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Abb. 7 Die Darstellung zeigt, wie Archimedes römische Schiffe mit Hilfe von Parabolspiegeln in Brand gesetzt haben soll.
© Bayerische Staatsbibliothek München

Abb. 8 Beim Versuch des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Universität Arizona entstand zwar eine Flamme, die aber schnell wieder erlosch.
© MIT 2.009

Abb. 19 Gegenüberstellung von Andasol- und Molten-Salt-Anlage: Im oberen Fall wird die Wärme vom Thermoöl auf das Salz (grün) zur Speicherung übertragen, im anderen Fall ist das Salz selbst Wärmeträger im Kollektorkreislauf.
© DLR

Abb. 26 Solarturm-Anlage Gemasolar in Spanien
© Beyond Coal and Gas / Flickr

Abb. 27 Der Solarturm der Gemasolar-Anlage hat eine Höhe von 140 m.
© Beyond Coal and Gas / Flickr

Abb. 37 Quarz-Prüfstand: Sonnensimulator zum Testen von Parabolrinnenreceivern.
© DLR

Abb. 38 Kontas ist ein drehbarer Prüfstand für Parabolrinnenkollektoren.
© DLR
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En passant: Archimedes’ Todesstrahl

Die Strahlenkanone des Archimedes gehört zu den Mythen der Antike. Beim Kampf um Syrakus im dritten Jahrhundert v. Chr. soll Archimedes mit einem Spiegel die römische Flotte in Brand gesetzt haben. Spiegel aus Bronze oder Glas sollen das Licht der Sonne konzentriert und auf die Schiffe der römischen Flotte gerichtet haben. Diese gingen, so die Überlieferung, reihenweise in Flammen auf. Physikalische Gegenargumente sind die notwendige Mindestgröße und Brennweite eines solchen Spiegels, die zu erreichende Mindesttemperatur zur Entzündung von Holz (etwa 300 °C) und die Zeit, die das zu entzündende Holzstück konstant beleuchtet bleiben muss.

Zur Machbarkeit wurden mehrfach Experimente durchgeführt. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Arizona gingen diesem Mythos der Antike auf den Grund. Sie konstruierten zwei verschiedene Spiegel und versuchten, ein 80 Jahre altes Fischerboot in Brand zu setzen. Das Experiment misslang jedoch. Der rund 30 Quadratmeter große Spiegel der MIT-Wissenschaftler brachte das Holz des Schiffs aus 50 Meter Entfernung nur zum Glimmen. Erst als die Distanz auf knapp 25 Meter verringert wurde, entstand eine relativ kleine Flamme, die jedoch schnell von allein wieder erlosch. Der Spiegel, den die Wissenschaftler vom Arizona Lunar and Planetary Laboratory konstruierten, erzeugte weder Feuer noch Rauch.

Aus der Praxis I: Aktuelle Kraftwerkskonzepte

Den heutigen Stand der Technik repräsentieren die in Spanien errichteten Anlagen vom Typ Andasol (Abb. 19, oben) mit einer Leistung von 50 MWel und integriertem Wärmespeicher für rund 8 Volllaststunden. Stahlstrukturen mit parabolisch gekrümmten Glasspiegeln bilden Konzentratormodule mit einer Aperturweite von rund 5,8 m und 12 m Länge, die zu 150 m langen Kollektoren zusammengesetzt werden. Die Absorberrohre haben eine selektiv beschichtete Oberfläche und sind von einem evakuierten Glashüllrohr umgeben. Als Wärmeträgermedium dient ein Thermoöl, im Wärmespeicher wird eine kostengünstigere Salzschmelze eingesetzt. 18 Anlagen dieser Technologie mit einer Kollektorfläche von jeweils rund 500.000 m2 sind in Spanien bereits am Netz, zusätzlich weitere 22 Anlagen ohne Speicher mit entsprechend verkleinertem Kollektorfeld (jeweils rund 350.000 m2). 6 Anlagen befinden sich noch im Bau, sodass Ende 2013 etwa 2,3 GW aus Parabolrinnenkraftwerken in Spanien bereitgestellt werden können. Ein solar-hybrides Kraftwerkskonzept, bei dem der fossile Brennstoff möglichst effizient genutzt wird, ist die Kombination einer Parabolrinnenanlage mit einem Gas- und Dampfkraftwerk (GuD-Kraftwerk). Der durch die Solaranlage zusätzlich erzeugte Dampf wird an geeigneter Stelle in den Dampfkreislauf des GuD-Kraftwerks eingespeist. Dies senkt die solarspezifischen Investitionskosten der Anlage und steigert den Solarertrag, da weniger Zeit und Solarenergie zum täglichen Start-up und Vorwärmen benötigt wird. Allerdings bleibt der realisierbare Solarbeitrag relativ gering. Das 2009 in Kuraymat (Ägypten) fertig gestellte Kraftwerk dieses Typs hat bei einer Gesamtleistung von 140 MWel eine Solarfeldleistung von 20 MWel. Ähnliche Anlagen wurden auch in Marokko (Ain Bni Mathar, 470 MWel ) und Algerien (Hassi R’Mel, 150 MWel ) errichtet. Auch das Archimede-Kraftwerk in Italien (130 MWel mit 5 MWel Solaranteil) und das Martin Next Generation Solar-Kraftwerk in Florida (3.780 MWel Gesamtleistung mit 75 MWel Solarbeitrag) gehören in diese Kategorie. Weitere Planungen gibt es unter anderem für Standorte in Mexiko und Indien.

