Fresnel-Kollektor

Ein Sonnenwärmekraftwerk oder Solarwärmekraftwerk ist ein Kraftwerk, das die Wärme der Sonne über Absorber als primäre Energiequelle verwendet. Daher sind daneben die Bezeichnungen solarthermisches Kraftwerk oder thermisches Solarkraftwerk üblich.

Sonnenwärmekraftwerke erreichen je nach Bauart höhere Wirkungsgrade und meist niedrigere spezifische Investitionen als Photovoltaikanlagen, haben jedoch höhere Betriebs- und Wartungskosten und erfordern eine bestimmte Mindestgröße. Sie sind nur in besonders sonnenreichen Regionen wirtschaftlich einsetzbar.

Es gibt verschiedene Konzepte für die Nutzung der Sonnenwärme zur Energiegewinnung, die sich in zwei Kategorien einteilen lassen: Kraftwerke, die die Direktstrahlung der Sonne mit Reflektoren auf einen Solarabsorber bündeln, und solche, die ohne konzentrierende Reflektoren arbeiten und die gesamte Globalstrahlung (Direkt- und Diffusstrahlung) nutzbar machen^[1].

Solarthermische Kraftwerke mit Bündelung der Direktstrahlung

Diese Kraftwerke (engl. Concentrating Solar Power, kurz CSP) verwenden konzentrierende Reflektorflächen, um das einfallende Sonnenlicht auf den Absorber zu bündeln. Die Reflektoren oder der Absorber werden der Sonne nachgeführt. Solarfarmkraftwerke sammeln die Wärme in vielen über die Fläche verteilten Absorbern, während in Solarturmkraftwerken und Paraboloidkraftwerken die Strahlung der Sonne mit Punktkonzentratoren auf einen Brennpunkt gebündelt wird. Dieser Art der Energiegewinnung wird in verschiedenen Studien, unter anderen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und von der Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC), großes Potential für eine wirtschaftliche Energiegewinnung in Wüstengebieten Nord-Afrikas und im Nahen Osten sowie im ariden Süden Europas (Spanien, Italien, etc.) zugesprochen. Hierbei stehen diese Konzepte im Zusammenhang mit einem verlustarmen Stromtransport nach Europa bzw. Mitteleuropa.

Wasserdampferzeugende Systeme eignen sich zur Unterstützung und damit Brennstoffeinsparung in konventionellen Dampfkraftwerken. In den reinen Solarkraftwerken gleichen Wärmespeicher die schwankende Sonneneinstrahlung aus, alternativ können hier andere Energieträger die Wärmeerzeugung in einstrahlungsschwachen Zeiten unterstützen.

Solarfarmkraftwerke

Das Kollektorfeld eines Solarfarmkraftwerkes besteht aus vielen parallel geschalteten Parabolrinnen- oder Fresnel-Kollektoren, so genannten Linienkonzentratoren. Die Zusammenschaltung von Paraboloidanlagen zu einem großen Kollektorfeld ist möglich, gegenüber Linienkonzentratoren jedoch sehr aufwändig. Parabolrinnenanlagen werden bereits kommerziell betrieben.

Im Kollektorfeld wird ein Wärmeträgermedium erhitzt, entweder Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf. Bei Thermoölanlagen sind Temperaturen von bis zu 390 °C erreichbar, die in einem Wärmeübertrager zur Dampferzeugung genutzt werden. Die Direktdampferzeugung (DISS = Direct Solar Steam) kommt ohne solche Wärmeübertrager aus, da der überhitzte Wasserdampf direkt in den Absorberrohren erzeugt wird. Damit sind Temperaturen von über 500 °C möglich. Der Wasserdampf wird anschließend wie in einem Dampfkraftwerk einer zentral angeordneten konventionellen Dampfturbine zugeführt, die an einen Generator gekoppelt ist.

Der besondere Vorteil dieses Kraftwerkstyps ist die konventionelle, relativ leicht verfügbare Technik.

