Fahrzeug mit 175 Liter Tankinhalt (bei 200 bar) und einer voraussichtlichen Reichweite von 200 km.

Ein weiteres Fahrzeug, an dem noch gearbeitet wird, ist mit Kevlar Karbon Druckluftbehältern von EADS in Frankreich ausgerüstet und soll mit ca. 300 Liter komprimierter Luft eine Reichweite von 200 km erzielen. Die Betankung erfolgt mittels Kompressor, wobei Energiekosten von ca. 2,80 € je ‚Tankfüllung’ entstehen. Die außerdem geplanten CityCars sollen anfänglich eine Reichweite von ca. 300 km aufweisen, mit dem Beginn der Serienproduktion rechnet man im 1. Quartal 2007.

2009 wird die im schweizerischen Zug angesiedelte AP Technologies Europe GmbH in den entsprechenden Branchendiensten als zwischenzeitlich gelöscht geführt, nähere Details sind nicht mehr herauszufinden, auch nicht, was aus dem druckluftbetriebenen Smart geworden ist.

Der amerikanische Erfinder und Fernsehmoderator Jem Stansfield baut 2008 im Auftrag des Magazins National Geographic ein Puch Moped auf Druckluft um, mit dem er pro Tankfüllung eine Strecke von knapp 12 km fahren kann, bei einer Geschwindigkeit von gut 28 km/h. Die zwei aus Kohlefasern hergestellten Hochdrucktanks (ursprünglich als Atemluftflaschen für Feuerwehrleute genutzt) lassen sich an jeder Tankstelle in Sekunden wieder auffüllen. Gezeigt wird der Umbau in der britischen TV-Dokumentation Planet Mechanics 2009 – wo er als weltweit erstes druckluftbetriebenes Motorrad bezeichnet wird.

2008 erfahre ich erstmals etwas über die Technologie der bereits 1994 gegründeten Firma Aeromovel Global Corporation (AGCO). Bei dem Konzept, das einer aufgeständerten Einschienenbahn ähnelt, wird völlig auf den Antriebsmotor verzichtet – zugunsten von stationären, elektrischen Druckluftgebläsen, die den Zug vorwärtsbewegen. Dabei wird eine Antriebseinrichtung verwendet, die von außen wie ein traditionelles Bahngleis aussieht, während in Wirklichkeit kleine Platten, die viereckigen Segeln ähneln, innerhalb eines angedichteten Luftkanals unterhalb des Wagen den Niederdruckluftstrom aufnehmen und von diesem voranbewegt bzw. gebremst werden.

Da die fahrerlosen Personentransport-Kabinen ohne viel technisches Equipment auskommen, sind sie sehr leicht, einfach und kostengünstig herzustellen. Außerdem können dadurch auch die Trägerstrukturen entsprechend kleiner dimensioniert werden.

Aeromovel Prinzip

Aeromovel (Prinzipgrafik)

Die erste empirische Umsetzung dieses pneumatischen Transportsystems erfolgt 1977 durch eine ca. 30 m lange Strecke mit einem provisorischen Fahrzeug für einen Passagier. 1978 erhält der Erfinder Oskar H. W. Coester das erste Patent in Großbritannien. Im Folgejahr wird im Rahmen einer Kooperation mit der Transportgesellschaft Empresa Brasileira de Transportes Urbanos (EBTU) und der Wissenschafts- und Technologiestiftung der Universität von Rio Grande do Sul der Bau einer 500 m langen Experimentalstrecke durchgeführt, auf der das System seine technische und wirtschaftliche Machbarkeit beweist.

1980 wird auf der Hannover-Messe in Deutschland ein kleines Testfahrzeug für 12 Passagiere installiert und betrieben, das innerhalb von neun Tagen 18.000 Menschen transportiert. Später wird das System im Assis Brazil Exhibition Park in Esteio betrieben. 1981 folgt der Vertrag zum Bau einer 1.025 m langen Pilotstrecke in Porto Alegre mit einer Kapazität von 300 Passagieren pro Wagen.

Nachdem 1982 für Tests bereits eine 100 m lange Strecke in Gravataí, sowie ein Fahrzeug für 150 Passagiere zusammengebaut sind, und auch der Bau der Aeromovel Pilotlinie in Loureiro da Silva Avenue beginnt, wird der Mittelzufluß abrupt unterbrochen. Um das Erreichte nicht aufgeben zu müssen, beschließt Coester die Linie auf 650 m zu verkürzen und nur eine einzelne Station zu bauen – auf eigene Kosten!

Das System in Porto Alegre wird 1983 eingeweiht, und ab 1984 werden mit einem Zug Demonstrationsfahrten für Passagiere durchgeführt. In einem Gutachten wird 1985 empfohlen, die Pilotlinie so weiterzuführen, wie sie ursprünglich entworfen wurde, und 1986 folgt die Unterzeichnung eines Vertrags mit der FINEP, um endlich die erste Meile der Pilotlinie zu komplettieren.

Ebenfalls 1986 besucht eine Regierungsdelegation aus Indonesien die Demonstrationsanlage in Brasilien, und 1988 erwirbt die P.T. Citra Patenindo Nusa Pratama Group die Rechte für den Bau eines 3,2 km langen Ringsystems. Dem kleinen Ingenieurbüro gelingt es mit Hilfe brasilianischer Ingenieure, das Projekt im Taman Mini Indonesia Indah (TMII) Themenpark in Jakarta in nur 8 Monaten und zu einem unschlagbar günstigen Preis von 9 Mio. $ zu verwirklichen. Damit ist ab 1989 das bislang größte Aeromovel-System mit sechs Stationen erfolgreich in Indonesien in Betrieb.

Die Betriebskosten sind ebenfalls gering und betragen nur etwa ein Viertel der Kosten vergleichbarer Beförderungssysteme. Der Gesamtenergiebedarf der TMII-Anlage beträgt nur 500 kW. Der Fuhrpark besteht aus zwei Doppelwagen für jeweils 104 sitzende Passagiere, sowie einem Wagen für 48 sitzende und 252 stehende Passagiere. Die Geschwindigkeit der Züge auf der in 5,5 m Höhe aufgeständerten und 3,2 km langen Strecke erreicht 50 km/h Spitze.

Es ist fast unglaublich – aber auch repräsentativ für die noch immer stattfindende Zensur gegenüber erfolgreichen Energie-Alternativen –, daß selbst gestandene Nahverkehrsexperten noch nie etwas von dem Aeromovel-Transportsystem gehört haben!

Aeromovel Design

Aeromovel (Design)

Auf der Homepage von AGCO werden als Kooperationspartner die Firmen Allen-Bradley und Reliance Electric des Rockwell-Konzerns sowie die Parsons Transportation Group angegeben, außerdem wird eine finanzielle Unterstützung durch die Investmentbank J.P. Morgan Chase erwähnt. Neben der Aeromovel Brazil in Porto Alegre gibt es eine Firmentochter Aeromovel USA in Westlake Village, Kalifornien, sowie eine Repräsentanz in Saudi-Arabien. Ein Besuch auf der interaktiven Homepage von Aeromovel Brazil ist trotz längerer Ladezeit und etwas monotoner Synthie-Musik zu empfehlen.

2001 wird eine Studie zur Anbindung des Salgado Filho International Airport an das U-Bahnnetz durchgeführt, 2004 setzt das brasilianische Ministry of Science and Technology eine Arbeitsgruppe zur Bewertung des Aeromovel Systems ein, 2007 wird eine weitere Studie durchgeführt, und 2008 wird das System dem Stadtbauministerium vorgestellt, um in die Planungen der Infrastrukturmaßnahmen zugunsten der Fußballweltmeisterschaft 2014 einbezogen zu werden.

2010 wird dann endlich eine Kooperation mit TRENSURB ins Leben gerufen, um den Salgado Filho Flughafen in Porto Alegre im kommerziellen Betrieb mit der Station Estação Aeroporto zu verbinden. Mit dem Bau wird im September begonnen, die geplanten Kosten betragen 29,8 Mio. R$ und die Inbetriebnahme soll in der zweiten Jahreshälfte 2011 erfolgen.

Doch nun weiter mit den aktuellen Meldungen des Jahres 2008:

Das Car-on-a-Stick Konzept des britischen Industriedesigners Ross Lovegrove aus London, das Anfang des Jahres veröffentlicht wird, soll fürs Vorwärtskommen einen geräuschlosen Hubkolben-Druckluft-Antrieb nutzen. Der luftige und transparente ‚Wagen’ besteht aus einer gigantischen Plexiglas-Blase mit großzügiger Einstiegsluke. Das Gefährt hat vier Räder und bietet Sitzplätze für vier Erwachsene in kreisförmiger Anordnung. Das Gepäck wird unter den Sitzen verstaut.

Gesteuert wird das Zukunftsmobil per Sprachbefehl und GPS-Navigation, ein Lenkrad ist nicht vorgesehen. Abstands-Sensoren verhindern Karambolagen und sorgen dafür, daß sich der Wagen in Bezug auf die anderen Verkehrsteilnehmer wie im Fluß fortbewegt. Zusätzliche Energie zum Laden seiner Batterien bezieht das Gefährt über sein Solar-Dach.

Car-on-a-Stick Grafik

Car-on-a-Stick
(Grafik)

Das Ungewöhnlichste an dem Konzept ist allerdings die Möglichkeit, es nach dem Einparken über eine hydraulisch ausfahrbare Stange in ein paar Meter Höhe zu hieven – daher auch der Name. Lovegrove will damit Parkplatz-Probleme lösen, außerdem soll der Wagen beim Parken überschüssige Energie ins örtliche Stromnetz einspeisen und über seine im Fahrzeugboden untergebrachten Scheinwerfer des Nachts als Straßenlaterne dienen. Wie das Ganze gegen Umkippen gesichert werden soll und ob es schon konkrete Pläne zum Bau des Wagens gibt, ist nicht bekannt.

Im Januar berichtet die Pravda über die Erfindung des 15-jährigen usbekischen Oberschülers Maruf Karimov aus Samarkand, der einen selbstnachfüllenden Druckluftwagen vorführt, der immerhin einige hundert Meter zurücklegt, wenn auch nur langsam.

Das clevere Design eines pneumatischen Fahrrads folgt im Februar. James Breaux, Absolvent der University of Louisiana in Lafayette, entwirft ein Rad mit dem Namen Kompressor, das anstatt einer Kette komprimierte Luft zum Antrieb nutzt, welche durch den Kurbelbetrieb der Pedale erzeugt wird. Außerdem gibt es eine Energierückgewinnung, denn wenn es bergab geht, wird Druckluft in der Hauptkammer des Rahmens gespeichert, die durch ein Schwungrad, welches als Luftbremse wirkt, erzeugt wird. Beim bergauf radeln liefert die gespeicherte Luft dann zusätzlichen Schub.

Interessanterweise gibt es Vorläufer für diese Technologieumsetzung, z.B. das US-Patent (Nr. 582.346) von Jackson Deneal aus dem Jahr 1897, das US-Patent (Nr. 610.956) von Zachaeiah T. Ubil aus dem Jahr 1898, oder das US-Patent (Nr. 596.901) von David A. Moore, ebenfalls aus dem Jahr 1898. Da der Wirkungsgrad im Vergleich zum konventionellen Kettenantrieb mit seinen fast 99 % nicht konkurrenzfähig ist, scheint es nie zu tatsächlichen Umsetzungen dieser und vermutlich noch weit mehr ähnlicher Patente gekommen zu sein.

Deneal-Patent

Deneal-Patent

Im April 2008 kommt eine der eher seltenen Meldungen aus Afrika, wo der frühere Luftfahrtingenieur der Ghana Air Force, Freddie Green, einen druckluftbetriebenen Stromgenerator vorstellt, an dem er bereits seit 1994 arbeitet. Der Erfinder und Besitzer der Firmen Green Inventions und Green Innovations ist schon 1988 für den Black Inventors Award und 1989 für den Toshiba Year of Invention Award nominiert worden. Über weitere Fortschritte der Erfindung Greens konnte ich allerdings nichts finden.

