Auf dem Markt der solarthermischen Kraftwerke stehen heute vier Technologien zur Verfügung, die sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien befinden. Parabolrinnen-, Fresnel und Turmkraftwerke sind größere, netzintegrierte Kraftwerke. Einzelne Dish-Stirling-Systeme werden meist für kleine, dezentrale Anwendungen eingesetzt; mehrere dieser Anlagen lassen sich auch zu einer „Solarfarm“ verbinden und ins Netz integrieren.

Parabolrinnenkraftwerke

Lange, verspiegelte und parabolförmige Rinnen, die durch Drehung um die Längsachse dem Sonnenstand nachgeführt werden, sammeln das Sonnenlicht ein und konzentrieren es um das 80-fache auf eine Brennlinie (Abb. 1, 2). Dort befindet sich ein Stahlrohr mit einer selektiven Beschichtung als Absorber. In dieser Rohrleitung zirkuliert als Wärmeträger ein Thermoöl, das Temperaturen knapp unter 400 °C erreicht. Um Wärmeverluste zu vermeiden, umhüllt eine evakuierte Glasröhre das Stahlrohr; die gesamte Komponente wird dann Receiver (Abb. 3) genannt.

Bei Parabolrinnenkraftwerken sind Hunderte von Rinnen in einem Raster angeordnet. Im Zentrum der Anlage befindet sich ein zentrales Gebäude mit dem konventionellen Kraftwerksteil. Hier münden alle Absorberrohre. Die „geerntete“ Wärme geht über einen Wärmetauscher an einen Dampferzeuger über. Mittels einer Dampfturbine wird dann ein Generator betrieben. Parabolrinnenkraftwerke sind bislang die kostengünstigste Form der solarthermischen Kraftwerke.

Solare Turmkraftwerke

Turmkraftwerke bestehen aus einem zentralen, 50 – 170 m hohen Turmbauwerk mit einem Strahlungsempfänger (Receiver) und einem Feld darauf ausgerichteter, ebener Spiegel (Heliostaten). Diese zweiachsig der Sonne nachführbaren Spiegel reflektieren das einfallende Sonnenlicht und konzentrieren es um das 500 – 1.000-fache auf eine Zielfläche des Receiver am Turm (Abb. 4). Die dort entstehende Wärme erhitzt Wärmeträgermedien, welche Temperaturen zwischen 300 bis 1.100 °C, abhängig von der eingesetzten Technologie, erreichen können. Konventionelle Kraftwerksprozesse schließen sich an. Die bisher gebauten oder geplanten kommerziellen Turmkraftwerke liegen im Leistungsbereich von 10 – 20 MWel.

Dish-Stirling Kraftwerke

Diese Kraftwerke sind für dezentrale Anwendungen konzipiert und ein großer Spiegel bündelt das Sonnenlicht auf eine Zielfläche. Hier befindet sich als stromerzeugende Einheit ein Stirlingaggregat, das typischerweise 5 – 50 kW elektrische Leistung erbringt (Abb. 5). Die Größe des Spiegels, der zweiachsig nachführbar ist, wird durch mögliche Windlasten begrenzt und beträgt bis zu 21 m Durchmesser.

Solare Hochtemperatur und Kraftwerksprozesse

Die Effizienz von Wärme-Kraft-Prozessen steigt mit Temperatur und Druck. Das in fossilen Kraftwerken bislang übliche Temperaturniveau von nahe 600 °C erreichen Parabolrinnenkraftwerke mit 400 °C im Wärmeträgermedium nicht. Aber diese Temperatur reicht bereits für einen sinnvollen Wärme-Kraft- Prozess aus, wenn die Dampfturbinen entsprechend angepasst sind. Höhere Effizienz verspricht eine Temperaturanhebung auf 500 °C bei 100 bar Druck. Hierfür werden ein passendes Wärmeträgermedium sowie neue Materialien und Konstruktionen benötigt. Eine zweite Möglichkeit für einen effizienteren Prozess sind Direktverdampfersysteme, bei denen Wasserdampf als Wärmeträger direkt im Absorberrohr der Kollektorrinnen erhitzt wird. Diese Systeme arbeiten ohne Wärmetauscher und zeichnen sich daher durch geringere Temperaturverluste aus.

Solarturmkraftwerke können mit bis zu 1.100 °C deutlich höhere Temperaturen als Parabolrinnenkraftwerke erreichen. Die bislang üblichen Wärmeträgermedien Wasserdampf, Salzschmelze oder Thermoöl arbeiten in einem Temperaturbereich (Dampfzustände von 250 bis 550 °C), der nur einen konventionellen Dampfturbinenprozess ermöglicht. Setzt man stattdessen Luft als Wärmeträger in einem geschlossenen System ein, kann ein Solarturmkraftwerk den Temperaturbereich (> 1.000 °C) für einen kombinierten Gas- und Dampfturbinen-Prozess erreichen. Dies verspricht eine etwa 25 – 35% höhere Stromausbeute bzw. ca. 20% geringere Stromgestehungskosten (derzeit 15 – 20 €-Cent/kWh).

Die Versorgung solarthermischer Kraftwerke mit notwendigem Kühlwasser ist im Sonnengürtel oft schwierig. Setzt man für diesen Zweck Meerwasser ein, kann man die Abwärme zur Meerwasserentsalzung nutzen.

Solarstrom auch bei Nacht

Solarthermische Kraftwerke produzieren Strom – gut prognostizierbar – zunächst nur während der Tagesstunden und bei Sonnenschein. Einerseits liegt damit die Stromproduktion zeitgleich zu hohem Strombedarf in Netzen, z. B. zum Kühlen oder Klimatisieren. Andererseits könnte eine Stromproduktion auch nach Sonnenuntergang zur Wirtschaftlichkeit beitragen und würde auch Mittel- bzw. Grundlasten des Netzes abdecken. Eine Möglichkeit hierfür ist, tagsüber einen Wärmeüberschuss, der nicht zur direkten Verstromung benötigt wird, in großen thermischen Speichern einzulagern, z. B. mit einer Salzschmelze als Wärmeträger. Salze sind ungiftig und geschmolzen lassen siesich drucklos speichern. Nach Sonnenuntergang wird die im geschmolzenen Salz gespeicherte Wärme über einen Wärmetauscher dem Kraftwerksprozess wieder zugeführt und verlängert so die Zeit der solaren Stromproduktion um entscheidende Stunden.

Derartige Kraftwerke können bis zu 3.600 Volllaststunden erreichen, was sie als Mittellastkraftwerke qualifizieren würde. Vorteil wären bis zu 20% niedrigere Stromgestehungskosten. Eine zweite Möglichkeit sind sogenannte Hybridkraftwerke, bei denen z. B. ein Erdgaskessel parallel oder ergänzend zum Solarkraftwerk betrieben wird.