.

Abb. 20 Das Kraftwerk Kimberlina mit CLFR-Technologie (Compact Linear Fresnel Reflector) nutzt ein Feld aus vielen parallelen Fresnel-Kollektoren mit Flachspiegeln und steht in Bakersfield im US-Bundesstaat Kalifornien.
© Areva Kimberlina

Abb. 21 Temperaturverteilung im Receiver bei einer Fluidtemperatur von 700 Kelvin.
© Mertins, 2009

Abb. 22 Funktionsprinzip eines Fresnelkollektors: Die Spiegellamellen konzentrieren die Solarstrahlung auf den über ihnen feststehenden Receiver.
© DBU
6 / 10

Fresnel – das gekippte Liniensystem

Eine Variante der Parabolrinnentechnik sind Fresnelanlagen, die heute weltweit mit einer Gesamtleistung von rund 45,5 MW in Betrieb sind. Die Fertigungskosten sind gegenüber der Parabolrinne geringer. Wegen der weniger starken Konzentration der Sonnenstrahlung haben Fresnel-Kollektoren höhere optische Verluste, was zu einer geringeren Effizienz führt.

Fresnelkollektoren sind linienkonzentrierende Systeme, deren Receiver im Gegensatz zu Parabolrinnenanlagen nicht nachgeführt wird. Stattdessen werden die bodennahen Spiegellamellen, die Primärspiegel, im Tagesverlauf um die Nord-Süd-Achse gekippt und konzentrieren die Solarstrahlung auf den über ihnen feststehenden Receiver (Abb. 22). Die Primärspiegel sind je nach Bauweise plan oder leicht gekrümmt und werden jeweils von einem Motor oder Seilantrieb präzise der Sonne nachgeführt. Als Spiegelmaterial werden meist Glasspiegel eingesetzt. Diese werden auf einer Metallstruktur befestigt. Der Receiver befindet sich in der Fokallinie und besteht oft aus einem Metallrohr, das sich über einen gesamten Kollektorstrang erstreckt. Dieses ist mit einer selektiven Absorberbeschichtung versehen, um die Umwandlungsverluste möglichst gering zu halten. Über dem Absorberrohr ist ein Sekundärreflektor angebracht. Er wirft die Strahlung, die nicht direkt auf den Absorber trifft, zurück. Um die Wärmeverluste des Absorbers zu minimieren, wird typischerweise der Receiver mit einer Glasscheibe unterhalb des Absorbers geschlossen, sodass die Strahlung der Primärspiegel ungehindert hindurchtreten kann, der Absorber aber vor Windeinflüssen geschützt wird.

Kostengünstiges Konzept

Verglichen mit Parabolrinnen können Fresnelkollektoren kostengünstiger hergestellt werden. Da die Primärspiegel bodennah angebracht sind, sind sie jederzeit leicht für Reparatur- oder Reinigungsarbeiten erreichbar und können wegen der relativ geringen Windkräfte mechanisch weniger aufwendig gebaut werden. Zudem ist eine höhere Modularität des Kollektorfeldes möglich und keine oder nur eine geringe plastische Verformung der Glasspiegel erforderlich. Auch die Fundamente müssen weniger Lasten aufnehmen und können je nach Größe des Kollektors sogar durch kostengünstige Bodenanker ersetzt werden. Der über dem Spiegelfeld befindliche Receiver kann durch einfache Stahlblechprofile abgestützt und durch Seilabstrebungen in seiner Lage fixiert werden. Durch die Verwendung eines Sekundärreflektors ist der Einsatz günstigerer, nicht evakuierter Receiver denkbar. Dadurch, dass die Receiver ortsfest sind, ist eine geringere Anzahl von Ausgleichsbögen und flexiblen Verbindungsstellen (z. B. Kugelgelenken) erforderlich. Zuletzt ist aufgrund der kompakteren Konstruktion der spezifische Landverbrauch geringer, was neben den geringeren Landerwerbskosten auch zu einer Reduktion der Bodenarbeiten führt.

Die einfachere und kostengünstigere Bauweise bringt allerdings auch Nachteile verglichen mit einem gleichgroßen Parabolrinnenkollektor. Der Jahresertrag eines Fresnelkollektors fällt mit etwa 71% eines gleich großen Parabolrinnenkollektors erheblich geringer aus. Aufgrund stärkerer Verschattungsverluste in den Morgenund Abendstunden weist der Fresnelkollektor unregelmäßigere Leistungszufuhr – und somit häufigere Teillastzeiten der Turbine – auf. Der Grund liegt darin, dass die Spiegellamellen sich bei niedrigem Sonnenstand gegenseitig teilweise verschatten und somit weniger Strahlung zum Receiver gespiegelt wird. Zudem deckt sich beim Parabolrinnenkollektor die Hauptachsenebene des Spiegels mit der Ebene aus Sonnenstand und Receiver, während beim Fresnelkollektor die Hauptachse jedes einzelnen Primärspiegels immer die Winkelhalbierende von Sonnenstand und Receiverrichtung ist. Das führt zu größeren Kosinusverlusten. Weitere zusätzliche Verluste entstehen aufgrund der längeren Fokallänge und Einbußen am Sekundärreflektor durch Absorption und Streuung.

Fresnelkollektoren dürfen etwa 70% der spezifischen Kosten von Parabolrinnenkollektoren nicht überschreiten, um trotz des geringeren Ertrags wettbewerbsfähig zu sein. Dies wird aufgrund der potenziell günstigeren Bauweise als erreichbar angesehen.