Fünf Studenten der kanadischen Dalhousie University bauen im Juni 2008 einen konventionellen Go-Kart zum Betrieb mit Luftdruck um und stellen ihn auf der Renn-Kartbahn des Bayer’s Lake Business Park vor. Das Gefährt erreicht eine Geschwindigkeit von 43 km/h, muß jedoch bereits nach nur kurzer Fahrzeit wieder aufgefüllt werden. Aufgrund der mangelnden Emissionen bietet es sich trotzdem als sinnvolle Alternative für Hallen-Rennbahnen an. Und im Gegensatz zu elektrischen Go-Karts läßt sich die Luft auch innerhalb kürzester Zeit wieder nachtanken.

Im Oktober 2008 gibt die Firma Magnetic Air Cars Inc. (früher: Zero Pollution Motors Inc.) aus San Jose, Kalifornien, die Entwicklung eines brennstofflosen Fahrzeugs bekannt, das man bis 2010 marktreif haben will. Der von Paul Donovan erfundene Wagen besitzt drei On-Board-Untersysteme, die Druckluft gewinnen. Der daraus resultierende Luftstrom wird umgeleitet, verändert und in einen ‚magnetischen Drehmoment’ konvertiert, welcher das Auto antreibt. Zusätzlich besitzt das Auto eine Silizium-Salz-Batterie, die 30 % mehr Strom als eine Bleiakkumulatorbatterie gleicher Masse beinhaltet und innerhalb einer Stunde wieder aufgeladen werden kann. Mit ihr wird der Magnetmotor des Wagens gestartet, der wiederum einen kleinen Kompressor antreibt. Im Originalton behauptet das Unternehmen: „Our engineers have developed a solution for manufacturing air while the vehicle is in motion which may provide an unlimited driving range.” Möglich wird dies durch den Einsatz von drei luftgelagerten Turboladern zur Erzeugung mechanischer Energie aus Druckluft. Außerdem werden Super-Kondensatoren, magnetische Generatoren und die Solarenergie und das Gesamtkonzept integriert.

Ein erster Prototyp des Air Car soll ab 2008 am Club Auto Sport in San Jose gebaut werden, doch beim Update dieses Kapitels Ende 2010 ist nichts darüber zu finden.

Anfang 2009 meldet die Presse, daß Forscher um Prof. Lino Guzzella an der ETH Zürich einen Hybrid-Benzinmotor entwickeln, der Energie als Druckluft statt in einem Batterieblock speichert und rund 30 % Treibstoff gegenüber dem reinen Benzinmotor einspart. Der pneumatische Hybridantrieb verfügt über einen Drucklufttank, der an den Motor angeschlossen ist. Beim Anfahren oder nach dem Schalten strömt Druckluft in den Motor und treibt die Kolben an. Der pneumatische Hybrid erreicht zwar nur ca. 80 % der Treibstoffeinsparung eines Elektrohybrids, kostet aber viel weniger als dieser, da das pneumatische System nur eine Steuerung, ein extra Ventil in den Zylindern und einen Lufttank benötigt, alles andere läuft über den regulären Motor.

Das Konzept stößt in der Branche auf großes Interesse. Guzzella ist eine Koryphäe auf dem Gebiet der Brennstoffreduktion bei Fahrzeugen. Der Wasserstoff-betriebene PAC-Car II des ETH-Teams fährt beim Shell Eco-marathon in Ladoux, Frankreich, im Juni 2005 umgerechnet sage und schreibe 5.385 km mit einem Liter Benzin – was natürlich ein Weltrekord ist. An einem weiteren Hybridrennwagen arbeitet ein Team unter dem Projektleiter Ismail Abou-Zeid. Darüber mehr in den Kapiteln zur solaren und elektrischen Mobilität sowie im Kapitel Wasserstoff.

Die im Jahr 2000 von Dennis Bischof und Pascal Schreier in Port Charlotte, Florida, gegründete Firma Solution Hybrid LLC kommt im Februar 2009 in die Fachblogs, als das Unternehmen bekanntgibt, die Entwicklung eines Druckluft-Hybrids zu 90 % beendet zu haben. Der 2-Kammer-Motor hat 12 PS und wird erfolgreich in Booten und SUV’s getestet.

Solution Hybrid Motor

Solution Hybrid Motor

Auf mehreren US-Messen 2008 und 2009 präsentieren Mark Tanner und seine Firma EF9 Energy Systems eine Druckluftturbine, die mit nur 10 PS Input eine Outputleistung von 81 PS erreichen soll. Was natürlich eine verblüffende Behauptung darstellt, denn bislang gibt es noch keine Erklärung dafür, aus welchem Reservoir diese zusätzliche Leistung geschöpft wird – die Tanner als ‚barometrische Energie’ bezeichnet. Die Steigerung des Outputs hängt irgendwie mit der speziellen Durchleitung von Luft durch die Turbine, mit dem atmosphärischem Druck und dem Bernoulli-Effekt zusammen.

Tanner erklärt den Effekt damit, daß die Atmosphäre der Erde als Energie-Zwischenspeicher fungiert, welcher expandiert und in dem schmalen Kanal der Turbine einen Windstrom verursacht, der die Rotorblätter dreht. Die Atmosphäre versucht mit der gleichen Geschwindigkeit in die Turbine zu strömen, mit welcher der Luftstrom wieder herausströmt. Druck und Wärme der Atmosphäre können so direkt in Strom umgewandelt werden. Eine unabhängige Bestätigung der Technologie steht allerdings noch aus.

Eine im November 2009 publizierte Studie der University of California in Berkeley kommt zu dem Schluß, daß Druckluft-Autos selbst unter sehr optimistischen Annahmen deutlich weniger effizient als Batterie-Elektrofahrzeuge sind und sogar mehr Treibhausgase produzieren als ein herkömmliches Benzin-Auto mit einem intensiven Kohle/Strom-Mix. Die Druckluft-Energiespeicherung auf der Ebene einzelner Fahrzeuge ist außerdem eine relativ ineffiziente Technologie. Das Hauptproblem sei allerdings, daß Druckluft weniger als 1 % des Energiegehalts von Benzin aufweist. Ein pneumatischer Verbrennungs-Hybrid ist demgegenüber technologisch machbar, preiswert und kann auch mit Elektrohybrid-Fahrzeugen konkurrieren.

Ende 2009 wird in den Blogs über eine Erfindung von Kanak Gogoi aus dem indischen Guwahati berichtet, bei der es sich um ein 120 km/h schnelles Fahrzeug namens Pawan Ex handelt, das mit einer Kombination aus drei Motoren betrieben wird: Einem Maruti Suzuki Motor (der Maruti 800 ist der in Indien am weitest verbreitete Kleinwagen), einem 100 ccm Motorrad-Motor sowie einem dritten Motor, der mit Druckluft betrieben wird. Ein Versuch, den Großkonzern Tata für die Umsetzung seiner Erfindung zu begeistern, scheitert allerdings. Möglicherweise, weil sich dieser bereits bei der MDI engagiert hat (s.o.).

Pawan Ex Druckluftauto

Pawan Ex Druckluftauto

Gogoi hat bereits 1997 ein ,Schwerkraft-betriebenes’ Fahrrad erfunden, bei dem potentielle Energie (das Gewicht des Radlers auf dem Sattel) über eine Stahlfeder gespeichert und anschließend in Vortrieb umgewandelt wird. Unter vielen weiteren Erfindungen gibt es ein Solarhybrid-Auto, ein Luftkissenboot, ein Wasser-Fahrrad sowie eine Vorrichtung, bei der darüber fahrende Autos Strom erzeugen (s.a. Straßengeneratoren).

Anfang 2010 folgt die Meldung über das Compressed Air Rotary System (CARS) einer Gruppe von vier Studenten im Abschlußsemester des P. A. Aziz College of Engineering and Technology. Ihr kolbenloser, reibungsarmer Druckluftmotor hat sechs Kammern, besteht aus nur 14 Teilen, ist aus Aluminium und wiegt weniger als 14 kg. Mit seinen 80 ccm soll er ein Fahrzeug auf bis zu 60 km/h beschleunigen können. Der Druck im Tank beträgt 30 bar. Die Herstellung hat das Team umgerechnet nur 562 $ gekostet.

Im März erhält der Motor auf der Bangalore International Auto Expo eine Auszeichnung – außerdem vergibt die in Hyderabad beheimatete Firma Emar Automotives prompt einen Auftrag für 50 Stück des neuen Motors, welche die Studenten innerhalb eines Jahres liefern sollen.

Ebenfalls aus Indien stammt das mathematisch erarbeitete Konzept eines Motorrads, dessen kleine Luftturbine mit Druckluft betrieben wird und eine Fahrzeit von 40 Minuten erlaubt. Es stammt von den Wissenschaftlern Bharat Raj Singh und Onkar Singh vom SMS Institute of Technology in Lucknow und erscheint Mitte 2010 in der Presse. Die beschriebene Turbine hat eine Leistung von 4 kW, von einer Umsetzung ist noch nichts bekannt.

Studenten der Michigan Technological University kommen im April 2010 mit einem Luftdruck-betriebenen Moped in die Presse. Das auch per Pedal anzutreibende Gefährt wirkt durch seine übergroßen Tanks allerdings recht behäbig. Seine Höchstgeschwindigkeit beträgt etwa 20 km/h, die maximale Reichweite 2,5 km.

Luftdruck-Mopedder Uni Michigan

Luftdruck-Moped
(Uni Michigan)

Im Mai 2010 stellt Greg Puckey aus Johnstown auf der Green Energy Fair einen 1-Zylinder-Druckluftmotor, der mit Heißdruckluft betrieben wird. Der Kolbenmotor ist ein umgebautes Modell Wisconsin von 1938, und der Erfinder arbeitet seit 1973 an seinem inzwischen auch patentierten System, in das er bereits mehr als 100.000 Arbeitsstunden investiert hat.

Ein weiterer Inder, der (aus Schrott) ein funktionierendes Druckluftwägelchen mit immerhin 8 PS baut, ist der Student K. Nanjundaiah aus einem kleinen Ort in der Nähe von Bangalore. Langfristig möchte der Erfinder sein gesamtes Dorf mit Druckluft energetisch versorgen.

Im Oktober und November 2010 erscheinen Meldungen über verschiedene neue Konzepte und Designs etablierter Autoproduzenten, die alle mit Druckluft zusammenhängen.

Den Beginn macht ein Leichtbau-Fahrzeug von Honda, mit dem sich das Unternehmen an dem ‚1.000 Pound’ Designwettbewerb der LA Auto Show 2010 beteiligt, bei dem es darum geht, ein Fahrzeug von nicht mehr als 500 kg zu skizzieren. Das ultraflache Honda Air Konzept soll weniger als 450 kg wiegen und bis zu 4 Personen transportieren können.

Vollständig von Druckluft und einem pneumatischen Steuerungssystem betrieben, nutzt das Fahrzeug Turbosauger und die Strömung der Außenluft, um dem Flaschendruck zu regenerieren. Die mögliche Reichweite wird auf 160 km geschätzt. Ab einer Geschwindigkeit von 100 km/h sollen kleine Turbinen für zusätzlichen Druck auf die Straße sorgen. Das Chassis dient gleichzeitig als Tank, und alle Komponenten, einschließlich der Sitze, sind an den zentralen Chassis/Tank montiert, um redundante Struktur zu vermeiden und das Gesamtgewicht zu reduzieren.

