Wie der Südpol mithilfe erneuerbarer Energietechnologien mit Energie versorgt werden kann

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Am anderen Ende der Welt bietet sich die Möglichkeit, dem Planeten die Bedeutung und Zuverlässigkeit erneuerbarer Energien zu zeigen.

Forscher in zwei Laboren des US-Energieministeriums – dem National Renewable Energy Laboratory (NREL) und dem Argonne National Laboratory – untersuchten, wie eine Kombination aus Solarmodulen, Windturbinen und Batteriespeichern eine kostengünstige Möglichkeit bieten könnte, die Forschungskapazitäten am Südpol zu erweitern und gleichzeitig die Kosten deutlich zu senken. Die Idee, von Dieselkraftstoff abzuweichen, der speziell für extreme Kälte entwickelt wurde, kommt im Hinblick auf zukünftige Experimente.

„Energie ist am Südpol einfach eine sehr begrenzte Ressource“, sagt Amy Bender, eine Physikerin in Argonne, die für die Infrastruktur der bestehenden Südpol-Teleskopsysteme verantwortlich ist.

Von der Forschung bis zum Leben in den Forschungsstationen in der Antarktis liefert Dieselkraftstoff fast die gesamte benötigte Energie. Der Kraftstoff wird in die Antarktis verschifft und dann per Flugzeug oder LKW zum Südpol transportiert, ein teures Unterfangen, das durch Wind- und Solarenergie erheblich reduziert werden könnte. Bender sagte, die National Science Foundation (NSF), die die Forschungsstationen auf dem Kontinent betreibt, habe die Herausforderung der Kraftstoffversorgung „brillant“ gemeistert, aber es bleibe eine Herausforderung.

Technologie würde auch unter extremen Bedingungen funktionieren

Bender, der insgesamt ein Jahr am Südpol verbracht hat – aufgeteilt auf sechs Sommer – ist Mitautor eines kürzlich erschienener Artikel Prüfung der Wirtschaftlichkeit und Durchführbarkeit der Nutzung erneuerbarer Energien dort. Es gibt eine lange Tradition der Prüfung erneuerbarer Energien dort. So veröffentlichte die NSF im Jahr 2000 die Ergebnisse eines Tests mit Solarmodulen im kleinen Maßstab und das NREL untersuchte fünf Jahre später, ob Windturbinen funktionieren würden. Beide Technologien konnten unter den dortigen extremen Bedingungen erfolgreich eingesetzt werden. Die NSF hat einen Entwurf eines Masterplans für die Südpolstation veröffentlicht, der empfiehlt, vor Ort Tests aktueller Technologien für erneuerbare Energien durchzuführen, um ihre Eignung für den Standort zu ermitteln.

„Der Südpol ist einer der extremsten Orte auf dem Planeten“, sagte Ian Baring-Gould, Wind Technology Deployment Manager bei NREL und Mitautor der Forschungsveröffentlichung. „Aus technologischer Sicht sind wir aufgrund der bisherigen Forschung ziemlich zuversichtlich, dass die Turbinen bis zu minus 70 Grad betrieben werden können. Nichts hält uns davon ab. Natürlich machen die Leute das nicht regelmäßig, weil es nicht nötig ist. Dasselbe gilt für Solarenergie. Solarmodule funktionieren normalerweise nicht bis minus 70 Grad, weil es nicht nötig ist.“

Die neuseeländische Regierung hat 2009 drei Windturbinen installiert, deren Strom die Scott Base des Landes und die McMurdo-Station der USA mit Strom versorgt. McMurdo liegt etwa 1.370 Kilometer nördlich des Südpols und ist der Landeplatz für den gesamten Treibstoff, der letztendlich zum Südpol transportiert wird.

Nachdem sich die Technologien bei Temperaturen unter Null bewährt hatten, ging es im nächsten Test um die Wirtschaftlichkeit. Die Kosten für Dieselkraftstoff „sind heute viel höher als damals in der Studie von 2005“, sagte Baring-Gould.

Der neuen Studie zufolge betragen die Stromgestehungskosten für die Energieversorgung des Südpols 4,09 Dollar pro Kilowattstunde (kWh) für Dieselkraftstoff, verglichen mit 33 Cent für Wind- und 23 Cent für Solarenergie.

Mithilfe des von NREL entwickelten Tools „Renewable Energy Integration and Optimization“ (REopt), das die wirtschaftliche Rentabilität eines Projekts im Bereich erneuerbarer Energien berechnet, ermittelten die Forscher das kostengünstigste Szenario zur konstanten Versorgung neuer Forschungsgeräte am Südpol mit 170 kW Leistung. Dieses umfasst ein Hybridsystem mit sechs Windturbinen, 180 Kilowatt Solarenergie und 3,4 Megawattstunden Batteriespeicher. Diese Kombination reduziert den Dieselverbrauch um 96 %, wodurch weniger Kraftstoff zum Südpol transportiert werden muss und die daraus resultierende Umweltbelastung durch die Verbrennung dieses Kraftstoffs an einem so unberührten Ort verringert wird. Im Laufe von 15 Jahren würden sich die Einsparungen durch den geringeren Dieselverbrauch auf 57 Millionen Dollar belaufen. Die 10 Millionen Dollar Investition, die für die Installation der erneuerbaren Technologien erforderlich sind, könnten laut der Studie in etwa zwei Jahren wieder hereingeholt werden.