Aufgrund der steigenden Energiekosten nimmt auch das Interesse an kleineren Anlagen die eine dezentrale Versorgung ermöglichen zu. Durch die Kopplung von Strom-, Prozesswärme-, Kälteerzeugung und Speichertechnologien könnten auch solche Systeme wirtschaftlich arbeiten.^[2]

Parabolrinnenkraftwerk in Kalifornien/USA, Kramer Junction

Skizze eines Parabolrinnen-kollektors. (Eine technisch weniger aufwändige Alternative sind so genannte Fresnelspiegel.)

Parabolrinnenkraftwerke

Parabolrinnenkollektoren bestehen aus gewölbten Spiegeln, die das Sonnenlicht auf ein in der Brennlinie verlaufendes Absorberrohr bündeln. Die Länge solcher Kollektoren liegt je nach Bautyp zwischen 20 und 150 Metern. In den Absorberrohren wird die konzentrierte Sonnenstrahlung in Wärme umgesetzt und an ein zirkulierendes Wärmeträgermedium abgegeben. Die Parabolrinnen werden aus Kostengründen meist nur einachsig der Sonne nachgeführt. Sie sind deshalb in Nord-Süd-Richtung angeordnet und werden der Sonne im Tagesverlauf von Ost nach West nachgeführt.

Bereits 1912 wurden Parabolrinnen zu Dampferzeugung für eine 45 kW-Dampfmotorpumpe in Meadi/Ägypten von Shumann und Boys eingesetzt. Die Kollektoren hatten eine Länge von 62 m, eine Aperturweite von 4 m und eine Gesamtaperturfläche von 1.200 m².

1916 hatte der Deutsche Reichstag 200.000 Reichsmark für eine Parabolrinnen-Demonstration in Deutsch-Südwest-Afrika bewilligt. Durch den Ersten Weltkrieg und das aufkommende Erdölzeitalter kam es jedoch nicht zu einer Umsetzung.

Zwischen 1977 und 1982 wurden Parabolrinnen-Prozesswärme-Demonstrationsanlagen in den USA installiert.

1981 wurde in Europa eine Demonstrationsanlage mit 500 kW elektrischer Leistung auf der Plataforma Solar de Almería in Betrieb genommen

Der kommerzielle Betrieb begann 1984 in den USA. Die mittlerweile neun SEGS-Kraftwerke (SEGS = Solar Electricity Generation System) in Südkalifornien produzieren eine Leistung von insgesamt 354 MW. Ein weiteres Kraftwerk namens Nevada Solar One mit einer Leistung von 64 MW wurde in Boulder City/Nevada errichtet und ging im Juni 2007 ans Netz. Die Absorberröhren dafür lieferte die deutsche Schott AG^[3], die auch bereits an den kalifornischen Kraftwerken beteiligt war. Der Wirkungsgrad dieses Kraftwerktyps wird mit 14 Prozent angegeben. Weitere Kraftwerke werden unter anderem in Marokko, Algerien, Mexiko und in Ägypten errichtet.

Im spanischen Andalusien werden seit Juni 2006 mit Andasol 1 und Andasol 2 (je 50 MW) die derzeit größten Solarkraftwerke Europas gebaut; ein drittes, baugleiches Kraftwerk mit identischer Leistung (Andasol 3) an gleicher Stelle ist in Planung. Die deutsche Firma Solar Millennium ist an diesen Solarkraftwerken mit Projektierung, Engineering und Steuerung wesentlich beteiligt. Dieser Kraftwerkstyp würde auch bei der Umsetzung des Grand Solar Plan zum Einsatz kommen.

Fresnel-Kollektoranlagen

Eine Weiterentwicklung der Parabolrinnen sind so genannte Fresnel-Spiegel-Kollektoren. Bei ihnen wird das Sonnenlicht über mehrere zu ebener Erde angeordneten parallele, ungewölbte Spiegelstreifen (nach dem Prinzip einer Fresnel-Linse) auf ein Absorberrohr gebündelt. Die Streifen werden einachsig nachgeführt. Ein zusätzlicher Sekundärspiegel hinter dem Rohr lenkt die Strahlung auf die Brennlinie. Dieses Konzept befindet sich derzeit in der praktischen Erprobungsphase.

