Solarthermische Kraftwerke aus Deutschland
Mit solarthermischen Kraftwerken wird die Energie der Sonne in großtechnischen Anlagen zur Stromerzeugung genutzt.
Die Technologie im Überblick
Grundsätzlich wird zwischen solarthermischen Kraftwerken mit und ohne Bündelung der Direktstrahlung unterschieden. Bei Parabolrinnen-, Solarturm- und Paraboloidkraftwerken wird die Direktstrahlung über Reflektoren gebündelt. Die so konzentrierte Energie wird in Dampf umgewandelt, mit dem konventionelle Stromgeneratoren angetrieben werden.
Das Solarfeld eines Parabolrinnenkraftwerkes enthält mehrere parallele Reihen von 20 bis 150 Meter langen Kollektoren, die aus parabolisch gewölbten Spiegeln bestehen und das Sonnenlicht auf ein in der Brennlinie 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 als derzeit günstigste Variante der Stromgewinnung aus Sonnenenergie sind weltweit die einzige Art von konkurrenzfähig betriebenen solarthermischen Kraftwerken. Seit mehr als 15 Jahren erzeugen sie Strom zu konkurrenzfähigen Preisen. In der Mojave-Wüste in Südkalifornien wurde 1991 die letzte der insgesamt neun Anlagen errichtet. Bisher haben diese Anlagen 10 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 mehrere 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. So können mehrere hundert Megawatt Strom erzeugt werden.
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 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 weitere 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, das 2008 in Betrieb gehen und 1,5 Megawatt Leistung bringen soll.
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.
Eine weitere 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 im Kamininneren nach oben. Dieser Aufwind treibt eine oder mehrere Windturbinen und den daran gekoppelten Generator an, der die Bewegungsenergie in elektrischen Strom umwandelt. Dem geringen technischen Aufwand solcher Anlagen entspricht auch ein geringer Wirkungsgrad von etwa einem Prozent. Ein Aufwindkraftwerk mit einer Leistung von 200 MW soll, unter deutscher Planung, bis 2008 in Australien fertig gestellt werden.
Rahmenbedingungen
Da die deutsche Bundesregierung die Entwicklung solarthermischer Kraftwerke seit mehreren Jahren fördert, ist Deutschland in der Forschung und Entwicklung dieser Technologie weltweit führend. Alle wesentlichen Komponenten wie zum Beispiel die Präzisionsspiegel für Parabolrinnenkraftwerke können und werden aus Deutschland geliefert. Beim Bau und Betrieb von verschiedenen Pionierprojekten dieser Kraftwerke – entweder unter deutscher Leitung oder mit deutscher Beteiligung - wurden wertvolle Erfahrungen gesammelt. Aktuell hat sich die Förderung solarthermischer Kraftwerkstechnik auch in vielen anderen Teilen der Welt stark verbessert. Solarthermische Kraftwerke lassen sich mittlerweile durch ausgeklügelte Wärmespeichersysteme auch rund um die Uhr nutzen. Weitere Forschung an Wärmespeichern wird deshalb lohnend sein. Ein zusätzlicher Vorteil ist die einfache Kombinierbarkeit mit konventionellen Kraftwerken.
Ausblick
Solarthermische Kraftwerke werden zukünftig eine wichtige Rolle in der weltweiten Energieversorgung spielen. 2050 könnten 15 Prozent des europäischen Strombedarfs aus Solarkraftwerken in Nordafrika und dem Mittleren Osten kommen. Bei entsprechender Leitungsinfrastruktur wäre auch ein effizienter Stromtransport möglich. In Form von Wasserstoff ließe sich die Energie in die ganze Welt verteilen. 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.
