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Solarthermisches Kraftwerk

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Definition: ein Solarkraftwerk, welches aus Sonnenenergie Wärme und daraus elektrische Energie gewinnt

Englisch: solar-thermal power plant

Kategorien: erneuerbare Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 27.12.2012; letzte Änderung: 11.09.2016

Ein solarthermisches Kraftwerk (oder thermisches Solarkraftwerk) ist eine Art von Solarkraftwerk, bei dem mit Sonnenenergie zunächst Wärme erzeugt wird, daraus mit einer Dampfturbinenanlage dann mechanische Energie und schließlich in einem Generator elektrische Energie. Es ist also eine Anwendung der Solarthermie (auf hohem Temperaturniveau) für die Stromerzeugung. Die wichtigsten Bauformen werden im Folgenden beschrieben.

Einige allgemeine Aspekte von Solarkraftwerken, beispielsweise das langfristige Potenzial, werden im Artikel über Solarkraftwerke diskutiert.

Solarfarmkraftwerke

Parabolrinnen und Fresnelkollektoren

Parabolrinnenkraftwerke enthalten in einer Richtung parabolförmig gebogene Spiegel, die Sonnenlicht auf ein geschwärztes Rohr in der Brennlinie fokussieren (siehe Abbildung 1). Es erfolgt also eine Konzentration des Lichts nur in einer Dimension, und entsprechend müssen die Parabolrinnen dem Sonnenstand auch nur in einer Richtung nachgeführt werden.

Parabolrinnen-Kraftwerk

Abbildung 1: Montage des Parabolrinnen-Kraftwerks Nevada Solar One bei Boulder City (Siemens-Pressebild).

Durch das Absorberrohr in der Brennlinie wird meist ein Thermoöl gepumpt, welches im Betrieb z. B. auf 400 °C erhitzt wird. Eine Wärmedämmung kann realisiert werden mit einem transparenten Rohr um das Absorberrohr herum und einem Vakuum dazwischen. Viele Parabolrinnen (oder Fresnelabsorber) werden zu einer Solarfarm zusammen geschaltet (siehe Abbildung 2), um eine Wärmeleistung von häufig über 100 MW zu erhalten.

Anstelle von Parabolrinnen können auch Fresnel-Kollektoren genutzt werden. Man kann sich diese so vorstellen, dass sie durch Zerschneiden von Parabolrinnen in schmale Streifen entstehen, welche dann ungefähr in einer Ebene montiert werden. Dies hat gewisse Vorteile, beispielsweise eine reduzierte Windlast. Der Absorber kann ortsfest bleiben; nur die Fresnel-Spiegel werden der Sonne nachgeführt. Über dem Absorber liegt ein Sekundärreflektor und eine Wärmedämmung. Die Fresnel-Absorber-Technologie befindet sich noch in der Erprobungsphase.

In einem Wärmeübertrager (dem Dampferzeuger) wird die Wärme vom Thermoöl auf Wasser übertragen, welches dabei zu Dampf wird und dann eine Dampfturbinenanlage (bestehend z. B. aus zwei Turbinen mit einem Zwischenüberhitzer dazwischen) antreiben kann. Wie auch in anderen Wärmekraftwerken muss der verbleibende Dampf nach dem Durchlaufen der Turbinen kondensiert werden, wobei Abwärme z. B. mit Kühlwasser oder auch mit einem Luftkühler (Trockenkühlsystem) abgeführt werden muss. Das kondensierte Wasser wird dann erneut genutzt, d. h. es handelt es sich um den üblichen Dampfturbinen-Kreisprozess.

Da die Dampftemperaturen nicht allzu hoch sind, werden nur moderate Wirkungsgrade in der Größenordnung von 30 % erreicht (ohne Verluste der Wärmegewinnung in den Absorbern). Der Gesamtwirkungsgrad ist allerdings immer noch deutlich höher als bei typischen Photovoltaikanlagen, so dass für den gleichen jährlichen Energieertrag deutlich weniger Fläche benötigt wird. An den besten Standorten weltweit sind über 400 kWh pro Quadratmeter und Jahr möglich, mit Photovoltaik dagegen nur ca. 250 kWh. An schlechteren Standorten wird der Unterschied allerdings geringer.

Parabolrinnenkraftwerk

Abbildung 2: Die Parabolrinnenkollektoren des Hybrid-Solar-Gas-Kraftwerks Hassi R'Mel im Norden Algeriens (Siemens-Pressebild).

Eine neuere Entwicklung ist die Dampferzeugung direkt in den Absorberrohren, so dass kein Thermoöl mehr benötigt wird. Durch diese Direktverdampfung kann die Frischdampftemperatur angehoben werden, was den Wirkungsgrad der Dampfturbine erhöht.

Eine andere Möglichkeit wäre, die Parabolrinnenkollektoren mit thermoelektrischen Generatoren zwischen Absorber und Wärmeübertrager auszurüsten, um einen Teil der gewonnenen Wärme gleich dort in elektrische Energie umzuwandeln. Dies ist von Interesse, weil die Temperatur des Wärmeübertragermediums häufig durch dessen Temperaturbelastbarkeit begrenzt ist, während ein Absorber durchaus bei noch höheren Temperaturen arbeiten könnte. Allerdings würden erhöhte Temperaturen des Absorbers dessen Wirkungsgrad vermindern.