Diese Bauweise verbindet die Funktionsprinzipien von Parabolrinnenkollektoren und Turmkraftwerken miteinander, wobei sowohl auf gewölbte Spiegel als auch auf mehrachsige Sonnenstandsnachführungen verzichtet wird und der modulare Aufbau erhalten bleibt. Von der Verwendung der einfacher herzustellenden ungewölbten Spiegelstreifen werden Kostenvorteile erwartet. Das Absorberrohr wird im Gegensatz zu den meisten Parabolrinnenkonstruktionen nicht bewegt. So können sehr lange Kollektoren gebaut werden, die durch fehlende Rohrbögen und flexible Verbindungen geringe Strömungswiderstände für das Wärmeträgermedium aufweisen. Dem stehen Verschattungsverluste zwischen den Spiegelstreifen gegenüber.

Seit 2004 unterstützt ein derartiges System die Dampferzeugung in einem australischen Kohlekraftwerk. Die Technologie wird von der Universität von New South Wales und Sydney erprobt. Die Anlage soll nach ihrer vollständigen Fertigstellung für das Kraftwerk Liddell im Hunter Valley, zirka 250 km nordwestlich von Sydney, rund 15 MW_th erzeugen und so zur Brennstoffeinsparung beitragen. Es handelt sich dabei um ein rund 60 × 30 m großes Feld aus ebenen Spiegeln, die das Sonnenlicht auf etwa 10 m hohe Linien über dem Kollektorfeld konzentrieren. Dort wird mit Direktdampferzeugung etwa 285 °C heißer Wasserdampf erzeugt.

Seit Juli 2008 ist im Auftrag von Gas Natural im spanischen Sevilla eine 352 m² große Anlage mit einer Spitzenleistung von 176 kW in Betrieb, welche die erzeugte Prozesswärme zum Antrieb einer Absorptionskältemaschine verwendet und damit ein Gebäude der Universität Sevilla kühlt.^[4]

Solarturmkraftwerke

Schema eines Solarturmkraftwerks

Beim Solarturmkraftwerk, auch Zentralreceiverkraftwerke genannt, handelt es sich zumeist um Dampfkraftwerke mit solarer Dampferzeugung. Die bislang mit Öl, Gas oder Kohle befeuerte Brennkammer wird durch eine solare „Brennkammer“ auf einem Turm ersetzt. Bei Sonnenschein richten sich hunderte bis tausende automatisch positionierender Spiegel (Heliostate) so aus, dass das Sonnenlicht auf den zentralen Absorber (Receiver) reflektiert wird. Durch starke Konzentration der Sonneneinstrahlung entstehen an der Spitze des Turms Temperaturen bis zu mehreren 1.000 °C. Die technisch sinnvoll handhabbaren Temperaturen liegen bei rund 1.300 °C. Die Temperaturwerte und der damit erreichbare thermodynamische Wirkungsgrad ist somit deutlich höher als bei Solarfarmkraftwerken. Das verwendete Wärmeträgermedium ist entweder flüssiges Nitratsalz, Wasserdampf oder Heißluft.

Solarschmelzofen in Odeillo - ein Gebäude mit Labor im Brennpunkt

Das gleiche Prinzip kommt beim Solarschmelzofen zur Anwendung. Auf diese Weise kann zum Beispiel Prozesswärme nahezu beliebiger Temperatur erzeugt und zur Beschleunigung chemischer Prozesse genutzt werden. Meistens wird die im Absorber entstehende Wärme jedoch über ein Dampfturbine und Gasturbine zur Stromerzeugung genutzt. Dafür wird im Receiver das Wärmeträgermedium auf bis zu 1.000 °C erhitzt und anschließend zur Dampferzeugung genutzt. Dieser treibt eine Turbine an. Der erzeugte Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist. Neben dem Parabolrinnenkraftwerk ist das Solarturmkraftwerk inzwischen ein weiterer, gut entwickelter Anlagentyp, der – wenn auch noch verbunden mit öffentlichen Förderprogrammen – Solarstrom wirtschaftlich zu Verfügung stellen kann.

Die größte amerikanische Anlage ist zurzeit noch „Solar Two“ (10 MW, Arbeitstemperatur: 290–570 °C) in Kalifornien.

