Sonnenwärmekraftwerk

Ein Sonnenwärmekraftwerk oder Solarwärmekraftwerk ist ein Solarkraftwerk, das die Wärme der Sonne über Absorber als primäre Energiequelle verwendet. Daher sind daneben die Bezeichnungen solarthermisches Kraftwerk oder thermisches Solarkraftwerk üblich, aus dem Englischen auch CSP für Concentrating Solar Power.

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 der Erde wirtschaftlich einsetzbar.

Es gibt verschiedene Konzepte für die Nutzung der Sonnenwärme zur Energiegewinnung, die sich in zwei Kategorien einteilen lassen: Kraftwerke, welche 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]

Inhaltsverzeichnis

Solarthermische Kraftwerke mit Bündelung der Direktstrahlung

Diese Kraftwerke verwenden fokussierende 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. Dies passiert beispielsweise in Österreich, wo solarthermische Anlagen schon weit verbreitet sind. Man kombiniert Sonnenkollektor, Bioheizwerk und konventionelle Ersatz- oder Spitzenenergiekraftwerke. Da die Solarthermie im Frühjahr und Herbst nur wenig Energie und im Winter fast gar keine Energie liefert, schaltet man in dieser Zeit andere Kraftwerke ergänzend dazu, um die Installation ganzjährig nutzen zu können. Den gleichen Zweck können alternativ auch saisonale Wärmespeicher erfüllen, bei gleichzeitiger Überdimensionierung der Anlage in den Sommermonaten.

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 Dampfturbine zugeführt, die an einen Generator gekoppelt ist. Die heute verwendeten Turbinen sind speziell auf die besonderen Einsatzbedingungen in Sonnenwärmekraftwerken angepasst. Ein möglichst hoher Wirkungsgrad ermöglicht ein kleineres Solarfeld bei gleichbleibender Leistung des Kraftwerks. Das senkt die Investitionskosten und macht so den erzeugten Strom rentabler. Der Tag-/ Nachtzyklus und wechselnde Wetterverhältnisse erfordern zudem sehr kurze Anfahrzeiten der Dampfturbine. Aus diesen Gründen werden in Sonnenwärmekraftwerken meist zweigehäusige Dampfturbinen mit Zwischenüberhitzung eingesetzt. Dabei wird der Abdampf der Hochdruckturbine vor dem Eintritt in die nachgeschaltete Niederdruckturbine bei konstantem Druck in einen Zwischenüberhitzer im Dampfkessel geleitet, wo er erneut überhitzt wird. Der Dampfkreislauf arbeitet auf diese Weise mit einer höheren Durchschnittstemperatur als ein nicht zwischenüberhitzter Kreislauf. Das erhöht den Wirkungsgrad, denn die Turbine erbringt bei gleicher Wärmezufuhr im Kessel eine höhere Leistung. Ebenso verringern sich der Feuchtigkeitsgehalt in der Niederdruckturbine und die sonst übliche, durch Wassertropfen verursachte Korrosion. Die Zwischenüberhitzung des Dampfes erhöht so Wirkungsgrad und Lebensdauer der Turbine. Ein spezielles Gehäusedesign schützt die Dampfturbine vor zu starkem Auskühlen bei Nacht und trägt neben dem geringen Gewicht des Rotors zu einer kurzen Anfahrtszeit bei. Damit die Dampfturbine effektiv arbeiten kann, muss der Dampf gekühlt werden. Der höchste Wirkungsgrad wird mit Hilfe von Wasserkühlung erreicht, wie z. B. im Falle von Andasol. Für den Fall, dass – wie in vielen Wüstengebieten – kein Kühlwasser in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht,[2] können auf Kosten des Wirkungsgrades Trockenkühlsysteme eingesetzt werden.[3][4]

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

Aufgrund der steigenden Energiekosten wächst auch das Interesse an kleineren Anlagen, die eine dezentrale Versorgung ermöglichen. Durch die Kopplung von Strom-, Prozesswärme-, Kälteerzeugung und Speichertechnologien könnten auch solche Systeme wirtschaftlich arbeiten.[5]

Parabolrinnenkraftwerke

Parabolrinnenkraftwerk in Kalifornien/USA, Kramer Junction
Funktionsprinzip Parabolrinnenkollektor

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 nur nach der Höhe des Sonnenstandes im Tagesverlauf nachgeführt bzw. gekippt.

