Forscher aus zwei Labors des US-Energieministeriums, dem Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL) und das Argonne National Laboratory, untersuchte, wie eine Kombination aus Solarmodulen, Windturbinen und Batteriespeichern eine kostengünstige Möglichkeit bieten könnte, die Forschungskapazitäten am Südpol durch deutliche Kostensenkungen zu erweitern. Die Idee, auf Dieselkraftstoff zu verzichten, der speziell für extreme Kälte entwickelt wurde, entsteht, während Wissenschaftler auf zukünftige Experimente blicken.
„Energie ist am Südpol eine sehr begrenzte Ressource“, sagt Amy Bender, eine argonische Physikerin, die für die Infrastruktur der aktuellen Südpol-Teleskopsysteme verantwortlich ist.
An Forschungsstationen in der Antarktis liefert Dieselkraftstoff nahezu die gesamte benötigte Energie. Der Treibstoff wird in die Antarktis verschifft und per Flugzeug oder LKW zum Südpol transportiert – ein kostspieliges Unterfangen, das durch die Nutzung von Wind- und Solarenergie deutlich eingespart werden könnte. Laut Bender ist das National Science Foundation (NSF), das Forschungsstationen auf dem Kontinent verwaltet, hat die Herausforderung der Treibstoffversorgung „brillant“ gemeistert, bleibt aber eine Herausforderung.
Die Technologie würde unter extremen Bedingungen funktionieren
Bender, der sechs Sommer lang umgerechnet ein Jahr am Südpol verbracht hat, ist der Autor eines kürzlich veröffentlichten Artikels, in dem er die Wirtschaftlichkeit und Machbarkeit der Nutzung erneuerbarer Energien dort untersucht. Die NSF veröffentlichte im Jahr 2000 die Ergebnisse eines kleinen Tests von Solarmodulen und NREL untersuchte fünf Jahre später, ob Windturbinen funktionieren würden. Beide Technologien funktionierten unter extremen Bedingungen erfolgreich. Die NSF hat einen Entwurf eines Masterplans für die Südpolstation veröffentlicht, der die Prüfung aktueller erneuerbarer Energietechnologien vor Ort empfiehlt, um deren Eignung für den Standort festzustellen.
„Der Südpol ist einer der extremsten Orte auf dem Planeten“, sagt Ian Baring-Gould, Leiter der Abteilung Wind Technology Deployment am NREL und Mitautor der Forschungspublikation. „Aus technologischer Sicht sind wir aufgrund unserer bisherigen Untersuchungen ziemlich zuversichtlich, dass die Turbinen bei 70 Grad unter Null betrieben werden können. Nichts hindert uns daran, es zu tun. Offensichtlich tun die Leute es nicht regelmäßig, weil sie es nicht müssen. Das Gleiche gilt für Solarenergie. „Solarmodule funktionieren normalerweise nicht bei minus 70 Grad, weil sie das nicht brauchen.“
Die neuseeländische Regierung installierte 2009 drei Windturbinen, und der von ihnen erzeugte Strom versorgt die Scott Base in diesem Land und die McMurdo Station in den Vereinigten Staaten mit Strom. McMurdo liegt etwa 850 Kilometer nördlich des Südpols und ist der Landeplatz für den gesamten Treibstoff, der schließlich zum Südpol gelangt.
Nachdem die Technologien in Klimazonen mit Minusgraden getestet wurden, ging es beim nächsten Test um wirtschaftliche Aspekte. Die Dieselkosten „sind jetzt viel höher als in dieser Studie von 2005“, sagt Baring-Gould.
Die neue Studie schätzt, dass sich die Energiekosten für die Stromversorgung des Südpols auf 4,09 US-Dollar pro Kilowattstunde (kWh) für Diesel belaufen, verglichen mit 33 Cent für Windkraft und 23 Cent für Solarenergie.