Auf der PSA – eine spanischen Forschungsanlagen bei Almería/Spanien – stehen zwei Versuchsanlagen CESA-1 (7 MW_th) und SSPS-CRS (1,2 MW_th). Hier werden verschiedenen Receivertypen unter anderem auch deutsche Entwicklungen vom DLR getestet.

Der Solarofen bei Odeillo Font-Romeu (siehe Foto rechts) wurde bereits 1968 bis 1970 errichtet und ist mit 1 MW thermischer Leistung, ca. 3000 Arbeitsstunden jährlich und Temperaturen bis zu 3.800 °C bis heute einer der größten weltweit. ^[5]

In Deutschland wurde im Juli 2006 mit dem Bau eines solarthermischen Demonstrations- und Versuchskraftwerks in Jülich (NRW) begonnen, das im Januar 2009 den Testbetrieb aufnahm und 1,5 MW_el Leistung erbringen soll.^[6] Da die Arbeitstemperatur mit 600–800 °C sehr hoch ist, ist es effizienter als andere solarthermische Kraftwerke. Schwankungen im Leistungsangebot der Sonneneinstrahlung sollen bei dieser Anlage mittels eines neuartigen Wärmespeichers ausgeglichen werden. Dadurch kann die Stromerzeugung im Kraftwerk relativ unabhängig von der Sonneneinstrahlung und damit verbrauchsorientierter erfolgen. In Zukunft könnte dieses Kraftwerk bei fehlender Sonneneinstrahlung in Überbrückungsphasen konventionell mit Biomasse betrieben werden. Langfristig ließe sich mit Hilfe dieser Turmtechnologie sogar Wasserstoff durch Sonnenenergie erzeugen. ^[7] Der Aufbau und die Weiterentwicklungen der Anlage wird vom Solar-Institut Jülich und vom DLR betreut.

Bei Sevilla soll ein Solarpark mit insgesamt 302 MW und unterschiedlichen Technologien entstehen. Ende März 2007 ging als erstes ein von dem spanischen Konzern Abengoa errichtetes Solarturmkraftwerk (PS10 mit 11 MW und einem Jahresertrag von 23 GWh) ans Netz.^[8] Zu den Investitionskosten von rund 35 Mio. € wurden fünf Mio. € von der Europäischen Union aus Mitteln des Fünften Forschungsrahmenprogramms beigesteuert. In der zweiten Ausbaustufe wird derzeit eine Turmanlage mit 20 MW (PS20) errichtet. Nach einer weiteren Anlage mit 20 MW (AZ20) sollen noch fünf weitere Parabolrinnenkraftwerke mit je 50 MW entstehen. ^[9]

Paraboloidkraftwerke

10 kW Dish-Stirling-Anlage in Spanien

Bei Paraboloidkraftwerken, auch Dish-Stirling- oder Dish-Farm-Anlagen genannt, sind Paraboloidspiegel zweiachsig drehbar auf einem Gestell montiert. Diese reflektieren das Sonnenlicht auf einen im Brennpunkt angebrachten Wärmeempfänger. Diese Bauform ist sehr kompakt - die Spiegel werden mit Durchmessern von drei bis 25 Metern ausgeführt, womit Leistungen von bis zu 50 kW pro Modul erreichbar sind.

Bei Dish-Stirling-Anlagen ist dem Empfänger ein Stirlingmotor nachgeschaltet, der die thermische Energie direkt in mechanische Arbeit umsetzt. Diese Anlagen erreichen die höchsten Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Bei einem Experiment in Frankreich^[10] mit einem Parabolspiegel von 8,5 m Durchmesser (Fläche 56,7 m²) wurde eine Nettoleistung von 9,2 kW erzielt, das entspricht einem Wirkungsgrad von 16 %. Die Module eignen sich zur dezentralen Energieversorgung in abgelegenen Regionen und erlauben es, beliebig viele dieser Module zu einem großen Solarkraftwerk zusammenzuschalten.