Bereits 1912 wurden Parabolrinnen zur Dampferzeugung für eine 45-kW-Dampfmotorpumpe in Meadi/Ägypten von Shumann und Boys eingesetzt. Die fünf Kollektorreihen hatten eine Länge von 65 m, eine Aperturweite von 4 m und eine Gesamtaperturfläche von 1.200 m². Die Nachführung erfolgte automatisch mit Hilfe eines Thermostaten. Auch eine gewisse Speicherung der Wärme für den Nachtbetrieb war bereits möglich. Der Preis betrug damals 31200 Mark. Die Anlage lieferte "bei zehnstündiger Arbeitszeit pro Tag Dampf für 50 Pferdekräfte".[6]

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,[7] die auch bereits an den kalifornischen Kraftwerken beteiligt war. Die Dampfturbine, eine mit Zwischenüberhitzung arbeitende SST-700 mit einer elektrischen Leistung von 64 MW, wurde von der Siemens AG geliefert.[8] Der Wirkungsgrad dieses Kraftwerktyps wird mit 14 % angegeben. Weitere Kraftwerke werden unter anderem in Marokko, Algerien, Mexiko und Ägypten errichtet.

Im spanischen Andalusien wurden von Juni 2006 bis Sommer 2009 mit Andasol 1 und Andasol 2 (je 50 MW) die derzeit größten Solarkraftwerke Europas gebaut; ein drittes, baugleiches Kraftwerk mit identischer Leistung (Andasol 3) in unmittelbarer Nähe ist im Bau (Stand Ende 2010). Andasol 1 ging im Dezember 2008 ans Netz und wurde am 1. Juli 2009 offiziell eingeweiht. Andasol 2 nahm Mitte 2009 den Testbetrieb auf. Die deutsche Firma Solar Millennium ist an diesen Solarkraftwerken mit Projektierung, technischer Entwicklung und Steuerung wesentlich beteiligt. Die Dampfturbinen und Generatoren liefert, wie für nahezu alle spanischen Parabolrinnen-Kraftwerksprojekte, die Siemens AG. Dieser Kraftwerkstyp wurde neben anderen Typen auch für den Grand Solar Plan und das DESERTEC-Projekt vorgeschlagen, eine endgültige Entscheidung über die Technologie wurde aber noch nicht getroffen.

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 MWth 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 der Firma PSE AG aus Freiburg 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.[9]

Seit März 2009 ist das Fresnelsolarkraftwerk PE 1 der Karlsruher Firma Novatec Solar in kommerziellem Dauerbetrieb. Das Solarkraftwerk hat eine elektrische Leistung von 1,4 MW und basiert auf linearer Fresnelkollektortechnologie. PE 1 umfasst neben einem konventionellen Kraftwerksblock, einen solaren Dampferzeuger mit einer Spiegelfläche von ca. 18.000 m².

Zur Dampferzeugung wird direkt eingestrahltes Sonnenlicht mit Hilfe von 16 Flachspiegelreihen auf einen linearen Receiver in 7,40 m Höhe konzentriert. In dieser Brennlinie des Spiegelfeldes ist ein Absorberrohr installiert, in dem durch die konzentrierte Strahlung Wasser direkt zu Sattdampf von 270 °C und 55 bar verdampft wird.

Aufgrund der guten Erfahrungen mit der PE 1 Anlage ist ein weiteres Fresnelsolarkraftwerk mit einer Leistung von 30 MW in Bau und soll Ende 2011 in Betrieb gehen.