Honda Air Grafik

Honda Air (Grafik)

Auch Volvo beteiligt sich an dem Wettbewerb der LA Auto Show mit einem Leichtbau-Druckluft-Fahrzeug im Maßstab 1:4, dem Air Motion. Mit einem geplanten Gewicht von nur 453 kg würde die Designstudie weniger wiegen als eine Formel 1 Rennwagen. Das ebenfalls für vier Personen gedachte Fahrzeug aus ultraleichten Kohlefasern besitzt nabenlose Reifen und ist mit leistungsstarken Druckluftmotoren ausgestattet. Das Konzept geht jedoch noch weit darüber hinaus:

Zur Komprimierung der Luft für den zentral montierten Lufttank das Wagens werden Luftauffüllstationen eingerichtet, die von Luftturbinen angetrieben werden, die gut 300 m hoch über der Erde schweben sollen. Sie nutzen die Windkraft und verwandeln sie in Elektrizität für die Kompression, um den Volvo Air Motion völlig emissionsfrei zu bewegen. Entwickelt wurde der offene Wagen im Volvo Monitoring and Concept Center (VMCC) in Camarillo, Kalifornien.

Cadillac Aera Grafik

Cadillac Aera (Grafik)

Die GM-Marke Cadillac präsentiert wiederum einen Designbeitrag namens Aera. Auch dieses ist ein Leichtbau-Fahrzeug, das mittels Druckluft angetrieben werden soll. Technisch und von Seiten der Ausstattung ähnelt das Konzept seinen beiden Vorgängern, überraschen tut allerdings die erwartete Reichweite von 1.600 km, die einem Lufttank mit einer Maximalladung von 10.000 Psi zu verdanken ist. Dieser versorgt eine Turbine mit der nötigen Energie, um den Flitzer auch adäquat zu beschleunigen. Die gesamte Fahrzeugelektronik ist kabellos und reduziert zusätzlich das Gewicht, während das Exoskelett aus einem Stück aus hochmodernen Verbundmaterialien geformt wird.

Es bleibt abzuwarten, ob von diesen Designs etwas umgesetzt wird. Auch ob die genannten Unternehmen selbst überhaupt an Luftdruckfahrzeugen arbeiten, konnte ich bislang nicht herausfinden.

Eine sehr engagierte Seite zum Thema Druckluftantriebe stammt von Scott Robertson aus Lake Oswego, Oregon (Englisch): http://www.aircaraccess.com

Und schon selber spielen kann man mit einem Druckluft-betriebenen Modellauto Dragster, das in den USA vertrieben wird. In Deutschland hat es früher auch Spielzeugraketen gegeben, die mit Druckluft ‚abgehoben’ sind.  

Neben der Luft als Speichermedium gibt es aber noch eine Reihe anderer Medien und Technologien, die als nächstes betrachtet werden sollen.

Vakuum-Fahrstuhl

Daß die früher weit verbreitete Rohrpost mittels Druckluft betrieben wurde, dürfte allgemein bekannt sein. Ebenso gab es im Verlauf des letzten Jahrhunderts diverse Vorschlage, Hochgeschwindigkeitszüge durch Rohre zu schicken – und zu deren Antrieb ebenfalls Druckluft zu verwenden. Das ‚Gegenteil’ dieser Druckluft ist ein Vakuum – deshalb soll die folgende Technologie auch an dieser Stelle erwähnt werden.

Vacuum Elevator

Vacuum Elevator

2002 wird in Miami, Florida, die Firma Pneumatic Vacuum Elevators LLC (PVE) gegründet, welche die Idee in einem völlig neuen Segment umsetzt und pneumatische Fahrstühle entwickelt und weltweit vertreibt. Das Unternehmen bezeichnet sich als das weltweit einzige mit einem derartigen Angebot zum vertikalen Transport von Menschen und Gütern.

Die innovative PVE bietet gegenwärtig (2010) drei verschiedene Modelle ihrer patentierten Vakuum-Aufzüge an: für eine Person, für bis zu drei Personen und für Rollstühle. Das Einzel-Passagier-Modell hat beispielsweise eine Kapazität von 159 kg und eine Kabine mit nur 52 cm im Durchmesser. Der Transport erfolgt quasi in einer Luftkapsel und ist für zwei bis vier Stopps geeignet, da die maximale Höhe auf 10,7 m begrenzt ist.

Bei den Aufzügen werden nur Materialien und Komponenten erster Qualität verwendet, um den Wartungs-, Ersatzteil- und Reparaturbedarf möglichst gering zu halten. Auch eine Schmierung ist nicht erforderlich. Die Installationszeit beträgt 6 – 8 Stunden, es sind keine Ausschachtungen, kein Aufzugsschacht und keine teure Infrastruktur erforderlich. Bei Abstieg der Kabine gibt es gar keinen Energieverbrauch, und auch während des Aufstiegs erfolgt nur ein geringer Verbrauch durch 220 V-Turbinen. Weitere Features sind der 360° Panoramablick, eine sehr hohe Sicherheit bei Stromausfall und freiem Fall und ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis.

Das System besteht aus drei Komponenten, dem Außenzylinder, der Aufzugskabine und dem Saugsystem. Der Zylinder ist eine transparente und freitragende Röhre, die um eine speziell entwickelte Aluminium-Struktur herum aufgebaut ist und aus gebogenen Polycarbonatplatten besteht. Die Kabine läuft im Inneren des Zylinders entlang Schienen, die einen Teil der selbsttragenden Struktur des Zylinders bilden. Auch die Wände der Kabine sind aus transparentem Polycarbonat hergestellt. Das Dach des Rohres ist aus Stahl und beinhaltet das technische Equipment wie luftdichte Verschlüsse, Saugventile, die Steuerung usw.

Im Vergleich zu herkömmlichen Fahrstühlen ist der Vakuum-Lift allerdings relativ langsam, er bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von nur 15 cm pro Sekunde

Druckgas-Speicher

Eine bisher noch wenig beachtete Möglichkeit der Energiespeicherung besteht in der Kompression von Gas. Die Nutzung von Druckgas ist in der Technik weit verbreitet, doch bedingt durch Kompressions- und Reibungsverluste beträgt der Gesamtwirkungsgrad für einen Druckgasspeicher bei Nutzung der vorhandenen Druckgastechnik nur etwa 9 %.

Als Druckgas werden alle Stoffe und teilweise auch Stoffgemische bezeichnet, deren kritische Temperatur unter 50°C liegt, deren Sättigungsdampfdruck bei 50°C über 300 kPa, oder deren Dampfdruck bei 15°C über 200 kPa beträgt (Bundesarbeitsblatt 03/1985).

Die 2002 gegründete Firma rosseta Technik GmbH in Roßlau (s.u. Schwungradspeicher) beginnt im Mai 2003 mit der Entwicklung einer einfachen Versuchsanlage, die aus einem 50 l Druckgas-Speicher, einer Motor-Pumpeneinheit und einem Ausgleichsbehälter für Flüssigkeiten besteht. Die speicherbare Energiemenge bei 250 bar Enddruck beträgt 150 Wh.

Druckgas-Speicher Versuchsanlage

Druckgas-Speicher

Aufgrund des Vorschlags von Ivan Cyphelly aus der Schweiz, in den Kompressionsprozeß eine Flüssigkeit als Wärmepuffer einzubeziehen, soll sich der Wirkungsgrad der Kompression von etwa 55 % auf 95 % erhöhen. Auf der VDI-Tagung Energiespeicher 2002 empfiehlt Cyphelly, als Druckbehälter die üblichen Stahldruckflaschen zu nutzen. Durch eine Hydraulikpumpe wird Öl aus einem Vorratsbehälter in die Flaschen gepumpt und der dort vorhandene Stickstoff komprimiert. Sofern die Energie wieder benötigt wird, kann der Stickstoffdruck die Hydraulikeinheit antreiben, die dann über einen Generator mit Hilfe einer Elektronik die Energie bereitstellt.

Auf ihre Leistungsfähigkeit in einem Druckgasspeicher werden daraufhin zwei verschiedene Stoffsysteme untersucht, und zwar Stickstoff/Öl und Druckluft/Wasser. Es zeigte sich, daß der Druckgasspeicher besonders für langsame Speichervorgänge geeignet ist, da die Verluste durch die Erwärmung des Gases bei der Kompression bzw. Abkühlung bei Entspannung in diesem Fall ziemlich gering sind. Die hier abgebildete Versuchsanlage stammt aus dem Jahr 2003.

Der Vorteil der Anlage gegenüber z.B. Bleibatterien besteht in der wesentlich größeren Lebensdauer unabhängig von der Anzahl und Tiefe der Entladungen. Da die Anlagen allerdings groß und schwer sind, kommt als Anwendung vor allem der stationäre Einsatz zur Strom-Speicherung alternativer Energiequellen wie Solarzellen in Frage, insbesondere in Fall von Inselnetzen. Der Speicher hat eine fast unbegrenzte Lebensdauer und kennt keine Selbstentladung. 

Auf der Hannover-Messe 2004 stellt das Unternehmen einen Druckgas-Speicher vor, der künftig mit einem Energieinhalt von 2 kWh und einer Leistung von bis zu 4 kW auf den Markt kommen soll.

2005 will das Unternehmen mit dem Aufbau einer ersten Prototypanlage beginnen. Bei der Auslegung und Fertigung der Komponenten für den Stickstoff/Öl-Speicher zeigt sich jedoch, daß dieses System eine zu geringe Leistungsfähigkeit hat und auch viel zu hohe Kosten verursacht. Ab 2007 konzentriert man sich daher auf den Druckluft/Wasser-Speicher. Von weiteren Entwicklungsschritten oder Umsetzungen ist bislang nichts bekannt geworden.

Flüssiger Sauerstoff

Daß auch flüssiger Sauerstoff als Speichermedium zum Antrieb eines Fahrzeugs dienen kann, beweist als erster der Südtiroler Astronom, Schriftsteller und Pionier der Raketentechnik Max Valier (1895 – 1930). Nach dem ersten Weltkrieg arbeitet er als Wissenschafts- und Science-Fiction-Autor und veröffentlicht u.a. die Erzählung ‚Spiridion Illuxt’, in welcher er die Atombombe vorhersagt. 1927 gewinnt er Fritz von Opel als finanzkräftigen Förderer und entwickelt zusammen mit diesem ab 1928 eine Reihe von Versuchsfahrzeugen, die mittels Pulverraketen angetrieben werden. Im Februar 1929 gelingt Valier auf dem zugefrorenen Starnberger See ein Geschwindigkeitsrekord von 378 km/h (andere Quellen: über 400 km/h) – mit dem unbemannten Raketen-Bobschlitten RAK BOB 2.

Parallel dazu entwickelt Valier auch Flüssigkeitstriebwerke. Als Vorstufe und zu Demonstrationszwecken läßt er bei der Firma Möllers aus Essen zunächst einen Rückstoß-Versuchs-Wagen RAK 4 bauen, dessen Kohlensäure-Dampfstrahlrückstoßmotor das leichte Fahrzeug auf bis zu 90 km/h beschleunigt, wie er ab September 1929 mehrfach vorführt. Mit Hilfe der Ingenieure Walter Riedel und Arthur Rudolph und der Finanzierung durch den Industriellen Dr. Paul Heylandt beginnen Anfang 1930 Versuche mit einfachen Brennkammern, die mit flüssigem Sauerstoff und verdünntem Spiritus betrieben werden.

Schon im März 1930 erreicht das Triebwerk Modell 1 eine Schubkraft von 78,5 N – genug, um den Versuchswagen RAK 6 in Bewegung zu setzen. Bereits Mitte April 1930 liefert der Raketenmotor einen Schub von 274,7 N über eine Brenndauer von 10 Minuten, und aus dem RAK 6 wird mit dem neuen Triebwerk der Valier-Heylandt Rückstoß-Versuchswagen Rak 7 , der u.a. auf dem Flughafen Tempelhof mehrmals öffentlich vorgeführt wird und eine Geschwindigkeit von etwa 144 km/h erreicht. Der Wagen hat zwei Tanks, einer wird mit extrem gekühltem, verflüssigtem Sauerstoff befüllt, der andere mit dem Kraftstoff Benzin, Benzol, Öl oder Spiritus. Aus der Brennkammer schießt nach der Zündung eine fast 2 m lange Flamme, deren Rückstoß den Wagen mit geschätzten mehr als 200 PS nach vorn katapultiert. Valier betrachtet das Raketentriebwerk aber nicht als neuartigen Fahrzeugantrieb, sondern als Anfang der Entwicklung eines Motors für ein Stratosphären-Schnellverkehrsflugzeug.