Bei den selten eingesetzten Dish-Farm-Anlagen befindet sich im Brennpunkt ein Absorber, in dem ein Wärmeträgermedium erhitzt und zur Dampferzeugung genutzt wird. Zu diesem Zweck werden mehrere Paraboloidspiegel zusammengeschaltet, wobei sie derzeit wirtschaftlich nicht mit Linienkonzentratoren und Turmkraftwerken konkurrieren können.

Solarthermische Kraftwerke ohne Bündelung

Diese Kraftwerke haben keine nachgeführten Reflektoren, nutzen jedoch die gesamte einfallende Strahlung der Sonne (Globalstrahlung, also Direkt- und Diffusstrahlung).

Bei Solarteichkraftwerken bilden Schichten unterschiedlich salzhaltigen Wassers den Kollektor und Absorber, während diese Aufgabe bei Thermikkraftwerken einem großflächigen Kollektordach (ähnlich einem Treibhaus) zukommt.

Solarteichkraftwerke

In Solarteichkraftwerken, auch Salinity Gradient Solar Ponds/Lakes genannt, bilden flache Salzseen eine Kombination von Solarkollektor und Wärmespeicher. Das Wasser am Grund ist viel salzhaltiger und daher dichter als an der Oberfläche. Wird Sonnenstrahlung in den tieferen Schichten absorbiert, heizen sich diese auf 85 bis 90 °C auf. Aufgrund des durch den unterschiedlichen Salzgehalt bestehenden Dichtegradienten kann das erwärmte Wasser nicht aufsteigen, es findet keine Konvektion statt und die Wärme wird in der unteren Wasserschicht gespeichert. Die gespeicherte Wärme kann zur Stromerzeugung in einem Turbinen-Generator-Block verwendet werden und steht bei entsprechender Auslegung 24 Stunden pro Tag zur Verfügung. Da die erreichbaren Temperaturen vergleichsweise gering sind, muss bei der Stromerzeugung mit Arbeitsmedien gearbeitet werden, die bei niedrigen Temperaturen verdampfen. Die Umwandlung der Wärme in elektrischen Strom erfolgt daher mit Hilfe eines so genannten Organic Rankine Cycle-Kraftwerks, das zum Beispiel Ammoniakdampf als Arbeitsmedium nutzt.

Da die zur Verfügung stehenden Temperaturdifferenzen nur etwa 60 K erreichen, ist der Wirkungsgrad solcher Kraftwerke nur gering – er kann aus thermodynamischen Gründen theoretisch maximal nur etwa 15 % erreichen. Dennoch sind Solarteichkraftwerke besonders für Entwicklungsländer interessant, da mit relativ geringem Investitionsaufwand die dort vorhandenen sonnenreichen, vegetationslosen und unbebauten Flächen genutzt werden können. Wirtschaftlich attraktiv sind Sonnenteichkraftwerke vor allem auch dann, wenn die thermische Energie direkt ohne den Umweg über die Stromerzeugung genutzt werden kann, z.B. als Prozesswärme zur Trocknung oder Kühlung.

Thermikkraftwerke

Schema/Aufbau eines Aufwindkraftwerks

Thermikkraftwerke, auch Aufwindkraftwerk genannt, machen sich den Kamineffekt zu Nutze, bei dem warme Luft aufgrund ihrer geringeren Dichte nach oben steigt. Sie bestehen aus einem großen flächigen Glasdach (Kollektor), unter dem sich die Luft am Boden wie in einem Treibhaus erwärmt (siehe Treibhauseffekt). Die warme Luft steigt nach oben und strömt unter dem Glasdach zu einem Kamin in der Mitte der Anlage. Der entstehende Aufwind wird mit Hilfe einer oder mehrerer Turbinen, gekoppelt mit einem Generator, in elektrischen Strom umgewandelt. Den geringen technischen Anforderungen an solch eine Anlage steht der sehr niedrige Wirkungsgrad von selbst im besten Fall nur etwa 1 % gegenüber, der den erforderlichen Aufwand und die Baugröße solcher Anlagen unverhältnismäßig groß werden lässt. Um eine Leistung zu erreichen, die mit der eines üblichen Kohle- oder Kernkraftwerks vergleichbar ist, müsste der Kamin 1000 m oder noch höher sein und der Kollektor mehr als 100 km² überdecken (in diesem Beispiel betrüge der benötigte Durchmesser der Anlage mehr als 12 km).

