Solarthermische Kraftwerke aus Deutschland
Mit solarthermischen Kraftwerken wird die Energie der Sonne in großtechnischen Anlagen zur Stromerzeugung genutzt.
Die Technologie im Überblick
Die bisher etablierten Technologien unterscheiden sich vor allem in der Art der Bündelung von Sonnenstrahlen. Bei Parabolrinnen-, Solarturm- und Paraboloidkraftwerken wird die Direktstrahlung über Reflektoren gebündelt. Die so konzentrierte Energie wird zur Erzeugung von Dampf genutzt mit dem konventionelle Stromgeneratoren angetrieben werden.
Das Solarfeld eines Parabolrinnenkraftwerkes enthält mehrere parallele Reihen von 20 bis 150 Meter langen Kollektoren, die aus gewölbten Spiegeln bestehen und das Sonnenlicht auf ein in der Brennpunktlinie verlaufendes Absorberrohr bündeln. Die in den Absorberrohren konzentrierte Sonnenstrahlung erhitzt über einen Wärmetauscher Wasser auf Temperaturen von etwa 400 Grad Celsius. Der so entstehende Wasserdampf treibt wie bei herkömmlichen Dampf- oder Gasturbinenkraftwerken einen Generator an. Parabolrinnenkraftwerke produzieren bereits seit 15 Jahren Strom zu wettbewerbsfähigen Preisen, zum Beispiel in der Mojave-Wüste. Bisher haben die 9 Anlagen dort mehr als 12 TWh Solarstrom erzeugt. Die erste europäische Anlage soll 2009 im südspanischen Andalusien Betrieb genommen werden. Drei Kraftwerksblöcke mit je 50 Megawatt Leistung und einer Kollektorfläche von 512.000 Quadratmetern werden bis zu 200.000 Menschen mit umweltfreundlichem Strom versorgen. An der Planung und Umsetzung sind deutsche Firmen maßgeblich beteiligt.
In der praktischen Erprobung sind auch so genannte Fresnel-Kollektoren als Weiterentwicklung der Parabolrinnen. Hier konzentrieren in Facetten angeordnete Spiegel die Sonnenenergie, mit der das Wasser direkt im Absorberrohr erhitzt und verdampft wird. Durch einen Sekundärspiegel über dem Absorberrohr kommen diese Anlagen bei gleicher Leistung mit kleineren Spiegelflächen aus.
In Solarturmkraftwerken wird die Sonnenstrahlung von Hunderten sich automatisch positionierender Spiegel auf einen zentralen Wärmetauscher/Absorber konzentriert. Die Temperaturen erreichen mit bis zu 1300°C deutlich höhere Werte als bei Parabolrinnenkollektoren. Prozesswärme kann mit nahezu beliebiger Temperatur generiert und auch für chemische Prozesse genutzt werden. In der Regel wird die im Absorber entstehende Wärme jedoch über ein Dampf- oder Gasturbinenkraftwerk zur Stromerzeugung genutzt. Das erste kommerzielle Solarturmkraftwerk Europas wurde 2006 bei Sevilla in Spanien errichtet und erreicht eine Leistung von 11 MW. Bis 2008 soll ein weiterer Turm mit 20 MW entstehen. Weitere Projekte sind seitens deutscher Firmen international in Planung. In Deutschland wurde in Jülich Mitte 2006 mit dem Bau eines Solarturmkraftwerks begonnen. Dieses Kraftwerk wird einen Speicher nutzen, um Schwankungen im Leistungsangebot der Sonneneinstrahlung auszugleichen. Dadurch kann die Stromerzeugung im Kraftwerk unabhängiger von der Sonneneinstrahlung und damit verbrauchsorientierter erfolgen.Die Erfahrungen aus der Errichtung und dem Betrieb dieses weltweit einzigartigen Kraftwerks sind Grundlage für die weitere Optimierung zukünftiger Projekte.
Bei Paraboloidkraftwerken reflektiert ein parabolisch gekrümmter und zweiachsig drehbarer Spiegel die Sonnenstrahlen auf einen im Brennpunkt angebrachten Wärmeempfänger. Hier werden Temperaturen von bis zu 1.000 Grad Celsius erzeugt. Als Übertragungsmedium für diese Temperaturen dient zum Beispiel Öl, mit dessen Hitze dann Wasserdampf erzeugt wird, der die Turbinen im Stromgenerator antreibt. Die elektrische Leistung einzelner Spiegel bewegt sich zwischen 10 und 50 Kilowatt pro Anlage, ebenfalls in größeren Zusammenstellungen.
Bei den so genannten Dish-Stirling-Anlagen ist dem Wärmeempfänger, in diesem Fall einer Schüssel, ein Stirlingmotor nachgeschaltet, der die thermische Energie direkt in mechanische Arbeit bzw. Strom umsetzt. Hier können Wirkungsgrade von mehr als 30 Prozent erzielt werden. Prototypanlagen gibt es beispielsweise auf der Plataforma Solar in Almería/Spanien. Diese Anlagen eignen sich als Stand-Alone-Systeme. Auch hier bietet sich die Möglichkeit, mehrere einzelne Anlagen zu einer „Farm“ zusammenzuschalten und so einen Bedarf zwischen 10 kW und mehreren MW zu decken.
Ausblick
Die deutsche Bundesregierung fördert die Entwicklung solarthermischer Kraftwerke seit mehreren Jahren und Deutschland ist in der Forschung und Entwicklung dieser Technologie weltweit führend. Alle wesentlichen Komponenten wie zum Beispiel die Präzisionsspiegel für Parabolrinnenkraftwerke werden in Deutschland entwickelt und produziert. Beim Bau und Betrieb von verschiedenen Pionierprojekten dieser Kraftwerke – entweder unter deutscher Leitung oder mit deutscher Beteiligung - wurden wertvolle Erfahrungen gesammelt. Solarthermische Kraftwerke lassen sich durch ausgeklügelte Wärmespeichersysteme rund um die Uhr nutzen. Derzeit werden in Deutschland verschiedene Speichermethoden weiterentwickelt und effiziente Methoden zur Kombination mit konventionellen Kraftwerken erforscht.
Solarthermische Kraftwerke werden zukünftig eine wichtige Rolle in der weltweiten Energieversorgung spielen. Studien haben gezeigt, dass 2050 ca. 15 Prozent des europäischen Strombedarfs aus Solarkraftwerken in Nordafrika und dem Mittleren Osten kommen könnten. Voraussetzung hierfür ist eine angepasste Leitungsinfrastruktur für den Stromtransport und klar definierte Regeln für die Einspeisung in das öffentliche Stromnetz.
Eine technische Variante sind solarthermische Kraftwerke ohne Bündelung der Direktstrahlung. In einem so genannten Aufwindkraftwerk wird unter einer großen überdachten Fläche Luft durch Sonneneinstrahlung erwärmt. Diese Fläche ist luftdicht mit einem Kamin in ihrer Mitte verbunden. Durch Luftschlitze am unteren Ende des Kamins strömt die erhitzte Luft in den Kamin und im Kamininneren nach oben. Dieser Aufwind treibt eine oder mehrere Windturbinen und den daran gekoppelten Generator an, der die Bewegungsenergie in elektrischen Strom umwandelt.. Ein Aufwindkraftwerk mit einer Leistung von 200 MW soll, unter deutscher Planung, bis 2008 in Australien fertig gestellt werden.
Aktuell sind bereits viele neue Projekte unter Leitung oder mit Beteiligung deutscher Firmen in Planung und im Bau, insbesondere im Südwesten der Vereinigten Staaten, Nordafrika und Spanien.