Valier-Heylandt Rak 7

Valier-Heylandt Rak 7
( im Deutschen Museum)

Auf einer Vortragsreise in die Schweiz lernt Valier im Februar 1930 Sir Henry Deterding kennen, Generaldirektor der finanzstarken Royal Dutch Shell Company. Deterding stellt Valier die Unterstützung für die Weiterentwicklung des Flüssigkeitsraketenmotors und den Bau eines Raketenflugzeugs in Aussicht, wenn dieser als Brennstoff Shell-Öl nutzt.

Ende April 1930 beginnt Valier, die Verwendung von Paraffin (o. Heizöl?) als Brennstoff zu untersuchen und einen Raketenofen für das neue Treibstoffgemisch zu konstruieren, doch Mitte Mai kommt es zu einem folgenschweren Unfall: Während eines Testlaufs im Labor explodiert eine Brennkammer und ein Splitter verletzt Valier tödlich. Er wurde nur 35 Jahre alt und gilt als das erste Todesopfer der Raumfahrttechnik.

Stickstoffmotoren und -speicher

Ca. 78 % der Atemluft besteht aus gasförmigem Stickstoff, wobei 1 Kubikmeter ca. 1,25 kg wiegt. Bei minus 197°C wird gasförmiger Stickstoff flüssig und verkleinert dabei sein Volumen bis zum 800sten Teil. Flüssiger Stickstoff wird mit Hilfe von Verdichtern (Kompressoren) und Tieftemperatur-Rektifikationsanlagen (Gasabscheidern) hergestellt. Die aufgewendete Leistung zur Erzeugung von einem Liter flüssigen Stickstoff beträgt je nach Anlagentyp derzeit zwischen 250 und 380 W.  

Alleine in Deutschland gibt es über 1.400 Stickstoff Tankstellen, womit die Versorgung mit flüssigem Stickstoff daher für so gut wie jedermann zugänglich ist. Dies macht den Einsatz des Mediums als Zwischenspeicher für mobile Konzepte besonders sinnvoll – neben dem Argument seiner Umweltverträglichkeit (Stand 2007). 

Der 1988 verstorbene Harold L. Boese, der als Vater der Cyrogenik gilt, soll in den 1960er Jahren einen Stickstoffmotor als Reservesystem für den Lunar Rover der NASA entwickelt und gebaut haben. Später wird die Cryogenics Unlimited Corporation gegründet, um eine Vermarktung des Motors zu erreichen, was jedoch nicht klappt. Versuche werden mit einem umgebauten Ford Pinto Station durchgeführt, der später in der Garage eines Mitfinanziers verrottet. Weitere Informationen habe ich darüber bislang nicht gefunden.

Wissenschaftler der University of Washington in Seattle, Washington, entwickeln 1997 den Prototyp eines Smogmobils, dessen Motor mit flüssigem Stickstoff betrieben wird. Der eiskalte Stoff erwärmt sich, beginnt bei einer Temperatur von minus 196°C zu kochen und treibt als Gas den Motor wie eine Dampfmaschine. Dem Team um Prof. Abe Hertzberg gelingt es auch, das Problem der Vereisung von Antriebteilen zu umgehen.

Der auch LN2000 genannte Wagen, der äußerlich aus einem alten Grumman Kubvan Postfahrzeug besteht, kommt mit einem vollen 75 l Tank allerdings nur 4 km weit, und die Höchstgeschwindigkeit mittels seines 15 PS Luftmotors beträgt 35 km/h. Der durch Studenten erfolgte Umbau wird von Department of Energy (DOE) mit 360.000 $ gefördert, doch das Projekt wird wegen mangelnder Finanzierung nicht mehr weitergeführt. Eigentlich sollte ein weiterentwickeltes Fahrzeug bis zu 400 km weit fahren können. Hertzberg stirbt im Jahr 2003.

Ebenfalls 1997 wird an der University of North Texas und mit Unterstützung des Texas Advanced Technology Program ein mit Flüssig-Stickstoff betriebener Wagen namens CooLN2Car gebaut, der von einer Cryogenic Heat Engine (C-H) voranbewegt wird, die alternativ auch mit verflüssigter Druckluft arbeiten kann. Mit einem vollen 48 Gallonen Tank kommt das Gefährt etwa 25 km weit, bei einer Geschwindigkeit von rund 30 km/h. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt über 55 km/h.

CooLN2Car

CooLN2Car

Es ist geplant, das C-H-System auch zur Stromerzeugung weiterzuentwickeln und damit ein Elektrofahrzeug anzutreiben, das eine Reichweite von 200 km haben soll. Die Stickstoff-Verflüssigung soll mittels Solarenergie erfolgen. 2006 wird noch immer an dem Projekt gearbeitet, Details über die Fortschritte sind jedoch nicht zu finden.

Über ein drittes Stickstoff-Fahrzeug, das an der University of Washington entwickelt wird, habe ich bislang leider keine näheren Informationen finden können.

Im August 2000 berichtet die Presse in den USA über die Erfindung des aus New York stammenden, pensionierten Ingenieurs George Schmidt (inzwischen in Las Vegas), dessen futuristischer und mit Stickstoff betriebener Wagen den ersten Preis des Automobiles for the New Millennium (2050) Designwettbewerbs des Motor Trend Magazine gewinnt und auch auf der California International Auto Show in Anaheim präsentiert wird.

Es scheint jedoch bei den reinen Designs geblieben zu sein, denn es wird weder von einer Umsetzung noch von weiteren Entwicklungsschritten berichtet.

Der Erfinder Heinrich Schmid aus dem bayerischen Deggendorf stellt 2003 den nach seinen Angaben ersten kommerziellen Stickstoff-Motor der Welt vor, an dem er seit 1999 arbeitet. Im März 2003 gründet der frühere Fachlehrer, der einen Fundus von 71 Einzelpatenten besitzt, eine Firma mit 14 Mitarbeitern. Eingetragener Sitz der N-GINE Corp. ist in Westlake Village, Kalifornien, da Schmid dort an die Börse gehen will. Eine Anschubfinanzierung über 0,5 Mio. € stellen Privatanleger über einen Investmentfonds sicher. Schmid beschäftigt sich außerdem mit unterirdischen Druckluftspeichern, Wellenkraftwerken, dem Brown’s Gas Generator u.a.m.

Der Motor, der in Amerika produziert werden soll, arbeitet mit in einem Hochvakuumbehälter gespeicherten und auf minus 197°C heruntergekühlten Flüssig-Stickstoff, der bei Umgebungstemperatur wieder verdampft und die gespeicherte Energie – ähnlich wie bei einen Duckluft-Motor – als mechanische Energie abgibt.

Stickstoffmotor-Boot

Stickstoffmotor-Boot

Der Motor wird in einem Boot auf der Donau getestet, außerdem liegt Schmid bereits ein Auftrag vor, für das Michael-Schumacher-Kart-Center in dessen Heimatstadt Kerpen zunächst fünf Kart-Modelle auf Stickstoff-Antrieb umzubauen.

Im Februar 2004 erhält N-GINE auf der SEATEC-Messe in Carrara, Italien, den Qualitec Award, und im September wird der Prototyp eines mit Stickstoff betrieben Golf-Wagens präsentiert. Außerdem wird ein Motor von der Größe einer Schuhschachtel vorgestellt, der rund 60 kW Leistung haben soll, pneumatisch kontrolliert wird und nicht mehr als drei bewegliche Teile besitzt. Er hat keine Ventile und startet selbständig. Ende des Jahres soll es bereits 17 voll verkaufsfähige Prototypen geben.

Weitere Neuigkeiten gibt es erst im Rahmen eines Interviews von 2007, nachdem der Erfinder durch dubiose Spekulanten aus dem Umfeld von Halliburton/Bush Senior (wie Schmid vermutet) in den Ruin getrieben worden ist, und Insolvenz anmelden mußte, obwohl sein Unternehmen bereits Aufträge für rund 7 Mio. € vorweisen konnte. Neben Schmids Eigenkapitaleinsatz von 0,9 Mio. € geht dabei auch ein Fremdkapitaleinsatz von Aktionären in Höhe von 2,9 Mio. verloren.

Heinrich Schmid meldet sich nach der Veröffentlichung des Buches der Synergie Anfang 2009 bei mir und stellt einige Informationen richtig, die ich gerne wiedergebe. Sein Stickstoffmotor benötigt für eine Laufleistung von 100 km bei einem Wagengewicht von 1.000 kg und 80 Km/h Durchschnittsgeschwindigkeit nur 27 Liter Stickstoff zum Preis 1,22 €/l.

Schmid schreibt weiter: „Ich habe (auch) mehrere Monate (1998/1999) mit Guy Negrè zusammengearbeitet und mußte mit Entsetzen feststellen, daß das gesamte Konzept auf Betrug basiert und der ‚Druckluftmotor’ hier nach 500 km komplett zerstört ist (statische Entladungen im Motordruckraum von bis zu 60.000 V).“ Von der Firma APT behauptet er, illegal Aktien verkauft und einen ebenfalls gestohlenen Motor eines Erfinders namens Gail (?) genutzt zu haben.

Besonders übel ist, daß Mike Brady (der übrigens im März 2010 wegen eines fingierten Magnetsmotors und mehrfachen Betruges verhaftet und bald darauf rechtskräftig verurteilt wird), alle Entwicklungsdaten, Entwürfe und Vorarbeiten des Stickstoffmotors von Schmids Rechner klaut und anschließend behauptet, diesen selbst erfunden zu haben.

Auf seiner Homepage behauptet Brady 2007 tatsächlich: „The team at Perendev has developed a recyclable nitrogen engine. This motor, measuring 175 x 150 mm is capable of producing 60 kW of power. We estimate that 25 liters of nitrogen is enough for 1.600 km without refuelling.” Dieser Motor arbeitet mit einem Druck von nur 3 bar, erreicht eine Umdrehungszahl von 2.900 U/m und soll in einem Laboratorium der European Aeronautic Defence and Space Co. (EADS) getestet worden sein, was sich bislang jedoch nicht bestätigen ließ. Bei 30 bar könnte der Motor sogar 10.000 U/m erreichen.

Sumitomo Supramotor

Sumitomo Supramotor

Wesentlich seriöser ist dagegen eine Entwicklung der Firma Sumitomo Electric, die Mitte 2008 einen supraleitenden Elektromotor vorstellt, der mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird und für den Einsatz in Elektrofahrzeugen geplant ist. Daher soll er hier auch kurz erwähnt werden. Mehr darüber gibt es in einem speziellen Kapitel über neue Motorentwicklungen u.ä. (in Arbeit).

Bemerkenswert ist auch der Anfang 2010 gemachte Vorschlag des früheren Ölingenieurs Dave McConnell aus Alberta. Dessen Firma Lancaster Wind Systems in Edmonton erhält eine Förderung seitens der Organisation Sustainable Development Technology Canada, um ein Windstrom-Speichersystem zu demonstrieren, bei dem Stickstoff in einem Hochdruck Pipeline-Netz (Nitrogen Grid) gespeichert und verteilt wird. Überall entlang der Pipeline, wo Strom benötigt wird, kann dieser mittels spezieller Generatoren produziert werden, wobei nichts als Stickstoff freigesetzt wird. McConnell arbeitet seit 2003 an seiner Innovation. Laut eigenen Angaben habe er inzwischen mehrere Million Dollar an Investitionsmitteln zur Verfügung, um sein System umzusetzen.