Fallwindkraftwerke

Fallwindkraftwerke existieren derzeit nur als Konzept. Sie bestehen aus einem hohen (>1000 m) Turm, an dessen Spitze der Umgebungsluft durch Besprühen mit Wasser Energie entzogen wird. Durch die Verdunstungskälte und das Gewicht des Wassers fällt die Luft nach unten und treibt am Kaminfuß Windturbinen an. Sie eignen sich für heiße und trockene Klimate mit großen Wasservorräten (Meeresnähe).

Siehe auch

• Thermische Solaranlage
• Solarthermie
• Solarofen (Begriffsklärung)
• Liste der Kraftwerke (Abschnitte betreffend Solarkraftwerke)
• Solar Energy Generating Systems

Quellen

1. ↑ http://www.powerfromthesun.net/book.htm
2. ↑ Plattform für kleine und mittlere Solarthermische Kraftwerke; http://www.mss-csp.info
3. ↑ Pressemitteilung der SCHOTT AG vom 3. Oktober 2005; http://www.schott.com/german/news/press.html?NID=1775
4. ↑ PSE AG nimmt neuartige Fresnel-Solarkollektoranlage in Betrieb. .solarportal24.de (23. Juli 2008). Abgerufen am 31. August 2008.
5. ↑ http://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_04_02_sonne_geschichte_2.htm
6. ↑ Pressemitteilung 174/06 des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit vom 4. Juli 2006; online unter: http://www.bmu.de/pressemitteilungen/pressemitteilungen_ab_22112005/pm/37405.php
7. ↑ http://www.fh-aachen.de/uploads/media/Stadt_Juelich.pdf
8. ↑ http://www.abengoasolar.com/sites/solar/en/nproyectos_ps10.jsp
9. ↑ http://www.solucar.es Internetauftritt (spanisch und englisch)
10. ↑ [1] Ergebnisse in Südfrankreich

Literatur

• Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. Hanser Verlag, München, 1. Auflage 2008, ISBN 978-3-446-41444-0
• Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Hanser Verlag, München, 5. Auflage 2007, ISBN 978-3-446-40973-6

Weblinks

• www.trecers.net – Präsentationen zum Forum „10,000 Solar GigaWatts“ vom 23./24. April 2008 auf der Hannover Messe
• www.fv-sonnenenergie.de – ForschungsVerbund Sonnenenergie: Publikationen zu solarthermischen Kraftwerken
• Solare Hochtemperatursysteme – Detaillierte Darstellung und Chronologie der verschienenen Systeme
• www.solarserver.de/... – Artikel: „Strom aus Solarwärme: Solarthermische Kraftwerke als Option für eine klimafreundliche Elektrizitätsversorgung“ – Informationen über Parabolrinnenkraftwerke und Linksammlung über Solarprojekte
• www.stern.de – Artikel: „Strom aus der Wüste - Ein Platz an der Sonne“ – Informationen über solarthermische Kraftwerke und ihr Potential
• www.solarpaces.org – Initiative der Internationalen Energiebehörde (IEA) (englisch)
• www.dlr.de/tt/trans-csp/ – Studie des DLR – Wie 18 % des europäischen Strombedarfs durch solarthermische Kraftwerke im Nahen Osten und Nord-Afrika gedeckt werden könnten
• Eurosolar offizielle Seite von Eurosolar mit immer wieder aktuellen Infos und weiteren Links
• Prometheus Institute for sustainable development Seite des Prometheus Instituts, mit wissenschaftlich anspruchsvollen Infos zu neuesten Entwicklungen, insbesondere auch zur Solartechnik, von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology, MIT, (Travis Bradford et al.) gegründet
• Spaniens Parabolrinnenkraftwerk Andasol 1 Beitrag von 3sat/nano vom 9. Juni 2008, auch Solarturmkraftwerke werden erwähnt. Im ebd. verlinkten Videobeitrag werden letztere am Ende von einem Forscher als zukünftig wirtschaftlichste Form der Solarkraftwerke favorisiert.