Aus der Praxis II: Solarturm in Anadalusien

Die Solarturmanlage „Gemasolar“ (Abb. 26 und 27) wurde nahe der südspanischen Stadt Córdoba errichtet. Sie hat eine elektrische Leistung von knapp 20 MW und nutzt Flüssigsalz als Wärmeträger- und Speichermedium. Das im Receiver erhitzte Salz wird einem Speicherbehälter zugeführt und von dort über einen Wärmetauscher zur Dampferzeugung genutzt. Danach strömt das abgekühlte Flüssigsalz in einen weiteren Speicherbehälter, von dem es bei Sonnenschein zum Rohrreceiver gepumpt und wieder erhitzt wird. Solare Energieeinkopplung und Stromerzeugung können damit vollkommen unabhängig voneinander erfolgen, solange heißes Salz im Speicher ist. Durch die Überdimensionierung des Heliostatenfeldes wird tagsüber so viel Solarenergie eingesammelt, dass die Anlage im Sommer 24 Stunden am Tag Strom produzieren kann. Die Anlage nutzt 2.650 Heliostaten mit einer Fläche von je 115 m2. Der Turm hat eine Höhe von 140 m.

Aus der Praxis III: Kollektoren auf dem Prüfstand

Die Leistungsfähigkeit der Receiver in einer Parabolrinnenanlage wird durch zwei Eigenschaften beschrieben: dem optischen Wirkungsgrad und den thermischen Verlusten. Diese Eigenschaften werden an Laborprüfständen im Quarz-Zentrum des DLR zerstörungsfrei gemessen (Abb. 37). Zur Messung der thermischen Verluste wird der Receiver auf unterschiedliche Betriebstemperaturen erhitzt. Aus der Heizleistung kann dann auf die thermischen Verluste bei diesen Temperaturen geschlossen werden. Für die Bewertung des optischen Wirkungsgrades wird ein Receiver in einem Sonnensimulator bestrahlt. Die absorbierte Leistung wird über die Erwärmung des ihn durchfließenden Wassers, also kalorimetrisch, ermittelt. Eine besondere Herausforderung ist dabei, die erforderliche Messgenauigkeit von möglichst unter einem Prozent zu erreichen. Neben einer hohen Leistungsfähigkeit ist auch eine ausreichende Langlebigkeit gefordert, da ein späterer Austausch der im Solarfeld großflächig verbauten Receiver vermieden werden sollte. Zum Test der Haltbarkeit der Absorberschicht werden die Receiver beschleunigt gealtert, indem sie über mehrere Wochen überhitzt und anschließend ihre optischen und thermischen Eigenschaften erneut vermessen werden.

Der Prüfstand Kontas (Abb. 38) wurde im Jahr 2010 auf der Plataforma Solar de Almería (PSA) errichtet, um ganze Kollektormodule testen zu können. Er befindet sich auf einer drehbaren Plattform, auf der Parabolrinnenkollektoren mit einer Länge von bis zu 20 m installiert werden können. Der Prüfstand erlaubt die Qualifikation aller Kollektorteilkomponenten, wie z. B. Metallstrukturen, Reflektoren, Receivern und flexiblen Rohrverbindungen, bis hin zu kompletten Kollektoren. Durch die zweiachsige Nachführung erlaubt er eine hohe Flexibilität bezüglich des Einfallswinkels von Solarstrahlung auf den Prüfkollektor. Der Prüfstand ist mit hochgenauer Sensorik ausgestattet, welche Wirkungsgradmessungen mit einer Unsicherheit von ±2% erlaubt.

Merkzettel

Service

BINE-Themeninfo II/2013
(PDF, 20 Seiten, 2,8 MB)

Infotipp

Sonnenenergie in der Erde speichern
BINE-Projektinfo 01/2013

Die Sonnenseiten des Sattdampfes
BINE-Projektinfo 11/2011

Solarthermische Kraftwerke werden Praxis
BINE-Projektinfo 07/2008

Thermische Solaranlagen
BINE-basisEnergie Nr. 4

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesen Projekten:

0325046
0325048 A-B
0325086 A-D
0325119A
0325144 B-D
0325112 A-C
0325232