Im August 2010 berichten die Blogs über ein neues System um die überschüssige Energie von Kraftwerken zu nutzen. Dabei wird durch Abkühlung und Verflüssigung ein Kryogen genanntes Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch erzeugt. Der Vorschlag stammt von Forschern der University of Leeds und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften um Prof. Yulong Ding. In erster Linie soll er eine Alternative zu den ineffizienten und teuren Erdgas-Anlagen bilden, die gegenwärtig schnell hochgefahren werden, sobald Nachfragespitzen entstehen.

Wird statt dessen Kryogen zur Stromerzeugung genutzt, kann es einen Teil des Erdgases ersetzen und die Verbrennung des Rests optimieren, da dies mit dem reinen Sauerstoff aus dem Gemisch erfolgt und so weniger Stickoxid erzeugt. Das Kohlendioxid fällt sogar in fester Form an – als Trockeneis. Damit ist das System nicht nur umweltfreundlicher sondern auch billiger.

Hydraulische Energiespeicher

Die Firma Valentin Technologies Inc. aus Elm Grove, Wisconsin, stellt im August 2007 ihren Hydraulic Hybrid INGOCAR vor, an dem das Unternehmen schon seit 1986 arbeitet.

Der mittelgroße PKW (430 x 175 x 142 cm) mit 5 Sitzen und Automatikgetriebe wird durch einen neuen hydrostatischen Antriebsstrang mit entsprechendem Energiespeicher bewegt. Das System ist ein Hybrid, da der Wagen den Druck in seiner Hydraulik mittels eines kleinen Frei-Kolben-Verbrennungsmotors selbst herstellt. Dieser soll pro 100 km nur 1,8 Liter Diesel verbrauchen. Interessant sind die Nutzung von hydraulischen Radmotoren in allen vier Rädern des Gefährts, die Bremsenergie-Rückgewinnung und das auf dem Dach vorgesehene Solarpanel. Die beiden zur Speichereinheit zusammengefaßten Behälter für die Druckflüssigkeit bilden das steife und selbsttragende Rückgrat des Fahrzeuges. Die Plattform selbst wiegt 350 kg.

Eine weitere Besonderheit bilden die aktiven Stoßfänger, die während einer harten Bremsung oder beim Wahrnehmen eines sich schnell nähernden Gegenstandes automatisch um ca. 40 cm ausgefahren werden. Die hydraulischen Zylinder der Stoßfänger nehmen die beim Aufprall entstehende Energie auf und leiten diese in Form von Druckflüssigkeit an den Akkumulator weiter.

INGOCar Design Grafik

INGOCar Design (Grafik)

1989 fördern das Department of Energy und der Bundesstaat Wisconsin die Entwicklung eines Prototyps des hydraulischen Motors mit 240.000 $, knapp der Hälfte der Gesamtkosten. Das System ist in den USA (Nr. 6.406.271 Radmotor,  6.293.231 Brennkraftmaschine, und 6.484.674 Einspritzvorrichtung) sowie in Deutschland bereits patentiert, Anträge für internationale Patente sind ebenfalls eingereicht und erste Tests werden in Bulle, Schweiz, und in Madison, Wisconsin, durchgeführt.

Durch konsequente Überarbeitung des Designs, eine Gewichtsreduktion von 1.000 kg auf 725 kg sowie ein um 20 % besserer Wirkungsgrad des hydraulischen Motors wird eine um 30 % verbesserte Laufleistung erreicht. Auf 100 km/h beschleunigt der Wagen in weniger als 5 Sekunden, die Spitzengeschwindigkeit beträgt 150 km/h. Das erste Design wird Anfang 2010 veröffentlicht, außerdem informiert das Unternehmen darüber, daß es an einer elektrischen Version E mit 80 km Reichweite sowie an einer Hybrid-Version CE arbeitet, die eine Reichweite von 1.680 km haben soll.

Supraleitende Magnetspeicher

Die supraleitenden magnetischen Energiespeicher (Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) werden insbesondere als extreme Kurzzeitspeicher genutzt, denn eine Entladung kann hier innerhalb von nur wenigen Millisekunden stattfinden. Die Speicherung der elektrischen Energie findet dabei in einem Magnetfeld statt, das von supraleitenden Magnetspulen innerhalb von 10 Sekunden aufgebaut wird und ähnlich wie ein Fusions-Magnetfeld-Torus beschaffen ist. Solange der supraleitende Zustand erhalten bleibt, kann auch die Ladung beliebig lange erhalten werden. Die Spule selbst wird mittels Kyrotechnik mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von 4,3 Kelvin (~ -269°C) gekühlt.

Für bestimmte Experimente wird in den USA, wo man sich seit etwa 1973 mit der Technologie beschäftigt, ein Magnetspeicher mit der Kapazität von 200 MW/s (= 56 kW/h) entwickelt.

Ein noch gewaltigerer unterirdischer Stromspeicher als Energielieferant für Strahlenwaffen wird 1987 von US-Wissenschaftlern vorgeschlagen. Aus supraleitenden Materialien soll ein Magnetspeicher mit 100 m Durchmesser tief in den Fels gebettet werden, damit sich die ringförmige Riesenspule nicht mit ihren eigenen Kraftfeldern zersprengt. Ein Kampflaser könnte diesem Speicher 1.000 Millionen Watt starke Stromstöße von 100 Sekunden Dauer entziehen. Die hierfür veranschlagten Kosten betragen 800 Mio. $.

Sobald es gelingt neuartige Materialien einzusetzen, die nicht erst in der Nähe des absoluten Nullpunktes supraleitend werden, wird das Prinzip auch wirtschaftlich interessant: Eine 800-m-Spule kann so z.B. über fünf Stunden lang einen Spitzenbedarf von 1.000 MW decken. Die elektromagnetischen Felder einer derartigen Anlage würden allerdings im Umkreis von 4 km jedes elektronische Gerät zerstören, sofern sie nicht abgeschirmt werden.

1990 erfolgt im Rahmen eines Werkstattgesprächs des BMFT zwischen Fachleuten aus Industrie und Wissenschaft eine Neubewertung der Supraleitung als Speichertechnologie. Man spricht über Spulen, die in Bergwerken tiefer als 400 m installiert als rentable Stromlager für wenigstens 24 Stunden dienen sollen, um Verbrauchsspitzen und Lasttäler auszugleichen. Auch tagsüber gespeicherter Sonnenstrom oder nächtlich gewonnener Windstrom können so verlustfrei gespeichert werden.

Im Anschluß an eine Vorstudie, der zufolge eine SMES-Technologie mit einer Leistung von 100 MW und einem Energieinhalt von 2 MWh einer sinnvollen Baugröße entspricht, stellt das BMFT 1994 einen Betrag von 1,68 Mio. DM für eine zweijährige Projektentwicklung zur Verfügung, bei der es darum geht, SMES als sogenannte Sekundenreserve im europäischen Verbundnetz zu nutzen.

Der erste SMES in Europa wird um 1997 herum vom Forschungszentrum Karlsruhe und der Universität Karlsruhe gemeinsam entwickelt und in einem Sägewerk in Fischweier/Albtal am Niederspannungsnetz des Badenwerks eingesetzt. Es hat eine Speicherkapazität von maximal 250 Kilojoule (kJ) und eine Leistung von 80 kVA. Der SMES besteht aus 6 Magnetmodulen die als Solenoid zusammengesetzt sind. Jedes Magnetmodul enthält 1.000 Windungen des 1,3 mm dicken NbTi-Supraleiters und hat einen Durchmesser von 36 cm. Damit erreicht der Gesamtaufbau eine Induktivität von 4,37 H und kommt mit einem Strom von 300 A aus, um die geforderte Energie zu speichern. Die Energiedichte beträgt etwa 150 kJ/m³.

SMES der Firma Bruker

SMES der Firma Bruker

Das Forschungsvorhaben ‚Schneller Kompensator mit Supraleitendem Magnetischem Energiespeicher (SMES) am Niederspannungsnetz’, an dem auch das Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft der RWTH Aachen mit Simulationsrechnungen beteiligt ist, wird von der Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg gefördert.

Nach dem Stand von 2003 liegt die Energiedichte bei SMES-Systemen inzwischen über 5 kWs/kg Speichermasse, die Leistung beträgt etwa 7 MW, die Lebensdauer-Zyklenzahl ca. 1 Million und die Energieeffizienz etwa 90 %. Stand-by-Verluste entstehen durch die benötigte Kühlleistung, die Kosten belaufen sich auf 30.000 bis 200.000 € pro kWh Speicherkapazität.

Für den Verkehr und zu ähnlichen Zwecken kann das Prinzip wegen seiner überaus komplizierten Beschaffenheit bislang allerdings noch nicht angewandt werden.

2008 arbeiten in Japan die Firmen Chubu Electric Power und Furukawa Electric an der SMES-Technologie für den Einsatz bei Stromlastspitzen, während in den USA die Firma Bruker Energy & Supercon Technologies als technisch führend gilt.

Pumpspeicherwerk

Diese Kraftwerke sind eine relativ neue Technik zugunsten des Netzausgleichs, und in Deutschland wurden die meisten großen Pumpspeicher Ende der 1930er Jahre gebaut. Allerdings hatte schon Gottfried Wilhelm Leibniz dieses System im Jahre 1685 als Energiespeicher für die wechselhafte Windnutzung im Oberharzer Bergbau postuliert. Fest steht, daß sich Energie über Pumpspeicherwerke problemlos und mit hohem Wirkungsgrad speichern läßt.

Pumpspeicherkraftwerk Herdecke

Pumpspeicherkraftwerk
Herdecke

Die Funktion der Pumpspeicherwerke ist, daß in Zeiten geringen Strombedarfs die überschüssige (aus anderen Primärenergiequellen produzierte) elektrische Energie dazu verwendet wird, Wasser in ein hochgelegenes Speicherbecken zu pumpen. Zu Zeiten der Spitzenbelastung des Öffentlichen Netzes wird dann mit dem wieder hinabstürzenden Wasser auf konventionelle Weise Strom erzeugt. Das System ist damit kein eigentliches Energie-Separationssystem; aber sein Nutzen ist wirtschaftlicher Natur und dient dazu, große Reserven in Minutenschnelle einsetzen zu können.

Ein bestimmter Typ von Pumpspeicherwerken mit zusätzlichem natürlichen Wasserzufluß wird als Hybridspeicher bezeichnet.

Das bislang größte Pumpspeicherwerk Europas wurde in den 1980ern in Wales/Groß­britannien gebaut. Es ist besonders für eine extrem schnelle Verfügbarkeit des Wassers konzipiert und kann innerhalb von 10 Sekunden dem Netz eine Leistung von 1.320 MW zur Verfügung stellen. Bei einer Höhendifferenz zwischen Unter- und Oberwasserspeicher von 500 m hat das ‚Dinorwic-Projekt’ einen Durchlauf von 400 t/s. Bei dem oben abgebildeten Kraftwerk handelt es sich um das Pumpspeicherkraftwerk Herdecke, das 1983 von Lahmeyer International errichtet worden ist.

Mit dem Bau des größten und modernsten Pumpspeicherwerk in den neuen Bundesländern wurde Ende 1997 begonnen, 2003 sollte es fertiggestellt sein. Für Baukosten in Höhe einer Milliarde DM wird die Anlage mit vier 265 MW Pumpturbinen ausgestattet, die das um 300 m höhergelegene Speicherbecken mit einem Nutzvolumen von 12 Mio. m3 mit Wasser befüllen – und bei Bedarf acht Stunden lang 1.060 MW Leistung zur Verfügung stellen können. Die ersten Arbeiten an diesem Projekt wurden bereits 1974/75 getätigt, doch 1981 wurde es von der damaligen DDR-Regierung aus wirtschaftlichen Gründen gestoppt.