Eine genauere Beschreibung der PE 1 Anlage mit mehreren Bildern befindet sich in den Weblinks.

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 positionierende 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 sind 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 Förderung des Ablaufs chemischer Prozesse genutzt werden.

Meistens wird die im Absorber entstehende Wärme jedoch über eine Dampfturbine und Gasturbine zur Stromerzeugung genutzt. Dafür wird im Receiver das Wärmeträgermedium auf bis zu 1000 °C erhitzt und anschließend zur Dampferzeugung genutzt. Dieser treibt eine Turbine an. Damit diese effizient arbeiten kann, muss der Dampf wie bei einem Solarfarmkraftwerk nach dem Austritt aus der Turbine gekühlt werden. Zur Kühlung kann bei ausreichendem Vorhandensein Wasser eingesetzt werden. Da dies in Wüstengebieten oft nicht der Fall ist, kommen unter Herabsetzung des Wirkungsgrades auch Trockenkühlanlagen zum Einsatz.[10] 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 – einer spanischen Forschungsanlage bei Almería/Spanien – stehen zwei Versuchsanlagen CESA-1 (7 MWth) und SSPS-CRS (1,2 MWth). Hier werden verschiedene Receivertypen, unter anderem auch deutsche Entwicklungen des DLR, getestet. Auch in der Nähe von Sevilla stehen in geringer Entfernung voneinander zwei große Solarkraftwerke: das "PS10" mit einer Leistung von 11 MW und das "PS20" mit 20 MW Leistung.

Das 11MW-Solarkraftwerk "PS10" bei Sevilla in Spanien.

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.

Solarturmkraftwerk Jülich

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 MWel Leistung erbringen soll.[11] Als Wärmeübertragungsmedium dient Luft. 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 aus keramischer Schüttung 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. Mit Hilfe dieser Turmtechnologie lässt sich auch Wasserstoff durch Sonnenenergie erzeugen.[12] Der Aufbau und die Weiterentwicklungen der Anlage wird vom Solar-Institut Jülich und vom DLR betreut.

Bei Sevilla wird ein Solarpark mit insgesamt 302 MW und unterschiedlichen Technologien betrieben. 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.[13] Die Investitionskosten von rund 35 Mio. € wurden mit fünf Mio. € von der Europäischen Union, aus Mitteln des Fünften Forschungsrahmenprogramms, bezuschusst. In der zweiten Ausbaustufe wurde 2009 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.[14]

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 mit einem Parabolspiegel von 8,5 m Durchmesser (Fläche 56,7 m²) wurde eine Nettoleistung von 9,2 kW erzielt, was einem Wirkungsgrad von 16 % entspricht.[15] 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.

Verbreitung der CSP-Kraftwerke

Zurzeit sind viele Anlagen in Planung oder im Bau. Vor allem in USA entstehen mehrere Anlagen mit über 200 MW Leistung und Trockenkühlung. Folgende Liste zeigt die solarthermischen Kraftwerke mit mehr als 10 MW Leistung welche bereits in Betrieb sind oder mit deren Bau begonnen wurde.[16]

