Sonnenwärmekraftwerk

Ein Sonnenwärmekraftwerk oder Solarwärmekraftwerk ist ein Elektrizitätswerk, das die Wärme der Sonne über Absorber als primäre Energiequelle verwendet. Daher sind auch 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 (also Direkt- und Diffusstrahlung) nutzbar machen.

Solarthermische Kraftwerke mit Bündelung der Direktstrahlung

(Auch: „Concentrating Solar Power (CSP)“-Kraftwerke)

Diese Kraftwerke 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 u. a. 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 zugesprochen.

Wasserdampferzeugende Systeme eignen sich auch zur Unterstützung und damit Brennstoffeinsparung in konventionellen Dampfkraftwerken. In den reinen Solarkraftwerken gleichen Wärmespeicher die schwankende Sonneneinstrahlung aus, alternativ können auch 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. Auch 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.

Parabolrinnenkraftwerke

Parabolrinnenkraftwerk in Kalifornien/USA, Kramer Junction.

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 1200 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 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 9 SEGS-Kraftwerke (SEGS = Solar Electricity Generation System) in Südkalifornien produzieren eine Leistung von insgesamt 354 MW. Ein weiteres Kraftwerk mit einer Leistung von 64 MW wird zur Zeit (Anf. 2007) in Boulder City/Nevada errichtet und soll 2007 ans Netz gehen. Die Absorberröhren dafür liefert die deutsche Schott AG, die auch bereits an den kalifornischen Kraftwerken beteiligt war. Der Wirkungsgrad dieses Kraftwerktyps wird mit 14 Prozent angegeben. Weitere Kraftwerke werden u. a. in Marokko und in Ägypten errichtet.

In Andalusien wird seit Juni 2006 mit Andasol 1 (50 MW) das zurzeit größte Solarkraftwerk Europas gebaut; die deutsche Firma Solar Millennium ist hier mit Projektierung, Engineering und Steuerung beteiligt.

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 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.

Solarturmkraftwerke

Schema eines Solarturmkraftwerks.

(Auch: Zentralreceiverkraftwerke)

Beim Solarturmkraftwerk 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 (auch Receiver genannt) reflektiert wird. Durch starke Konzentration der Sonneneinstrahlung entstehen an der Spitze des Turms Temperaturen bis zu mehreren 1000 °C. Die technisch sinnvoll handhabbaren Temperaturen liegen bei ca. 1300 °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.

Dieses Prinzip findet auch beim Solarschmelzofen Anwendung. Auf diese Weise kann z. B. Prozesswärme nahezu beliebiger Temperatur generiert und zur Beschleunigung chemischer Prozesse genutzt werden. In der Regel wird die im Absorber entstehende Wärme jedoch über ein Dampf- oder Gasturbinenkraftwerk zur Stromerzeugung genutzt. Dafür wird im Receiver das Wärmeträgermedium auf bis zu 1000 °C erhitzt und anschließend zur Dampferzeugung genutzt. Dieser treibt dann eine Turbine an. Der erzeugte Strom wird anschließend ins öffentliche Netz eingespeist. Neben dem Parabolrinnenkraftwerk ist das Solarturmkraftwerk inzwischen ein weiterer, weit genug entwickelter Anlagentyp, der – wenn auch noch verbunden mit öffentlichen Förderprogrammen – wirtschaftlich Solarstrom zu Verfügung stellen kann.

Die größten derzeit existierenden Anlagen sind „Solar Two“ (10 MW, Arbeitstemperatur: 290-570 °C) in Kalifornien und Forschungsanlagen in Almería/Spanien.