Solarturmkraftwerke

Im Unterschied zu Solarfarmkraftwerken wird bei Solarturmkraftwerken (auch als Zentralreceiverkraftwerke bezeichnet) ein zentraler Absorber verwendet, der auf einem Turm befestigt und von hunderten oder tausenden der Sonne nachgeführten Spiegeln bestrahlt wird. In manchen Fällen erlaubt es die Topographie auch, den Absorber an einem Hügel zu bauen, so dass sich ein Turm erübrigt. Die Konzentration des Sonnenlichts erfolgt so in zwei Dimensionen, anstatt nur in einer Dimension wie beim Parabolrinnenkraftwerken, und damit auf eine viel geringere Fläche. Deswegen kann der Absorber bei sehr viel höheren Temperaturen (z. B. 1000 °C) betrieben werden. Entsprechend erreicht die damit betriebene Wärmekraftmaschine (mit Dampfturbinen und ggf. auch einer Gasturbine) einen wesentlich höheren Wirkungsgrad. Als Wärmeträgermedium kann Dampf dienen, aber auch Luft, ein Salz oder flüssiges Natrium.

Die Technologie der Solarturmkraftwerke könnte langfristig zu niedrigeren Stromerzeugungskosten führen, ist aber noch nicht so gut erprobt wie die der Parabolrinnenkraftwerke.

Einsatz eines Wärmespeichers

Ein solarthermisches Kraftwerk kann um einen Wärmespeicher ergänzt werden, beispielsweise auf der Basis von Beton (für Parabolrinnenkraftwerke) oder geschmolzenem Salz (für Solarturmkraftwerke). Bei guter Sonneneinstrahlung kann dann ein meist großzügig ausgelegtes Kollektorfeld den Speicher mit überschüssiger Wärme aufladen. Zu Zeiten mit reduzierter oder keiner Sonneneinstrahlung ermöglicht der Speicher dann einen Weiterbetrieb von einigen Stunden oder sogar durch die ganze Nacht. Sogar ein Lastfolgebetrieb ist im Prinzip möglich, allerdings wegen eines dann reduzierten Wirkungsgrads weniger attraktiv. Interessanter ist die Deckung des zusätzlichen Strombedarfs am Tag gegenüber der Nacht, auch mit einer Verlängerung in den Abend hinein, mit Betriebsunterbrechung in der Nacht.

Solar-Systeme mit Stirlingmotor

Eine andere Methode der Konzentration von Sonnenstrahlung in zwei Dimensionen erfolgt in viel kleinerem Maßstab in Solar-Systemen mit einem einzigen Parabolspiegel und einem Stirlingmotor, auch als Dish-Stirling-Anlagen bezeichnet. Der Parabolspiegel kann einen Durchmesser von z. B. 10 m haben und in Verbindung mit einem Stirlingmotor bei einem Wirkungsgrad von rund 30 % eine Leistung von bis zu ca. 24 kW liefern. Der Motor wird direkt am Absorber montiert, der sich im Brennpunkt des Spiegels befindet.

Solche Solar-Stirling-Anlagen sind eher für die dezentrale Stromversorgung in abgelegenen Gebieten geeignet als für große Solarkraftwerke, da die Kosten höher sind als z. B. für Parabolrinnenanlagen.

Aufwindkraftwerke

Eine völlig andere Form von thermischem Solarkraftwerk, das Aufwindkraftwerk, kommt ohne Konzentration des Sonnenlichts aus. Hier wird eine Art großflächiges Treibhaus mit einer transparenten Decke über dem Erdboden gebaut. In der Mitte befindet sich eine hohe senkrecht aufgestellte Röhre (ein Kamin), die luftdicht mit der Decke verbunden ist. Die Sonneneinstrahlung erwärmt den Boden und damit auch die Luft, die dann in das Kamin gelangt, darin aufsteigt und oben entlassen wird. Da die Luft im Kamin erheblich wärmer ist als in seiner Umgebung, erfährt sie einen starken Auftrieb. Dieser führt zu einem starken Luftzug nach oben, der ausgenutzt wird, um Turbinen am unteren Eingang des Kamins anzutreiben.

Wegen der thermischen Trägheit des Erdbodens, der als Wärmespeicher dient, reagiert ein Aufwindkraftwerk nur verzögert auf Veränderungen der Sonneneinstrahlung; die Stromerzeugung klingt erst im Laufe des Abends ab, beginnt aber auch morgens erst einige Zeit nach Sonnenaufgang. Durch zusätzliche Speichermassen, etwa Wassertanks, kann die Wärmekapazität noch vergrößert werden.