Umweltspezifisch wirken sich Pumpspeicherkraftwerke durch die sehr großen erforderlichen Baumaßnahmen negativ aus, daneben treten auch nicht unbedeutende Arbeitsverluste auf. Der Wirkungsgrad (von aufgenommenen bis wieder abgegebenen Kilowattstunden gerechnet) liegt bei etwa 75 %.

Das Konzept einer inversen Form von Pumpspeicherkraftwerken veröffentlicht die bereits 1927 gegründete niederländische Firma KEMA aus Arnhem Anfang 2007. Ihr gemeinsam mit dem Bauingenieurbüro Lievense entwickeltes unterseeisches Kraftwerk ist technisch möglich, weil unter dem Boden der Nordsee eine mehrere Dutzend Meter dicke Tonschicht existiert. Auf dieser soll ein Art künstliches Riff aufgebaut werden, um ein von der umgebenden See abgetrenntes Areal zu schaffen. Sobald es einen Überschuß an Elektrizität gibt, wird Meerwasser aus dem künstlichen See in das umgebende Meer gepumpt. Bei Spitzenbedarfszeiten strömt das Meerwasser in den See zurück und betreibt dabei die Generatoren.

Die Speicherkapazität des ersten Entwurfs der Energie-Insel, die neben ihrem 50 m tiefen Speicher außerdem mit Windkraftwerken, künstlichen Stränden, Aquakulturen und vielem mehr ausgestattet werden soll, könnte mehr als 12 Stunden lang Strom mit einer Kapazität von 1.500 MW bereitstellen. Die Studie für dieses innovative Konzept wird mit finanzieller Unterstützung der Energie-Unternehmen Delta, Eneco, Nuon, E.ON Benelux, EPZ, Essent und TenneT sowie einem Zuschuß der We@Sea Foundation durchgeführt.

Green Power Island Grafik

Green Power Island (Grafik)

Die Architekturfirma Gottlieb Paludan aus Frederiksberg schlägt 2009 ein fast identisches Konzept vor, das insbesondere zur Speicherung der Windenergie in Dänmark eingesetzt werden soll. Dabei handelt es sich um eine künstliche Insel mit hohen ‚Spundwänden’ und tiefer Sohle, die als Wasserreservoir dienen soll und dementsprechend Green Power Island genannt wird. Das Speichervolumen beträgt über 30 Mio. m3 und kann mit seinen 2,75 GWh Stromabgabe den gesamten Verbrauch aller Haushalte in Kopenhagen decken.

Auch auf dieser Insel sollen 25 Windturbinen im 5 MW Format errichtet werden, außerdem kann das Meerwasser im Reservoir für den Anbau von Biomasse in Form von Makroalgen verwendet werden. Auf der Wasserfläche sollen ferner PV- oder andere Solaranlagen schwimmen.

Auf der Homepage des Unternehmens werden weitere Entwürfe für Florida, Manama, Tamil Nadu und Jiangsu vorgestellt – die zeigen, daß Gottlieb Paludan zumindest sehr gute Grafiker hat.

Vom Januar 2009 stammt das interessante Konzept eines Forumsteilnehmers namens Chris aus dem kanadischen Alberta, der auf cr4.globalspec.com diverse entsprechende Grafiken postet. Dabei geht es um gewaltige, ringförmige Pumpspeicherwerke im Meer, auf deren Kranz eine Vielzahl von Windkraftanlagen stehen. Diese haben die Aufgabe, den unten abgeschlossenen Großspeicher leerzupumpen, sodaß dieser bei erhöhtem Strombedarf wieder befüllt werden kann – wobei der quasi ‚negativ’ gespeicherte Strom erneut erzeugt und bereitgestellt werden kann. In seinen fortgeschrittenen Plänen entwirft Chris sogar Bebauungskonzepte für den künstlichen Ringwall, man findet sie unter dem Thread Alternative-Offshore-Hydroelectric-Plant.

Ein weiteres innovatives Konzept, von dem ich erstmals im September 2009 erfahre, stammt von der Start-up Firma Riverbank Power Corp aus Toronto, Ontario. Firmengründer John Douglas war im Jahr 2004 Mitbegründer der Ventus Energy Inc., die 2007 für rund 200 Mio. $ von der GDF Suez erworben wurde.

Das Aquabank genannte Speichersystem nutzt tiefgelegene Stollen und Kavernen, die mit Wasser befüllt werden. Mit Überschußstrom wird dieses in Speicherbecken an der Oberfläche gepumpt, während es in Zeiten erhöhten Strombedarfs über Turbinen wieder in die Tiefe stürzt. Jede Anlage würde eine Wasserquelle auf Bodenhöhe, eine Kaverne in rund 600 m Tiefe unter der Erde sowie vier 250 MW Generatoren benötigen. Die 1 Mrd. Gallonen Wasser eines derartigen Systems würden den Strom 6 Stunden lang produzieren können, für das anschließende Hochpumpen würden 8 Stunden benötigt.

Aquabank Konzept Grafik

Aquabank Konzept (Grafik)

Die Federal Energy Regulatory Commission der USA hat dem Unternehmen bereits drei Standorte genehmigt, weitere 15 im Nordosten der Staaten und in Kana sind ins Auge gefaßt. Während der erste Standort aufgrund unlösbarer Landfragen annuliert wurde, sollte am zweiten Standort in Sparta, New Jersey, ein 1.000 MW System für 2 Mrd. $ gebaut werden. Nach zwei Wochen Bohrzeit zeigte sich jedoch, daß die unterirdischen Felsformationen der Limecrest Quarry Gegend ungeeignet sind. Besser sieht es am dritten genehmigten Standort in der Back River Region in Wiscasset, Maine, aus. Dort sollen die vorbereitenden Untersuchungen bis 2011 abgeschlossen werden. Bei positiven Ergebnissen könnte das Projekt innerhalb von fünf Jahren verwirklicht werden.

Das Unternehmen hat inzwischen eine Absichtserklärung unterzeichnet, um mit der Firma Symbiotics Energy Corp. zu verschmelzen, einem US-Wasserkraft-Entwickler mit mehr als dreißig Jahren Erfahrung. Im Mai 2010 will es außerdem an die Börse gehen.

Im März 2010 meldet die Presse, daß die Schluchseewerk AG im Südschwarzwald bis 2018 das größte Pumpspeicherkraftwerk Deutschlands errichten will. Das Unternehmen, das zu 50 % RWE und zu 37,5 % EnBW gehört, betreibt zwischen Schluchsee und Hochrhein bereits mehrere Pumpspeicherkraftwerke. Nördlich von Bad Säckingen sollen nun für 1 Mrd. € zwei weitere Staubecken sowie ein Kavernenkraftwerk gebaut werden. In Zeiten von Stromüberschuß kann das neue Werk bis zu 13 Stunden lang Strom aus dem Netz ziehen, und dabei bis zu 10 Mio. m3 Wasser vom Unterbecken 600 m hoch ins 40 Hektar große Oberbecken pumpen.

Soll das auf 100 Jahre Lebensdauer angelegte Pumpspeicherkraftwerk wieder Strom ins Netz liefern, läuft das Wasser durch einen 8 km langen Stollen (und über die Turbinen) in den unteren, 60 Hektar großen See. Bei gefülltem Wasserspeicher reicht die erzeugbare Leistung aus, um 1,5 Millionen Haushalte 13 Stunden lang mit Strom zu versorgen.

Zur Eile motiviert ist die Schluchseewerk AG, da die Bundesregierung im Sommer 2009 als Anreiz beschlossen hat, daß Pumpspeicherkraftwerke die vor 2019 in Betrieb gehen für zehn Jahre vom Netznutzungsentgeld befreit sind. Für das neue 1.400 MW Projekt sind das 20 Mio. € für jedes dieser zehn Jahre und damit fast ein Drittel der geplanten Kraftwerksbaukosten von 700 Mio. €.

Zwischen Basel und Waldshut regt sich jedoch Protest gegen das Großprojekt. Die Gegner, darunter der Schwarzwaldverein, fürchten um das Landschaftsbild und die Trinkwasserqualität und sehen die Heilquellen im nahen Bad Säckingen bedroht.

Das Ingenieurbüro Matthias Popp in Wunsiedel entwickelt zur Speicherung von Windstrom den Ringwallspeicher, der speziell für Winderntegebiete auf dem flachen Land und in Offshore-Bereichen gedacht ist. Das Konzept sieht dabei Durchmesser von 20 km und Wallhöhen von 400 m vor – womit eine Kapazität von mehreren Terawattstunden erreicht wird. In Popp Dissertation an der TU Braunschweig vom April 2010 belegt er, daß sie Stromversorgung Europas allein mit Sonnen- und Windenergie gewährleistet werden kann, sofern entsprechend weiterentwickelte Speichertechniken zur Verfügung stehen. Diese Rolle sollen seine Ringwallspeicher übernehmen.

Die sehr interessante Version eines tatsächlich schon bestehenden Pumpspeicherkraftwerks, das auch eine passende Überleitung zu den Meereskraftwerken im nächsten Kapitel bildet, ist die Yanbaru Seawater Pumped Storage Power Plant – das weltweit erste Speicherwerk, das mit Meerwasser arbeitet.

Meerwasser-Pumpspeicherkraftwerk

Meerwasser-
Pumpspeicherkraftwerk

Die Anlage im Norden der japanischen Insel Okinawa geht im März 1999 in Betrieb. Auftraggeber ist die Agency of Natural Resources and Energy des Handels- und Industrieministeriums MITI, das seit 1981 an dieser Technologie arbeitet. Errichtet wird die Anlage ab 1991 von der Electric Power Development Co. Ltd., die technische Ausstattung kommt von Toshiba. Für den Betrieb verantwortlich ist die Japan Commission on Large Dams (JCOLD).

Die Anlage nutzt einen effektiven Höhenunterschied von 136 m zwischen der Meeresobefläche und dem Speichersee, der etwa 600 m von der Küste entfernt auf der Hochebene liegt. Der künstliche See ist achteckig, 25 m tief und 252 m breit. Es hat eine effektive Speicherkapazität von 564.000 m3.

Zur Erhaltung der Umwelt und Landschaft sind die Druckleitung und das Maschinenhaus unter der Erde verlegt. Letzteres befindet sich etwa 150 m unter der Erde liegt und ist in einer 17 m breiten, 32 m hohen und 41 m langen Kaverne installiert. Die Maximalleistung von 30 MW kann mit einem Durchsatz von 26 m3/s erreicht werden. Bei dem Projekt werden verschiedene neue Technologien umgesetzt, wie z.B. die Auskleidung des Speichersees mit Ethylen-Propylen-Diene-Monomer (EPDM) Matten oder der Einsatz von mit Schutzschichten versehenen GFK-Rohren.

Um genügend Süßwasser für Sydney bereitzustellen, schlägt 2003 die Firma ShepHydro ein Seewasser-Pumpspeichersystem vor, das mit einer Entsalzungsanlage gekoppelt ist. Zwei Jahre später scheint man von dem Projekt wieder abgerückt zu sein. Statt dessen wird ab 2005 unter dem Namen HidroLinear Power Plant das Patent von James Kwok angepriesen, das bis 2010/2011 in Form einer kommerziellen Anlage umgesetzt werden soll. Zuständig für das von der Hidro+ Group weiterentwickelte System ist Kwoks Firma Etergen Limited in Chatswood, die Kosten pro installiertem MW werden mit rund 2,5 Mio. $ angegeben.

Bei der mir nicht ganz nachvollziehbaren Technologie handelt es sich um einen hydrodynamischen Kreislauf, bei dem der (simulierte) Druck in tiefen Gewässern zur Energieumwandlung dienen soll. Ob und wie das Ganze tatsächlich funktioniert, konnte ich bislang nicht herausfinden. Möglicherweise gibt es eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Hydrosphärengenerator am Ende dieses Kapitels. Die Technologie soll jedenfalls auf der UN-Klimakonferenz im Dezember 2009 in Kopenhagen präsentiert worden sein, eine Bestätigung steht allerdings noch aus.