In Deutschland wurde im Juli 2006 mit dem Bau eines solarthermischen Demonstrations- und Versuchskraftwerks in Jülich (NRW) begonnen, das 2008 in Betrieb gehen und 1,5 MW Leistung erbringen soll. Schwankungen im Leistungsangebot der Sonneneinstrahlung sollen bei dieser Anlage mittels eines neuartigen Speichers ausgeglichen werden. Dadurch kann die Stromerzeugung im Kraftwerk unabhängiger von der Sonneneinstrahlung und damit verbrauchsorientierter erfolgen. In Zukunft könnte dieses Kraftwerk bei fehlender Sonneneinstrahlung auch konventionell mit Biomasse betrieben werden. Langfristig ließe sich mit Hilfe dieser Turmtechnologie sogar Wasserstoff durch Sonnenenergie erzeugen.

Bei Sevilla soll ein Solarturmkraftwerk mit insgesamt 302 MW entstehen. Im November 2006 soll der erste Teil (PS10 mit 11 MW) ans Netz gehen. In der zweiten Ausbaustufe wird eine Anlage mit 20 MW (PS20) errichtet. Nach einer weiteren Anlage mit 20 MW, sollen noch fünf mit je 50 MW entstehen.

Paraboloidkraftwerke

Datei:DISH1.PNG

10 kW Dish-Stirling-Anlage in Spanien.

(Auch: Dish-Stirling- und Dish-Farm-Anlagen)

Paraboloidspiegel sind zweiachsig drehbar auf einem Gestell montiert und reflektieren das Sonnenlicht auf einen im Brennpunkt angebrachten Wärmeempfänger. Diese Bauform ist sehr kompakt. Die Spiegel werden mit Durchmessern von 3 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 (mehr als 30 Prozent). Die Module eignen sich zur dezentralen Energieversorgung in abgelegenen Regionen und erlauben es auch, 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

(Auch: Salinity Gradient Solar Ponds/Lakes)

In Solarteichkraftwerken 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 wird zur Stromerzeugung in einem Turbinen-Generator-Block verwendet. Da die erreichbaren Temperaturen vergleichsweise gering sind, muss 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.

Thermikkraftwerke

Schema/Aufbau eines Aufwindkraftwerks.

Hauptartikel: Thermikkraftwerk (auch: Aufwindkraftwerk)

Thermikkraftwerke 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. Um eine Leistung zu erreichen, die mit der eines normalen Kohle- oder Kernkraftwerks vergleichbar ist, müsste der Kamin 1000 m oder noch höher sein und der Kollektor mehr als 100 km² überdecken (d.h. einen Durchmesser von über 12km haben).

Derzeit sind Planungen im Gange, eine solche Anlage in Namibia zu errichten. Wie die Allgemeine Zeitung aus Windhoek berichtet, plant man, eine knapp 38 Quadratkilometer große Treibhausfläche sowie einen über 1.500 m hohen Turm zu errichten. Diese Anlage soll ca. 400 MW Energie liefern – soviel wie das gesamte Land derzeit ohne industrielle Großabnehmer verbraucht.

Fallwindkraftwerke

Hauptartikel: Fallwindkraftwerk

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
• Solarofen (Begriffsklärung)
• Liste der Kraftwerke (u. a. auch Solarkraftwerke)

Weblinks

• www.fh-aachen.de/solar-institut.html – Solarinstitut Jülich der FH-Aachen (u.a. deutsches Solarturmkraftwerk in Jülich - NRW)
• www.fv-sonnenenergie.de – ForschungsVerbund Sonnenenergie: Publikationen zu Solarthermischen Kraftwerken
• www.solarserver.de/... – Artikel: "Strom aus Solarwärme: Solarthermische Kraftwerke als Option für eine klimafreundliche Elektrizitätsversorgung" – Informationen über Parabolrinnenkraftwerke und Linksammlung über Solar-Projekte
• www.zeit.de DIE ZEIT, 22.06.2006 Nr. 26, "Mehr Watt von oben", Artikel über solarthermische Kraftwerke
• www.solarpaces.org – Initiative der Internationalen Energiebehörde (IEA) (englisch)
• Large-scale concentrating solar power (CSP) technology (PDF-Datei) - Wie der globale Stromverbrauch mit Sonnenenergie gedeckt werden könnte (englisch)