Sonne im dunklen Tal

Spiegelsystem von Solar Tower Systems versorgt norwegisches Dorf Rjukan in der Winterzeit mit reflektiertem Sonnenlicht

2009 gründeten Joachim Maaß, Philipp Schramek, Guy Gaines und Antoine Bittar die international aufgestellte Technologiefirma Solar Tower Systems (STS). Diese entwickelt Spiegel zur Reflektion des Sonnenlichts, sogenannte Heliostaten, die für solarthermische Kraftwerke in sonnenreichen Gegenden wie Saudi-Arabien, Nordafrika und Australien eingesetzt werden. Diese sind üblicherweise zu einem großen Spiegelfeld angeordnet und projizieren die Sonnenstrahlung auf einen Turm. Dort befindet sich ein zentraler Receiver, in dem die konzentrierte Solarstrahlung absorbiert und in Hochtemperatur-Wärme zur Stromerzeugung umgewandelt wird. Dass die Technologie von Solar Tower Systems jedoch auch sonnenarme Gebiete mit mehr Tageslicht versorgen kann, beweist das Starnberger Unternehmen mit einem im Herbst 2013 fertiggestellten Projekt in Norwegen.

Reflektierende Heliostaten erhellen den Stadtplatz von Rjukan
Die Gemeinde Rjukan liegt in einem so engen Tal, dass ihre 3.500 Einwohner während der gesamten Winterperiode von September bis März kein direktes Sonnenlicht zu spüren bekommen. Die Berge schirmen es ab und bescheren den Bewohnern dunkle Tage. STS wurde deshalb 2012 mit dem Design, der Herstellung und der Installation einer Spezialanfertigung seiner Sonnenspiegeltechnologie beauftragt. Das Unternehmen errichtete dazu an einem nahe gelegenen Berghang drei bewegliche Spiegel, die das Sonnenlicht auf den Dorfplatz reflektieren. Jeder der 17 Quadratmeter großen und rund 1200 Kilogramm schweren Heliostaten folgt computergesteuert dem Sonnenlauf. Zwei Webcams sind geschützt in einer kleinen Hütte neben dem System untergebracht und informieren jederzeit über die Wetterverhältnisse und den Zustand der Anlage. Zudem sorgen Wind- und Temperaturmessungen für einen sicheren Betrieb – bei schlechten Wetterbedingungen fahren die Heliostaten automatisch in eine Schutzposition. Die autarke Stromversorgung der kompletten Anlage erfolgt dezentral durch Solarzellen, ein kleines Windrad sowie Akkus, in denen der Strom zwischengespeichert wird. Das System ist über eine Funkverbindung mit einem Computer im Rathaus verbunden, auf den STS von Starnberg in Deutschland aus zu Wartungszwecken jederzeit zugreifen kann.

Für STS bedeutete das Projekt im Gegensatz zu den üblichen Konstruktionen der Heliostaten ganz neue Herausforderungen. „Wir waren bei diesem Vorhaben von Beginn an mit anderen Anforderungen als gewohnt konfrontiert“, erklärt Joachim Maaß, Projektleiter und CEO bei Solar Tower Systems. „Vor allem die winterlichen Temperaturen und die hohe Windgeschwindigkeit in Rjukan von bis zu Windstärke zwölf unterscheiden sich eklatant von den Gegebenheiten unserer sonstigen Einsatzorte wie Saudi-Arabien oder Australien. Bei der Konstruktion der Heliostaten kam es deshalb weniger auf Materialeinsparungen an, sondern darauf, dass das System den Extrembedingungen standhält.“ Die Spiegelkonstruktionen von STS mussten bis zu diesem Zeitpunkt noch nie Schneelasten aushalten und waren stets auf ebenem Untergrund in Richtung Himmel angeordnet. In Rjukan wurden die Heliostaten in rund 500 Metern Höhe an einem Berghang oberhalb der Stadt montiert. Die Spiegelsysteme mussten dafür so konstruiert werden, dass diese auch nach unten reflektieren können.

Schnelle Realisierung dank Software-Unterstützung
Als Cleantech Partner von Autodesk nutzt STS bereits seit 2011 hochwertige Design- und Konstruktionslösungen des Softwareherstellers, die dem Unternehmen zu einem Bruchteil des eigentlichen Preises zur Verfügung gestellt wurden. „Bei unserem Projekt in Rjukan war die Product Design Suite von Autodesk unverzichtbar“, sagt Joachim Maaß. „Wir hatten für das Design und die Konstruktion der Anlage nur ein halbes Jahr Zeit. Ohne die Software wäre es gar nicht möglich gewesen, das Projekt in diesem Zeitraum zu realisieren.“ Um den Witterungsbedingungen in Rjukan standzuhalten, mussten die Heliostaten in erster Linie eine hohe Steifigkeit aufweisen und so konstruiert werden, dass das Team sie auch ohne die Hilfe großer Baumaschinen auf dem Berg montieren konnte. STS entwickelte mit der Product Design Suite von Autodesk einen digitalen Prototyp des Spiegelsystems, um diesen bereits vor der Herstellung hinsichtlich der korrekten Ausrichtung der Heliostaten zu validieren und auf seine Stabilität und Sicherheit hin zu prüfen. „Wir konnten mithilfe einer Finite-Element-Berechnung präzise mechanische Simulationen durchführen, um das Produktverhalten zu testen und den optimalen Materialeinsatz zu ermitteln“, erläutert Maaß. „Bei der Simulation haben wir besonders von den vorinstallierten Autodesk Material Bibliotheken profitiert, die unsere Arbeit durch die verschiedenen Standard-Definitionen deutlich effizienter gestaltet haben.“ Neben der einfachen Handhabung und der Zeitersparnis brachte STS die Simulation mit Autodesk Inventor einen weiteren großen Vorteil. „Dank der 3D-Visualisierungen hatten alle Projektpartner bereits in einem frühen Stadium der Designphase ein visuelles Verständnis des Produkts, was dem Projekt noch mehr Zuspruch bescherte“, so Maaß.

Ein gutes Werk vollbracht
Was mit neuester Technik konstruiert wurde, musste im Sommer 2013 mit simpler manueller Hebetechnik installiert werden. Da einige Teile der Heliostaten zu schwer waren, um sie mit dem Hubschrauber auf den Berg zu fliegen, nutzte das Team von STS ein Dreibein aus Holz und eine Seilwinde. Stück für Stück setzten die Mitarbeiter die Anlage zusammen, bis sie im Oktober 2013 eingeweiht werden konnte. Seitdem ist der Stadtplatz von Rjukan auch im Winter ein beliebter Ort, an dem sich die Einwohner treffen und verweilen. „Es ist schön zu sehen, dass die Bürger diese neu geschaffene Möglichkeit nutzen“, sagt Maaß. „Über unsere Webcam können wir sehen, wie die Leute auf den Platz kommen, sich auf eine Bank setzen oder sich zu einem Gespräch in die Sonnen stellen und von den Strahlen wärmen lassen.“ Ähnliche Projekte wie das in Rjukan schließt Joachim Maaß auch für die Zukunft nicht aus. Aktuell konzentriert sich das Unternehmen aber auf sein Kerngeschäft und plant eine Referenzanlage eines solarthermischen Kraftwerks in Saudi-Arabien mit einer Kapazität von acht bis zehn Megawatt. Diese wird gemeinsam mit einem dort ansässigen Partner sowie mithilfe von Autodesk-Lösungen realisiert und soll als Standard für weitere Projekte dienen.