Mithilfe des von NREL entwickelten Renewable Energy Integration and Optimization Tool (REopt), das die Wirtschaftlichkeit eines erneuerbaren Projekts berechnet, stellten die Forscher fest, dass das kostengünstigste Szenario für die Bereitstellung einer konstanten Leistung von 170 kW für die neue Forschungsausrüstung am Südpol besteht eines Hybridsystems, das sechs Windkraftanlagen, 180 Kilowatt Solarenergie und 3,4 Megawattstunden Batterieenergiespeicher umfasst. Diese Kombination reduziert den Dieselenergieverbrauch um 96 % und verringert die Notwendigkeit, Kraftstoff zum Südpol zu transportieren, sowie die daraus resultierenden Umweltschäden, die durch die Verbrennung dieses Kraftstoffs an einem so unberührten Ort entstehen. Über 15 Jahre hinweg würden sich die Einsparungen durch weniger Dieselverbrauch auf 57 Millionen Dollar belaufen. Die für die Installation erneuerbarer Technologien erforderlichen Investitionen in Höhe von 10 Millionen US-Dollar könnten der Studie zufolge in etwa zwei Jahren amortisiert werden.
„Es könnte etwas mehr sein. „Es mag etwas weniger sein, aber es amortisiert sich wirklich schnell im Hinblick auf die andere Option, mehr Dieselkraftstoff zu verbrennen, um diesen Energiebedarf zu decken“, sagte Nate Blair, Co-Autor des Papiers und Gruppenleiter bei Accelerated Deployment and Support Center. Entscheidungen bei NREL. Während die Forschungsstationen expandieren, sagte er, „ist es nicht klar, ob das aktuelle System viele zusätzliche Lasten unterstützen kann.“
Nichts steht im Weg
Eine Analyse, die zeigt, dass erneuerbare Energien am Südpol funktionieren werden, ist der erste Schritt.
„Aus technologischer Sicht gibt es nichts wirklich Kompliziertes, das uns daran hindert oder hindert, es zu tun“, sagt Baring-Gould, der den Südpol bereits bei anderen Gelegenheiten besucht hat, um der NSF zu helfen, zu verstehen, wie man erneuerbare Energien zur Reduzierung nutzt Energie aus fossilen Brennstoffen. Die Gestaltung und Platzierung erneuerbarer Energien erfordert zusätzliche Arbeit. Beispielsweise müssen Sonnenkollektoren so konstruiert sein, dass sie nicht in Schneeverwehungen versinken. Die Fundamente der Windkraftanlagen werden im Eis verankert, was in dieser Größenordnung noch nie versucht wurde. “Wir können es 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 Kinderspiel, aber es gibt nichts, was es aufhalten kann.“
Neben den meteorologischen Bedingungen erfordert auch die Lage des Südpols eine andere Herangehensweise an die Nutzung erneuerbarer Energien. Die Sonne beispielsweise beleuchtet die Region nur sechs Monate im Jahr und erreicht in dieser Zeit eine maximale Höhe von 23,5 Grad über dem Horizont, stellten die Forscher fest. Sie schlugen eine Solaranlage vor, bei der die Module vertikal angeordnet sind, um die Schneeansammlung zu minimieren, und bei der die Module in vier Unteranordnungen angeordnet sind, die auf die Himmelsrichtungen ausgerichtet sind, um die maximale Energiemenge der über ihnen rotierenden Sonne einzufangen.
An der Lösung eines möglichen Problems beim Einsatz von Windkraftanlagen muss weiter gearbeitet werden. Die Turbinen können bei einigen Experimenten an der Amundsen-Scott-Südpolstation elektromagnetische Störungen verursachen. Nach Ansicht der Forscher muss eine detaillierte Bewertung durchgeführt und ein Abhilfeplan entwickelt werden.
Baring-Gould, der den Südpol als einen „unglaublich schönen Ort“ beschreibt, sagte, die neue Studie bestätige „eindeutig, dass überall auf dem Planeten, wo Diesel verwendet wird, erneuerbare Energien als wirklich praktikable Option in Betracht gezogen werden müssen.“ Das wird nicht immer so sein, aber es muss berücksichtigt werden.“