„Es könnte etwas mehr sein. Es könnte etwas weniger sein, aber es zahlt sich wirklich schnell aus, wenn man die andere Möglichkeit betrachtet, mehr Dieselkraftstoff zu verbrennen, um diesen Energiebedarf zu decken“, sagte Nate Blair, Mitautor der Studie und Gruppenleiter im Accelerated Deployment and Decision Support Center am NREL. Angesichts der Ausweitung der Forschungsstationen, sagte er, „ist es nicht klar, ob das derzeitige System eine große zusätzliche Belastung bewältigen kann.“

Ein solches Forschungsprojekt ist das South Pole Telescope, ein Mikrowellenteleskop am Südpol, das die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung messen soll, also das Licht, das vor Milliarden von Jahren erstmals auftrat.

„Wir versuchen, einige der frühesten Lichterscheinungen im Universum zu untersuchen“, sagte Bender, Mitglied der Argonne-Gruppe für Experimentelle Kosmologie und Doktor der Astrophysik. „Es handelt sich um Licht, das etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt wurde, also im Wesentlichen 13 Milliarden Jahre alt ist.“

Was mit bloßem Auge oder sogar mit einem weniger leistungsstarken Teleskop nicht zu erkennen ist, ist eine Lichtwellenlänge von nur etwa einem Millimeter. Der Wasserdampf in der Erdatmosphäre stört die Beobachtung dieser winzigen Wellenlängen, weshalb die Platzierung der Teleskope von entscheidender Bedeutung ist.

„Am Südpol ist es so unglaublich kalt, dass das Wasser tatsächlich zu Eiskristallen gefroren ist, und Eiskristalle verdecken die Sicht nicht. Wir können direkt durch sie hindurchsehen“, sagte Bender. „Deshalb sind wir am Südpol. Es ist im Grunde der beste Ort auf der ganzen Erde, um diese Art von Wissenschaft zu betreiben.“

„Nichts steht im Weg“

Die Analyse, die zeigt, dass erneuerbare Energien am Südpol funktionieren werden, ist der erste Schritt.

„Aus technologischer Sicht gibt es hier nichts wirklich Kompliziertes, warum wir das nicht tun können oder sollten“, sagte Baring-Gould, der den Südpol bereits zuvor besucht hat und die NSF dabei unterstützt hat, zu verstehen, wie erneuerbare Energien genutzt werden können, um die Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen zu reduzieren. Die Gestaltung und Platzierung der erneuerbaren Energien wird zusätzliche Arbeit erfordern. Die Solarmodule müssen beispielsweise so gestaltet werden, dass sie nicht von Schneeverwehungen begraben werden. Das Fundament der Windturbinen wird im Eis verankert, was seiner Aussage nach in diesem Maßstab noch nie versucht wurde. „Wir können das schaffen. Das ist nicht das Problem. Aber wir müssen unsere Hausaufgaben machen, um sicherzustellen, dass wir es richtig machen und erfolgreich sind. Es ist kein Selbstläufer, aber nichts steht dem im Weg.“

Neben dem Wetter erfordert auch die Lage des Südpols einen anderen Ansatz für die Nutzung erneuerbarer Energien. Die Sonne beispielsweise beleuchtet die Region nur sechs Monate im Jahr und erreicht während dieser Zeit eine maximale Höhe von 23,5 Grad über dem Horizont, wie die Forscher betonten. Sie schlugen eine Solaranlage vor, bei der die Module vertikal aufgestellt sind, um die Schneeansammlung zu minimieren, und bei der die Paneele in vier Untergruppen angeordnet sind, die nach den Himmelsrichtungen ausgerichtet sind, um die maximale Energiemenge der über ihnen kreisenden Sonne einzufangen.

Es müssen noch weitere Arbeiten durchgeführt werden, um ein mögliches Problem beim Einsatz von Windturbinen zu lösen. Die Turbinen könnten bei einigen Experimenten an der Amundsen-Scott-Südpolstation elektromagnetische Störungen verursachen. Die Forscher sagten, es müsse eine detaillierte Bewertung durchgeführt und ein Plan zur Schadensbegrenzung entwickelt werden.

Baring-Gould, die den Südpol als „unglaublich schönen Ort“ beschreibt, sagte, die neue Studie „bestätigt wirklich deutlich, dass man an jedem Ort auf der Erde, an dem Dieselkraftstoff verwendet wird, über erneuerbare Energien als eine wirklich praktikable Option nachdenken sollte. Das wird nicht immer der Fall sein, aber man sollte es sich wirklich ansehen.“

Von Wayne Hicks. Mit freundlicher Genehmigung von NREL.