Derzeit sind nach Entwicklung und Tests von Prototypen erste größere Demonstrationsanlagen im Aufbau oder bereits in Betrieb. Prinzipiell können in Fresnelsystemen zwar die gleichen Wärmeträgermedien wie in Parabolrinnensystemen eingesetzt werden. Die Entwickler setzen jedoch derzeit vorwiegend auf die direkte Dampferzeugung aus Wasser für den Betrieb einer Turbine (Novatec Puerto Errado 30 MW) oder auf eine Speisewasservorwärmung in fossilen Kraftwerken, wie Braun- oder Steinkohlekraftwerken.

Konstante Dampftemperatur

Die größten technischen Herausforderungen liegen neben der kostengünstigen Herstellung der Anlagen einerseits in der Bereitstellung konstanter Dampfparameter, andererseits in der Beherrschung der hohen Temperaturen um 500 °C am Receiver (Abb. 21). Die Dampfqualität am Austritt eines Kollektorstrangs kann durch ein sogenanntes One-Through-Regelungskonzept für den Dampfmassenstrom gewährleistet werden, sodass mit Hilfe einer Massenstromregelung der schwankenden Einstrahlung oder dem Kollektorwirkungsgrad durch veränderten Sonnenstand Rechnung getragen wird. Zur Regelung der Dampfparameter kann auch zusätzliches Wasser am heißen Ende des Solarfeldes eingespritzt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, durch den Einsatz von Kurzzeit-Dampfspeichern oder durch Hybridisierung, d. h. der gezielten fossilen Zufeuerung, die Dampfparameter zu stabilisieren. Neben dem One-Through-Regelungskonzept, bei dem die Erwärmung, Verdampfung und Überhitzung in einem Strang stattfinden, ist auch eine Regelung mit zweigeteiltem Solarfeld möglich. Im ersten Abschnitt findet die Erwärmung und Verdampfung des Wassers statt. An einem Dampfabscheider wird anschließend der Flüssig- und Dampfanteil des Sattdampfes getrennt. Während der Flüssiganteil rezirkuliert, wird der Dampfanteil in den zweiten Abschnitt, den Überhitzer, geleitet.

Derzeit existiert für die direkten Dampferzeugungskonzepte noch kein kommerzielles Speichersystem zur mehrstündigen Überbrückung von Wolkendurchgängen oder den längeren Betrieb in den Abendstunden, wenn keine Sonne mehr scheint, jedoch die Nachfrage nach Strom noch hoch ist. Daher sind sogenannte Phasenwechselspeicher derzeit in der Entwicklung.

Die in Fresnelanlagen angestrebten Prozesstemperaturen von bis zu 500 °C bei Drücken um 100 bar an der Turbine erfordern entsprechende Wandstärken der Absorberrohre (Drücke von bis zu 130 bar am Eintritt Solarfeld). Da die Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenoberfläche gegenüber dünnwandigen Rohren steigt, wird die selektive Absorberbeschichtung zusätzlich belastet. Allerdings wird das Rohr auch im Umfang etwas gleichmäßiger bestrahlt, was diesem Effekt entgegenwirkt. Der Sekundärreflektor umschließt das Receiverrohr ohne zusätzliche Kühlung und muss Temperaturen von ca. 200 °C langfristig standhalten.

Spaniens erstes kommerzielles Fresnel-Kraftwerk

Puerto Errado 2 (PE2) des Herstellers Novatec Solar ist das erste kommerzielle auf Fresnel-Technologie basierende solarthermische Kraftwerk und seit August 2012 in Betrieb. Das Kraftwerk besteht aus zwei separaten 15-MWel -Kraftwerken mit jeweils eigenem Solarfeld, Turbine und „B.O.P.“ (balance of plant) mit Speisewasserversorgung, Pumpen und mit Kühlanlagen (Kondensator). Bei Bedarf können beide Solarfelder gekoppelt werden, um eine Turbine anzusteuern. Dies erlaubt es den Kraftwerksbetreibern im Winter und bei schlechteren Einstrahlungswerten, eine Turbine auf Volllast statt zwei Turbinen in Teillastbetrieb zu fahren. Das Grundprinzip des Kraftwerkes ist aus dem Grobschema ersichtlich. Über eine Frischwasserpumpe wird Wasser ins Solarfeld gepumpt. Im Solarfeld findet eine Erwärmung mit anschließender Verdampfung statt. Da es sich beim PE2-Kraftwerk um eine Sattdampfanlage handelt, findet keine Überhitzung statt. Am Austritt des Solarfeldes fließt Sattdampf bei ca. 270 °C und 55 bar mit einem Restwasseranteil in eine Dampftrommel. Über einen Dampfabscheider wird trockener Sattdampf über einen finalen Dampfabscheider zur Turbine geleitet; dort entspannt sich der Dampf und thermische Energie wird in kinetische Energie umgewandelt, die wiederum mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt wird. Der entspannte Dampf wird über einen Luft-Rückkühler kondensiert und anschließend in einem Kondensatbehälter aufgefangen. Über einen Entlüfter wird das Wasser wieder in den Kreislauf geleitet. Der Flüssiganteil des Sattdampfes wird mit einer Rezirkulationspumpe der Dampftrommel entnommen und dem Solarfeld wieder zugefügt.

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