Das System wird durch verschiedene Patente geschützt, ebenso die Kerntechnik namens Reverse Thruster Pressure Equalizer Chamber (RETPEC). Eine Anlage aus 13 Reaktortürmen von jeweils 12,5 m Höhe und 2,75 m Durchmesser soll 2 Mio. $ kosten. Auf Peswiki gibt es einen sehr langen Bericht über diese Technologie, die augenscheinlich primär mittels Auftrieb funktionieren soll.

2010 kann eine weltweite zunehmende Beschäftigung mit Pumpspeicherkraftwerken festgestellt werden. Einer Statistik von 2009 zufolge ist in allen Ländern gemeinsam bereits eine Kapazität von mehr als 127. 000 MW installiert. Im Laufe des Jahres 2010 kommen drei Anlagen hinzu:

  • Slovenien: Avce, 185 MW, Soske Elektrarne Nova Gorica d.o.o., Kosten 122 Mio. € (Baubeginn 2004).
  • Ukraine: Dnister, 2.268 MW, UkrHydro Open Joint Stock Co., Kosten 720 Mio. $ (Baubeginn 1983), die Inbetriebnahme der Einheiten 2 und 3 soll 2011 bzw. 2012 erfolgen.
  • China: Jixi, Provinz Anhui, 1.800 MW, Kosten 1,2 Mrd. $.

Im Bau befinden sich derzeit 7 Anlagen mit einer Gesamtkapazität von 4.100 MW:

  • Portugal: Baixo Sabor, 171 MW, Energias de Portugal (EDP), Baubeginn 2008, geschätzte Kosten 354 Mio. €, erwartete Inbetriebnahme 2013.
  • Österreich: Feldsee, Erweiterung der existierenden 140 MW Anlage um weitere 75 MW, Karntner Elektrizitats-Aktiengesellschaft (Kelag), geschätzte Kosten 50 Mio. €, erwartete Inbetriebnahme 2011.
  • Österreich: Limberg 2, 480 MW, Verbund Austrian Hydro Power AG, erwartete Inbetriebnahme 2011.
  • Österreich: Reisseck 2, 430 MW, Verbund Austrian Hydro Power AG, geschätzte Kosten 385 Mio. €, erwartete Inbetriebnahme 2014.
  • Schweiz: Limmern Linthal, 1.000 MW, Kraftwerke Linth-Limmern AG, geschätzte Kosten 1,8 Mrd. SFr, erwartete Inbetriebnahme 2015.
  • Schweiz: Nant de Drance, 600 MW, Nant de Drance SA, geschätzte Kosten 990 Mio. SFr, erwartete Inbetriebnahme 2015 – 2017, möglicherweise Erweiterung auf 900 MW.
  • China: Qingyuan, Provinz Guangdong, 1.280 MW, CSG Power Generation Company, erwartete Inbetriebnahme 2014.

Sehr viel Energie wird 2010 auch in die Sanierung und Modernisierung schon bestehender Anlagen investiert, um ihre Effizienz und Kapazität zu erhöhen. Als Beispiele nenne ich das Blenheim-Gilboa Projekt der New York Power Authority (NYPA), das für 135 Mio. $ doe bisherige Leistung von 1.040 MW auf 1.160 MW steigert, das 420 MW Capljina Projekt in Bosnien, die 800 MW Revin-Anlage der Electricite de France, sowie das österreichische Rodund II Speicherkraftwerk, das von 276 MW auf 295 MW erweitert wird.

Taum Sauk Pumpspeicher

Taum Sauk

Besonders interessant finde ich die 440 MW Taum Sauk Anlage in Missouri, die nach 5 Jahren Stillstand im Juni 2010 wieder in Betrieb geht (2005 war das Reservoir teilweise gebrochen und 5,3 Mio. m3 Wasser ergossen sich in den Black River). Das neue Reservoir hat 30,5 m hohe Wände aus verdichteten Beton und ein fassungsvermögen von 5,7 Mio. m3. Kosten tut das ganze 490 Mio. $.

In Portugal wird bis 2014 der Venda Nova Damm am Fluß Rabagao für 179 Mio. $ von 90 MW auf 435 MW erweitert, in Luxembourg wird die Vianden Anlage am Grenzfluß Our um 200 MW auf insgesamt 1.296 MW ausgebaut, was 150 Mio. € kostet, und das deutsche Pumpspeicherkraftwerk Waldeck 1 bekommt eine zusätzliche 74 MW Einheit für 52 Mio. €.

Konkrete Planungen gibt es bereits für ein 400 MW Iowa Hill Projekt in Kalifornien, dessen Bau 2011 begonnen und 5 Jahre später beendet sein soll, für eine 1.500 MW Anlage in Vietnam, Provinz Son La, die zwischen 2013 und 2018 errichtet werden soll, sowie für die Erweitung von drei bestehenden Anlagen in Spanien: zusätzliche 852 MW bei der 635 MW La Muela Anlage, 177 MW für die 263 MW San Esteban Anlage, sowie 25 MW für das 33 MW San Pedro Pumpspeicherkraftwerk.

Photosynthese

Beim Prozeß der natürlichen Photosynthese werden in grünen Pflanzen mit Hilfe von Chlorophyll als Katalysator auf sehr effektive Weise Kohlehydrate gebildet. Dabei wird das Kohlendioxyd aus der Luft mittels Lichtenergie in Zucker und Stärke umgewandelt. Diese Methode der Natur ist die bisher wirksamste Art der Sonnenenergie-Nutzung. Seit längerem wird an mehreren Forschungsinstituten versucht, diesen natürlichen Prozeß nachzuvollziehen, d.h. eine Technische Photosynthese in Gang zu setzen.

Die Wichtigkeit derartiger Forschungen erklärt sich wenn man berücksichtigt, daß eine photochemische Energiespeicherung in stationären Elektronenzuständen der Materie um 20 – 100 Mal wirksamer ist als eine Speicherung in den atomaren Schwingungen. Noch wichtiger ist allerdings, diesen Ladungszustand auch möglichst so lange zu erhalten, bis die Ladung wieder gebraucht wird. Deshalb müssen die erreichten höheren Zustände im Molekül (was durch die Aufladung mittels Lichtquanten erfolgt) auch an ein lagerfähiges Produkt angekoppelt werden, wobei hier als (molekulares) Beispiel die Substanz cis-Stilben genannt sei.

Geradezu phantastisch mutet die Effizienz des biologischen Prozesses der Lichtumwandlung an, denn praktisch jedes Lichtquant, das zum Reaktionszentrum gelangt, verursacht dort eine Ladungstrennung. Die Lichtausbeute beträgt somit nahezu 100 %. Allerdings geht bei der Ladungstrennung ein Großteil der Energie verloren, so daß im Endeffekt etwa 40 % der Lichtenergie im Primärschritt der Photosynthese fixiert wird – ein trotzdem noch sehr beachtlicher Wirkungsgrad. Und trotz aller weiteren Verluste im Zuge der photosynthetischen Prozesse liegt der energetische Gesamtwirkungsgrad von Pflanzen zwischen 3 % und 4 %.

Die Photosynthese besteht aus mehreren hintereinandergeschalteten Teilschritten, an denen zahlreiche zelluläre Bestandteile mitarbeiten. Das zentrale Rädchen in diesem Gefüge – gleichsam der Motor der Photosynthese-Maschine – ist das Reaktionszentrum, in dem die Umwandlung von Lichtenergie in elektrochemische und schließlich in chemische Energie erfolgt. Dieses Reaktionszentrum ist aus etwa 1.200 Aminosäure-Bausteinen zusammengefügt. Das Prinzip dieses Prozesses wurde bereits 1965 von dem Biologen Dr. Walter Stoeckenius an der New Yorker Rockefeller University entdeckt, jedoch erst in den letzten Jahren genauer untersucht. Es handelt sich hierbei um die Bakterielle Photosynthese, bei der die Energiespeicherung durch einen elektrischen Potentialunterschied erreicht wird.

Die grünen Pflanzen verfügen im Unterschied zu den lichtnutzenden Bakterien über eine spezielle Erweiterung: Durch Anbauten an das Reaktionszentrum – dann Photosynthese II genannt – gelingt es ihnen, die aufgefangene Energie zur Wasserspaltung zu nutzen, wobei biologisch gebundener Wasserstoff und Sauerstoff entsteht. Der Grund, weshalb Photosynthese-Forscher zumeist Bakterien und nicht grüne Pflanzen untersuchen, liegt also darin, daß die bakterielle Lichtnutzung eine vereinfachte Form der pflanzlichen Photosynthese ist.

Außerdem besitzt das Reaktionszentrum der Purpurbakterien Ähnlichkeiten mit dem Photosynthese-System II der Pflanzen.

Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in San Francisco haben zusammen mit dem Ames-NASA-Forschungszentrum im kalifornischen Mountain View erfolgreich mit einem roten Farbstoff namens Bakteriorhodopsin experimentiert (das in der Natur benutzte Chlorophyll reflektiert dagegen die grüne Farbe). Das Proteinmolekül, das in den Zellmembranen von in gesättigten Salzlösungen lebenden Bakterien gefunden wurde (Halobakterium Halobium), stellt praktisch eine lichtbetriebene Protonen-Pumpe dar. Da Protonen elektrisch geladen sind (in diesem Fall sind es Wasserstoff-Ionen), wird in diesem Vorgang Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt.

Diese Salzbakterien leben mit Vorliebe im Wasser des Toten Meeres und ihre rund 100.000 spiralfederförmigen roten eiweißhaltigen Pigmente pro Bakterie lösen bei Lichtsättigung pro Molekül und Sekunde 100 – 250 Protonen aus dem Bakterienkern heraus. Der entstehende Spannungsunterschied zwischen positiv geladener Außenseite und negativ geladenem Zellinnern beträgt knapp 0,3 V. Der Chemie-Nobelpreisträger Peter Mitchell bezeichnete dieses elektrochemische Potential übrigens als Protomotische Kraft.

Das Pigment nutzt diese Kraft zur Herstellung von energiespeicherndem Adenosintriphosphat (ATP), womit das Prinzip ggf. auch zur Energiespeicherung genutzt werden könnte – neben einer weiteren möglichen Anwendung zur Meerwasserentsalzung. Das ADP-ATP-System ist sozusagen die Energiezentrale aller Lebensvorgänge. Beim Übergang von ADP (Ade­nosindiphosphat) in ATP (Adenosintriphosphat) werden Energien in Größenordnungen normaler chemischer Reaktionen umgesetzt.

Interessant an diesem Prinzip ist, daß es – im Gegensatz zur natürlichen Photosynthese oder auch zur Atmung – direkt und ohne Redoxvorgänge abläuft. Am Mikrobiologischen Institut der Universität Moskau konnte inzwischen die Aminosäuresequenz des Eiweißbestandteils bestimmt werden, so daß die Struktur des Bakteriorhodopsin weitgehend aufgeklärt ist.