Name Standort Technologie Leistung
in MW
Jahres-
produktion
in GWh
Wärme-
träger
Speicher
/Backup
Produktion-
sstart
Solar Electric Generating Station (SEGS) I-9 Vereinigte StaatenVereinigte Staaten Vereinigte Staaten Parabolrinne 353,8 654,6 Thermoöl Gas 1984–1990
Andasol 1–3 SpanienSpanien Spanien Parabolrinne 150 474 Thermoöl Salz, 7.5h 2008–2011
Solnova 1,3,4 SpanienSpanien Spanien Parabolrinne 150 340 Thermoöl ohne 2009
Nevada Solar One Vereinigte StaatenVereinigte Staaten Vereinigte Staaten Parabolrinne 75 134 Thermoöl Dampf, 0.5h 2007
Alvarado 1 SpanienSpanien Spanien Parabolrinne 50 105 Thermoöl ohne 2009
Extresol 1,2 SpanienSpanien Spanien Parabolrinne 100 316 Thermoöl Salz 7.5h 2009, 2011
Ibersol SpanienSpanien Spanien Parabolrinne 50 103 Thermoöl ohne 2009
Central Solar Termoelectrica La Florida SpanienSpanien Spanien Parabolrinne 49,9 175 Thermoöl Salz 7.5h 2010
Majadas 1 SpanienSpanien Spanien Parabolrinne 49,9 104,5 Thermoöl k.A. 2010
Palma del Rio II SpanienSpanien Spanien Parabolrinne 50,0 114,5 Thermoöl k.A. 2010
La Dehesa SpanienSpanien Spanien Parabolrinne 49,9 175 Thermoöl Salz 7.5h 2011
Manchasol-1 SpanienSpanien Spanien Parabolrinne 49,9 158 Thermoöl Salz 7.5h 2011
Martin Next Generation Solar Energy Center Vereinigte StaatenVereinigte Staaten Vereinigte Staaten Parabolrinne 75 155 Thermoöl (vermutlich) k.A. 2011
Planta Solar 20 (PS20) SpanienSpanien Spanien Turm 20 48 Dampf Gas 2009
Planta Solar 10 (PS10) SpanienSpanien Spanien Turm 11 23,4 Dampf ohne 2007
Puerto Errado 2 SpanienSpanien Spanien Fresnelkollektor 30 49 Dampf Dampf 2012
Gemasolar Thermosolar Plant SpanienSpanien Spanien Turm 19,9 110 Salz Salz, 15h 2011
Lebrija 1 SpanienSpanien Spanien Parabolrinne 49,9 120 Thermoöl Thermoöl 2010

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.

Thermikkraftwerke

Schematischer Aufbau eines Aufwindkraftwerkes
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).

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. Auf Grund 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.

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

Literatur

  • Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. 2. Auflage, Hanser, München 2009, ISBN 978-3-446-41961-2.
  • Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. 6. Auflage, Hanser, München 2009, ISBN 978-3-446-42151-6.

Weblinks

 Commons: Sonnenwärmekraftwerke – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Power from the sun (engl.)
  2. Durango Herald: Environmental Costs of Solar. (engl.)
  3. M. Mohr, P. Svoboda, H. Unger: Praxis solarthermischer Kraftwerke. Springer, 1998, ISBN 3-540-65973-0.
  4. Reducing Water Consumption of Concentrating Solar Power Electricity Generation. Report to Congress, U.S. Department of Energy (engl.)
  5. Plattform für kleine und mittlere Solarthermische Kraftwerke
  6. Kolonie und Heimat (1914), Ausgabe Nr. 35, S. 5, "Die Sonnenkraftmaschine, ein ideale Kraftmaschine für die Tropen", Autor: Hans Herzberg
  7. Pressemitteilung der SCHOTT AG. 3. Oktober 2005.
  8. Sonnige Aussichten für solarthermische Kraftwerke. In: Energy 2.0 Mai 2009, abgerufen am 8. Dezember 2009.
  9. PSE AG nimmt neuartige Fresnel-Solarkollektoranlage in Betrieb. In: solarportal24.de. 23. Juli 2008, abgerufen am 31. August 2008.
  10. Bright Source Energy über den LPT 550 Solarturm (engl.)
  11. Pressemitteilung 174/06 des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit vom 4. Juli 2006
  12. Stadt Jülich
  13. Abengoa
  14. Internetauftritt (spanisch und englisch)
  15. Stirling – Ergebnisse in Südfrankreich
  16. NREL Concentrating Solar Projects (englisch), Kraftwerkscluster zusammengezählt, Stand: 14. Mai 2011

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Synonyme:

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