Mit entsprechend großem Treibhaus (z. B. 40 km2 Fläche) und einem sehr hohen Turm (z. B. 1 km Höhe) könnte ein Aufwindkraftwerk an einem sehr gut geeigneten Standort eine maximale Leistung in der Größenordnung von 200 MW liefern. Der Wirkungsgrad läge bei wenigen Prozent, wäre also sehr gering im Vergleich zu dem mit anderen Technologien. Auf der Kostenseite wird dies durch die geringen Kosten pro bedecktem Quadratmeter relativiert, aber der Flächenertrag ist gering bzw. der Flächenbedarf sehr hoch beispielsweise im Vergleich mit dem von Photovoltaik. Kühlwasser wird nicht benötigt. Der Betrieb wäre voraussichtlich wenig aufwendig und recht zuverlässig, aber eine ernste Gefahr ist die Zerstörung durch Stürme.

Wirkungsgrad bei verringerter Sonneneinstrahlung; geeignete Standorte

Allgemein kann von solarthermischen Anlagen mit Konzentration des Sonnenlichts (also praktisch allen außer den Aufwindkraftwerken) diffuses Licht (etwa durch Wolken oder Dunst) praktisch nicht genutzt werden, da es nicht auf den Absorber geschickt werden kann. Zusätzlich nimmt auch wegen der Turbinenanlage der Wirkungsgrad bei ungünstigen Wetterbedingungen rasch ab. Solche Kraftwerke sind deswegen nur für sehr sonnenreiche Standorte geeignet, an denen idealerweise auch Kühlwasser verfügbar ist. Sonst muss ein Trockenkühlsystem unter Verwendung von Luft eingesetzt werden, was den Wirkungsgrad allerdings vermindert.

Bisherige Erfahrungen; Vergleich mit Photovoltaik

Die Technik von Parabolrinnenkraftwerken erfordert keine besonders komplizierten Komponenten und wurde in etlichen Anlagen insbesondere in Kalifornien seit Jahrzehnten erfolgreich betrieben. Der Wartungsaufwand ist allerdings beträchtlich, unter anderem weil die Spiegelanlagen regelmäßig gereinigt werden müssen. Automatische Reinigungssysteme sind deswegen eine Stoßrichtung weiterer Entwicklungen. Bisher sind die erreichten Stromerzeugungskosten zu hoch, um solarthermische Kraftwerke mit konventionellen Kraftwerken konkurrenzfähig zu machen – zumindest bei Vernachlässigung externer Kosten.

Die Stromerzeugungskosten mit solarthermischen Kraftwerken lagen anfangs immerhin klar unter denen der Photovoltaik. Da allerdings die Photovoltaik weitaus stärkere Kostensenkungen erreicht hat, gilt inzwischen das Gegenteil. Ein direkter Vergleich der Stromerzeugungskosten berücksichtigt allerdings nicht den großen Vorteil, den die Erweiterung solarthermischer Kraftwerke mit Wärmespeichern bietet. Dies ist insbesondere bei großtechnischer Nutzung wichtig. Man beachte, dass Speicher für elektrische Energie, die bei Photovoltaik die einzige Option der Speicherung sind, sehr viel teurer sind. Auch der niedrigere Flächenbedarf ist ein Vorteil der solarthermischen Kraftwerke.

Hybridkraftwerk: Verbindung mit Erdgas

Es kann sinnvoll sein, ein Parabolrinnen- oder Solarturmkraftwerk zusätzlich mit Komponenten für den Betrieb mit Erdgas auszustatten. Eine Erdgas-Gasturbine kann hierbei Strom erzeugen, und ihre Abwärme auf immer noch hohem Temperaturniveau wird zur Dampferzeugung genutzt. Dieser Dampf kann zusammen mit dem solar erzeugten Dampf die Dampfturbinen antreiben. Je nach Auslegung und Betrieb der Anlage kann die solare Wärme (z. B. aus Parabolrinnenkollektoren) einen größeren oder kleineren Teil der gesamten Erzeugung (z. B. 50 % oder auch weniger als 10 %) decken.

Die Kombination von Solarwärme und Erdgas bringt wichtige Vorteile:

Eine einfachere Variante des Hybridkraftwerks verzichtet auf eine Gasturbine und nutzt das Erdgas nur in einem Dampfkessel. Hiermit ist allerdings die Effizienz der Erdgasnutzung stark reduziert, weil das Erdgas nur auf einem relativ niedrigeren Temperaturniveau genutzt wird als in reinen Gaskraftwerken. Unter Umständen wäre sogar die Verwendung in einem reinen Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk ohne Solarwärme effizienter; in solchen Fällen dient der solare Anteil weniger dem Klimaschutz als der Verbesserung des Image des Kraftwerksbetreibers. Ein gutes Maß für die Beurteilung der Energieeffizienz und des Klimaschutzbeitrags sind die CO2-Emissionen pro erzeuger Kilowattstunde im Jahresmittel.

Im Prinzip könnten auch andere Brennstoffe für ein Hybridkraftwerk genutzt werden. Jedoch sollte eine schnelle Regelbarkeit erreicht werden, was mit Festbrennstoffen wie Holz kaum realisierbar ist. In Frage kommen beispielsweise Biogas, Rapsöl oder Biodiesel.

Siehe auch: Solarkraftwerk, Sonnenenergie, Solarthermie
sowie andere Artikel in den Kategorien erneuerbare Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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