Am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München beschäftigt sich der Direktor der Abteilung Membranbiochemie Prof. Dieter Oesterhelt mit den molekularen Grundlagen dieses Vorgangs, nachdem er bereits 1969 im Institut von Stoeckenius damit begonnen hatte, die Pigmente des Holobakteriums Halobium aus der Zellmembran zu lösen. Dabei stößt er auf einen weiteren, diesmal gelben Farbstoff, der dem Sehpigment Retinol im Auge von Mensch und Tier eng verwandt ist, und der die Rolle eines Schalters spielt, welcher durch Licht betätigt wird. Im natürlichen Bakteriorhodopsin setzt bei Belichtung in wenigen Billionstel Sekunden der nach außen gerichtete Transport der Protonen ein (ein Lichtstrahl legt in dieser Zeit nur einige Millimeter zurück). Es gelingt dem Team um Oesterhelt, einen Teil der bakteriellen Photosynthese im Reagenzglas nachzubauen. In die Wandung eines künstlichen Fettbläschens (Liposom) eingebaut, funktionieren die Eiweißbausteine wie in einer lebenden Zelle: Sobald Licht auf die Konstruktion fällt, springt der Elektronenkreislauf an, und Protonen (Wasserstoff-Inonen H+) werden durch die künstliche Membran gepumpt. Am Eiweißbaustein ATPase wird aus Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat (P) das energiereiche Adenosintriphosphat (ATP) hergestellt – und damit die Lichtenergie in Form von chemischer Energie fixiert.

Den Chemie-Nobelpreis 1988 erhalten die drei Institutswissenschaftler Johannes Deisenhofer, Robert Huber und Hartmut Michel für ihre jahrelange Arbeit, die Raumstruktur der Molekülkomplexe aus dem Purpurbakterium Rhodopseudomonas virides vollständig aufzuklären. Das im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 143 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (‚Primärprozesse der bakteriellen Photosynthese’) computergenerierte dreidimensionale Bild des Moleküls samt seiner Untereinheiten zeigt den biologischen Energiewandler von Licht in chemische Energie. Anhand der Molekülmodelle ließ sich auch zeigen, wie die Lichtstrahlen von Farbstoffmolekülen gesammelt und zum photosynthetischen Reaktionszentrum weitergeleitet werden – ein Vorgang von 50.000 Reflexen mit etwa 10.000 Atomen, der in wenigen billionstel Sekunden und nahezu ohne Energieverlust abläuft. Laut Huber würden diese ‚biologischen Photozellen’ wie Elektronenpumpen arbeiten.

Neben Oesterhelt beschäftigen sich auch Forscher in mehreren anderen Ländern mit der weiteren Aufklärung der Retinalähnlichen Eiweißverbindung. So wird von Y. Mukohata das Halorhodopsin entdeckt, und R. MacDonald und J. Lanyi weisen nach, daß dieses ausschließlich Natriumionen nach außen pumpt. Als Folge dringen daher vermehrt Protonen in die Zelle ein und bilden dabei das ATP.

Auch in Israel und in Ungarn wird an einer technischen Anwendung gearbeitet. Allerdings erweist sich die Herstellung großer und lückenlos mit Purpurmenbranen beschichteter Flächen als äußerst kompliziert und aufwendig, so daß eine praktische Nutzung vorerst nicht in Sicht ist (Stand 1985).

Etwa um diese Zeit entwickeln die amerikanischen NASA-Forscher Prof. Bailey und Dr. Callahan eine neue Theorie zur Fähigkeit von Insekten, Sonnenenergie umzuwandeln. Sie nennen den Prozeß EWEC (Electromagnetic Wave Energy Conversion), da sie feststellten, daß die elektromagnetische Strahlung nach dem Empfang in Form von Licht durch die Netzhaut in elektrische Impulse umgewandelt wird.

Die Berliner Arbeitsgruppe Technische Photosynthese stellt auf dem Weltkongreß zur Solartechnik 1987 in Hamburg ein mobiles bio-solares Kraftwerk mit großem Sonnenlicht-Konzentrator vor.

Anfang der 1990er Jahre werden die Experimente von Prof. Michael Grätzel bekannt, dessen Farbstoff-Solarzellen ebenfalls nach dem Vorbild der Pflanzenzellen aufgebaut sind. Auf diese höchst interessante Variante werde ich weiter unten noch näher eingehen.

1994 wird mit der Berechnung des ersten Energieübertragungsschrittes der Bakterienphotosynthese durch Reinhold Egger von der Universität Freiburg und dem Chemiker Chi Ho Mak von der University of Southern California ein weiterer Erfolg in Richtung auf eine biologische Solarzelle vermeldet.

1998 wird auf der ‚Konferenz über photochemische Energieumwandlung und Speicherung solarer Energie’ in Berlin, von John Turner, einem Forscher des National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado (USA), eine autarke, zweistufige Solarzelle nach dem Vorbild der Photosynthese vorgestellt, die mit einem Rekord-Wirkungsgrad von etwa 12 % mittels Sonnenlicht Wasser spaltet und Sauerstoff sowie Wasserstoff produziert (s.d.).

Die Abteilung für solare Energietechnik am Berliner Hahn-Meitner-Insitut zeigt ihrerseits eine ‚Nasse Solarzelle’, bei der – in Anlehnung an die Grätzel-Zelle – die Halbleiterschicht herkömmlicher Zellen durch Wasser ersetzt wurde.

Amerikanischen Forschern am Massachusetts Institut of Technology (MIT) gelingt es im Juni 2004, aus Chloroplasten des Spinats einen Proteinkomplex zu isolieren, der in einer Solarzelle die Aufgabe der Photosynthese übernimmt.

Daß die ersten Prozeßschritte der Photosynthese allerdings ganz anders ablaufen als bisher angenommen, veröffentlichen Biologen der Ruhr-Universität Bochum und des Max-Planck-Instituts für Bioorganische Chemie Mitte 2006. Dabei geht es um die Frage, in welcher Reihenfolge sich die ersten Prozesse der Photosynthese abspielen, die in Zeitbereichen von wenigen Picosekunden ablaufen (1 ps = 10-12 Sekunden).

Im Wesentlichen gewinnen die Forscher zwei zentrale Erkenntnisse, die den bisherigen Wissensstand radikal korrigieren: Der erste Reaktionsschritt wird von einem einzelnen Chlorophyll durchgeführt, das nach bisheriger Überzeugung gar nicht dafür eingeplant war. Und der Prozeß der Weiterleitung der Lichtanregung verläuft wesentlich rascher als der Prozess der ersten ‚chemischen’ Reaktion, d.h. der Aufbau eines elektrischen Gradienten über der Membran.

Die neuen Erkenntnisse liefern nun die molekulare Erklärung für die bisher nicht gut verstandene extrem hohe Oxidationskraft, die zur Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Protonen, also die zentrale Funktion für die Speicherung von Solarenergie in der Photosynthese, erforderlich ist. Davon werden nun Auswirkungen auf sog. biomimetische Verfahren erwartet, mit denen die natürlichen Prozesse künstlich ‚nachgebaut’ werden sollen.

Fast zeitgleich informiert eine Forschergruppe der Universitäten Genf und Würzburg darüber, daß ihr erstmals gelungen ist mehr als nur einzelne Schritte der Photosynthese nachzuahmen. Hierzu bauen und nutzen die Wissenschaftler supramolekulare Systeme, d.h.  Moleküle, die über eine relativ schwache Wechselwirkung (etwa die Wasserstoffbrückenbindung) ein gemeinsames System mit durchaus neuen Eigenschaften bilden. Wählt man die beteiligten Moleküle richtig aus, vollzieht sich ein Selbstorganisations-Prozess, der Eingriffe unnötig macht.

Derartige Molekül-Konstruktionen transportieren bei der Anregung durch Licht freigesetzte Ladungsträger so schnell in einen Elektronenspeicher, daß diese keine Zeit zum Rekombinieren haben. Dort angekommen, sorgen die Elektronen für eine Anreicherung von Protonen. Um anschließend die Schleusen zu öffnen läßt man ein spezielles Molekül an die Konstruktion andocken, das erstens die Photosynthese beendet und zweitens einen Abflusskanal für die Protonen öffnet. Das Problem besteht allerdings noch darin, daß sich der Kanal, durch den das gestaute Medium abfließt, bisher nicht wieder schließen läßt. Wenn also alle Protonen abgeflossen sind, wird der Speicher nicht mehr aufgefüllt.

Schon im Oktober 2005 wird im Rahmen einer Doktorarbeit am Institut für Nanotechnologie des Forschungszentrums Karlsruhe der biomimetische Ansatz zur Synthese von artifiziellen lichtsammelnden Systemen durch Selbstassemblierung verfolgt. Der wissenschaftliche Bericht FZKA 7174 beschreibt die Erforschung und Herstellung künstlicher photonischer Antennensysteme mit einem supramolekularen Ansatz, bei dem Selbstassemblierung und Selbstaggregation wichtigste Schritte darstellen, und der biomimetisch das Antennesystem von grünen photosynthetischen Bakterien nachahmt. Einige der vorgestellten supramolekularen Assemblate stellen vielversprechende Vertreter für künstliche lichtsammelnde Systeme dar, die auf ihre Anwendung in hybriden Solarzellen hoffen lassen.

Auch an der University of Sydney arbeitet eine Forschungsgruppe daran, die Effizienz der Blätter von 30 % bis 40 % nachzuahmen. Im September 2006 wird bekannt, daß einige der Schlüsselsysteme der Photosynthese nachgebaut werden konnten. Mit jeweils rund 100 der synthetischen Porphyrinen gelingt es, ringförmige Strukturen zu bilden, die das Licht ähnlich wie in der Natur einfangen. Ein Partnerteam an der Osaka University arbeitet daran, die neuen Moleküle zum Äquivalent einer Pflanzenzelle zu kombinieren. Innerhalb von fünf Jahren soll die Technologie marktreif sein. Es wird sogar darüber nachgedacht, mit diesen Substanzen neue Batterien zu entwickeln.

In Deutschland wird bereits Anfang Juni 2005 in Lübeck die TriPorTech GmbH gegründet, deren Ziel die Herstellung, Erforschung und Vermarktung von Porphyrinen und porphyrinähnlichen Substanzen ist, auch hier denkt man daran, die Porphyrine u.a. als Katalysatoren für Brennstoffzellen, als Chemikalien für die Wasseraufbereitung und zur Herstellung organischer Solarzellen zu nutzen.

Wissenschaftler des Max-Volmer-Laboratoriums für Biophysikalische Chemie der TU Berlin um Dr. Athina Zouni berichten im November 2006, daß sie zusammen mit Kollegen vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien sowie der FU Berlin und dem Max-Planck-Institut Mülheim der künstlichen Photosynthese einen entschiedenen Schritt näher gekommen sind, indem sie die Struktur des sogenannten Photosystems II bestimmen, das mit Sonnenenergie Wasser spaltet. Mit Hilfe von Röntgentechnologie und Computermodellen klärten sie die genaue geometrischen Anordnung eines Moleküls, das den entscheidenden Schritt der Photosynthese bewerkstelligt, und das aus einem Kalzium- und vier Manganatomen besteht, die durch fünf Sauerstoffatome verbunden sind. An dieser Aufgabe hatten mehrere Gruppen an mindestens 18 verschiedenen Modellen über Jahre hinweg gearbeitet.

Durch Photosynthese sind grüne Pflanzen und Cyanobakterien in der Lage, mittels ihrer molekularen Reaktionszentren Sonnenenergie mit nahezu 100-prozentiger Effizienz in chemische Energie umzuwandeln. Der Schlüssel hierfür ist Geschwindigkeit – die Übertragung der Sonnenenergie findet fast augenblicklich statt, so daß nur wenig Energie als Wärme verloren wird. Wie die Photosynthese diesen fast momentanen Energie-Transfer schafft ist allerdings ein seit langem bestehendes Geheimnis, das möglicherweise nun endlich gelöst wurde:

Im April 2007 werden die Ergebnisse einer Studie der Universität von Kalifornien in Berkeley und dem Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Department of Energy veröffentlicht, der zufolge quantenmechanische Effekte der Grund für diese Effizienz sind. Die Wissenschaftler um Graham Fleming finden heraus, daß bei den Energie-Transfer-Prozessen der Photosynthese eine „bemerkenswert langlebige wellenförmige elektronische Quanten-Kohärenz“ eine wichtige Rolle spielt, die es dem System ermöglichen soll stets die effizientesten Energiepfade auszuwählen.