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Kochen und Kühlen mit der Sonne

Viele Technologien zur Solarenergienutzung, die uns heute vertraut sind, haben ihre Wurzeln im 19. Jahrhundert. Teil 3 unserer Jubiläumsserie beschreibt einen frühen Vorläufer von „Desertec“, das erste Beispiel für solare Kühlung und den frühen Boom thermischer Solarkollektoren in den USA.

Das 19. Jahrhundert war zwar die Ära der großen Gewächshäuser als Glas, bildete insgesamt jedoch einen Tiefpunkt im solaren Bauen. Unvergessen sind die Beschreibungen von Friedrich Engels und Charles Dickens über die verrußten, dicht an dicht stehenden Arbeiterquartiere Englands. In den Mietskasernen deutscher Großstädte waren die Verhältnisse nicht besser. Selbst das Bürgertum begann in der zweiten Jahrhunderthälfte, seine Wohnräume mit dicken Vorhängen vom vermeintlich schädlichen Tageslicht abzuschotten.

In Europa herrschte das Kohlezeitalter, Schwerindustrie und Eisenbahnbau erlebten ihre große Blütezeit. An ein Ende der fossilen Ressourcen dachten die wenigsten Zeitgenossen. Interessanterweise entstanden jedoch just in dieser Zeit erste Experimente zur aktiven Solarenergienutzung, die frappierende Ähnlichkeit mit noch heute üblichen Technologien besitzen. Der französische Mathematikprofessor Augustin Mouchot konstruierte ab 1860 eine Reihe von solaren Wassererhitzern aus Reflektoren in unterschiedlichen Formen und wasserdurchflossenen, zylindrischen Absorbern aus geschwärztem Kupfer. Teils nutzte Mouchot diese Geräte als Solarkocher, teils als Destillierapparat für Branntwein und teils zur Dampferzeugung, um Motoren und Pumpen anzutreiben.

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Solar angetriebene Wärmemaschine von Augustin Mouchot während der Weltausstellung 1878 in Paris

Seine größte Solarmaschine, die Mouchot für die Weltausstellung 1878 in Paris konstruierte, besaß einen konischen Reflektor von fünf Metern Durchmesser – genug, um eine Pumpe anzutreiben, die rund 2000 Liter Wasser in der Stunde befördern konnte, und genug, um damit sogar Eis herzustellen. Indem Mouchot seinen Apparat an eine Kältemaschine koppelte, die der französische Ingenieur Ferdinand Carré bereits in den 1850er-Jahren konstruiert hatte, gelang ihm das erste überlieferte Beispiel für solare Kälteerzeugung überhaupt.

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Solarmaschine von Augustin Mouchot (1878:)

Selbst mit der Speicherung der gewonnenen Solarenergie setzte sich Mouchot intensiv auseinander. Er schlug vor, sie zur thermoelektrischen Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu nutzen – eine Treibstoffreserve, die „ebenso wertvoll wie im Überfluss vorhanden wäre“, wie er seinerzeit schrieb. Weitere größere Experimente mit der Solarenergie blieben Mouchot jedoch versagt. Die sinkenden Kohlepreise in Frankreich und die hohen Kosten für die silberbeschichteten Reflektoren machten eine Weiterverfolgung des Mouchot´schen Konzeptes unwirtschaftlich.

Ähnlich erging es dem amerikanischen Autodidakten Frank Shuman, der 30 Jahre später den ersten Prototypen eines solaren Rinnenkraftwerks konstruierte. Shumans Erfindung ist der Vorläufer der heutigen Solarkraftwerke in Spanien und Kalifornien und weist schon frappierende Parallelen zum geplanten Projekt „Desertec“ auf, mit dem deutsche Großunternehmen in der Sahara Solarstrom erzeugen wollen.

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Solar-Rinnenkraftwerk von Frank Shuman in Meadi/Ägypten (1913)

Shuman erkannte bereits, dass sein Solarkraftwerk, wenn überhaupt, in den Wüstenregionen der Erde wirtschaftlich konkurrenzfähig werden könnte. Finanziell unterstützt durch eine Gruppe britischer Investoren, errichtete er ab 1913 im damaligen britischen Protektorat Ägypten ein Kraftwerk aus fünf langgestreckten Parabol-Rinnenkollektoren, die Solarwärme auf ein in ihrem Brennpunkt aufgehängtes Zinkrohr reflektierten und darin Wasser erhitzten. Shumans Kraftwerk erreichte eine Leistung von 55 Pferdestärken und war angesichts der damaligen Kohlepreise in Ägypten auch mit fossilen Kraftwerken konkurrenzfähig. Ein Jahr später beauftragte die deutsche Regierung Shuman mit dem Bau eines weit größeren Kraftwerks in der damaligen Kolonie Deutsch-Südwestafrika. Der Ausbruch des Ersten Weltkriegs verhinderte jedoch die Realisierung der Pläne. Nach Ende des Krieges waren die Erdölpreise im britischen Empire so weit gefallen, dass kaum noch jemand Interesse am Bau solarer Großkraftwerke hatte.

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Anzeige für den ?Climax?-Solarkollektor von Clarence Kemp aus Baltimore (1892)

Ein drittes frühes Beispiel für die - diesmal massenhafte – aktive Nutzung der Solarenergie waren die solaren Warmwassererhitzer, die sich seit den 1890er-Jahren auf dem amerikanischen Markt etablierten. Auch ihr Aufbau besitzt deutliche Ähnlichkeiten mit heutigen Flachbettkollektoren: Rechteckige Kästen mit Glasabdeckung, die zunächst zylindrische Wassertanks aus geschwärztem Eisen, später auch flachere Absorberbleche mit angeschweißten Kupferrohren enthielten. Bald schon erkannte man, dass die Warmwasserspeicherung von entscheidender Wichtigkeit für den Nutzerkomfort war: Niemand wollte den Zeitpunkt seines warmen Bades nach der maximalen Sonneneinstrahlung richten.

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Wohnhaus in Kalifornien (Schemazeichnung mit ?Day and Night?-Solarkollektor (um 1910)
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Do-it-yourself-Montageanleitung für einen Solarkollektor aus dem Magazin ?Popular Mechanics? von 1935

Ihre größte Verbreitung fanden die solaren Warmwassersysteme in den sonnenreichen Bundesstaaten Kalifornien und Florida. Pannen blieben nicht aus – etwa, als im haften Winter 1913 zahlreiche Kollektoren einfroren und die Kollektorröhren zum Platzen brachten. William J. Bailey, der Erfinder des seinerzeit erfolgreichsten Warmwassererhitzers „Day and Night“, ersann daraufhin eine Lösung, die in ähnlicher Weise bis heute praktiziert wird. Statt Wasser durchströmte fortan ein frostbeständiges Wasser-Alkoholgemisch die Kollektorröhren.

Ebenso wie der Markterfolg der Solarmotoren und Solarkraftwerke zuvor hing auch jener der solaren Warmwasserbereitung eng mit der Preisentwicklung fossiler Brennstoffe zusammen. In Kalifornien war die Solarwärme so lange konkurrenzfähig, wie Kohle und Öl relativ teuer waren. Als in den 20er-Jahren im Hinterland von Los Angeles große Erdgasvorkommen entdeckt wurden, war es dort mit der solaren „Herrlichkeit“ vorbei. Waren noch 1920 rund 1000 „Day and Night“-Systeme in kalifornischen Wohnhäusern installiert worden, waren es 10 Jahre später nur noch 40.

Weit länger und weit erfolgreicher hielt sich die Solarwärme-Industrie in Florida: Dort setzte um 1935, begünstigt durch niedrige Hypothekenzinsen, ein regelrechter Einfamilienhaus-Bauboom ein. Mindestens 25000 solare Warmwassersysteme wurden allein in Miami zwischen 1935 und 1941 installiert; Schätzungen zufolge waren 80% aller neuen Wohnhäuser in Miami zwischen 1938 mit einem solchen System ausgestattet.

Erst der Kriegseintritt der USA brachte den Boom zum Erliegen. Als sich die Bauwirtschaft nach dem Zweiten Weltkrieg wieder erholte, hatten sich die Vorzeichen auch hier gewandelt: Elektrische Warmwassergeräte eroberten den Markt, die Strompreise sanken auf historische Tiefststände, und die solar betriebenen Geräte konnten den schnell steigenden Warmwasserbedarf der Bevölkerung nicht länger befriedigen. In einer Art Überkompensation für die vorangegangene Mangelwirtschaft steigerten die USA ihren Energieverbrauch zwischen 1945 und 1968 um das Fünffache. Diesen Bedarf konnten nur noch fossile Brennstoffe und die neu entdeckte Atomenergie decken. Die erneuerbaren Energien wanderten zunehmend in Nischenanwendungen ab.

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