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Abb. 2 Die drei Parabolrinnenkraftwerke Andasol I-III stehen in der Nähe von Granada in Spanien.
© Flagsol GmbH

Abb. 3 Die Tabelle zeigt linien- und punktfokussierende Systeme solarthermischer Kraftwerke.
© DLR
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Merkmale solarthermischer Kraftwerke

Zurzeit sind weltweit solarthermische Kraftwerke mit einer Kapazität von rund 2,5 GW in Betrieb; etwa 1,5 MW befinden sich im Bau. Sie eignen sich besonders für die Stromerzeugung in Regionen mit hoher direkter Einstrahlung. Ihr großer Vorteil liegt darin, dass sie durch ihre integrierten Speicher Solarstrom bedarfsgerecht zur Verfügung stellen können. Weltweit werden die in Deutschland entwickelten Schlüsselkomponenten in Kraftwerken eingesetzt.

In solarthermischen Kraftwerken werden konzentrierende Kollektoren dazu verwendet, die Hochtemperaturwärme für den Kraftwerksblock bereitzustellen. Das kann in Ergänzung zum fossilen Betrieb geschehen oder diesen vollständig ersetzen. Optische Systeme konzentrieren nur die direkte Sonnenstrahlung und müssen der Sonne nachgeführt werden, um eine ausreichend hohe Konzentration zu erreichen. Diese Technik wird vor allem in großen, zentralen Anlagen im Sonnengürtel der Erde eingesetzt. Die Konzentration des Sonnenlichts erfolgt durch Spiegel, die das Licht auf einen Wärmeübertrager bündeln, der die absorbierte Energie auf ein Wärmeträgerfluid überträgt. Es existiert eine Vielzahl von unterschiedlichen Konzepten, in denen das Wärmeträgermedium entweder direkt im Kraftwerkskreislauf verwendet wird, beispielsweise Wasserdampf, oder zunächst in einem Sekundärkreislauf zirkuliert (z. B. Thermoöl). Heutige Konzepte basieren auf Erfahrungen der ersten Anlagen, die bereits Mitte der 1980er Jahre einen ersten kommerziellen Erfolg in den USA feiern konnten. Eine größere kommerzielle Markteinführung hat jedoch erst seit 2007 in Spanien und den USA stattgefunden. Zurzeit sind etwa 2,5 GW an solarthermischen Kraftwerken in Betrieb und etwa 1,5 GW im Bau. Weitere Märkte entwickeln sich derzeit insbesondere in der MENA-Region (Middle East and North Africa) sowie in Südafrika, Indien und China. Solarthermische Kraftwerke spielen auch eine wichtige Rolle im Rahmen des DESERTEC-Konzepts. Dabei wird erwartet, dass ein integriertes europäisch-nordafrikanisches Versorgungsnetz bis 2050 wesentliche wirtschaftliche und sozio-ökonomische Vorteile gegenüber einer getrennten Versorgungsstruktur bietet und zur kostengünstigen und nachhaltigen Versorgung auch von Europa und Deutschland mit Strom beiträgt.

Linien- oder punktfokussierende Spiegel

Solarthermische Kraftwerke können anhand der Anordnung ihrer Konzentratorspiegel unterschieden werden (Abb. 3): Linienfokussierende Systeme, wie Parabolrinnen- oder Linear-Fresnel-Systeme, müssen der Sonne in einer Achse nachgeführt werden, um die Strahlung auf ein Absorberrohr zu konzentrieren. In der Praxis kann eine etwa 100-fache Konzentration des Sonnenlichts erzielt werden. Punktfokussierende Systeme, wie Turmkraftwerke, nutzen eine große Zahl einzeln nachgeführter Heliostate, um die Strahlung auf einen einzigen Receiver auf der Spitze eines zentralen Turms zu konzentrieren. Sie können die einfallende Strahlung der Sonne mehrere 1.000 Mal konzentrieren. Dazu benötigen sie allerdings eine zweiachsige Nachführung der Spiegel.

Nach den Gesetzen der Thermodynamik wird eingesammelte Wärme um so effektiver in Arbeit umgewandelt, je höher die Temperatur ist, auf der sie bereitgestellt wird. Auf der anderen Seite sinkt die Effizienz des Receivers mit steigender Temperatur aufgrund höherer Wärmeverluste. Daher gehört zu jedem System eine optimale Betriebstemperatur, bei der das günstigste Verhältnis von Solarstrahlung zu Emission erreicht wird. Mit steigender Konzentration werden höhere Effizienzen bei höheren optimalen Betriebstemperaturen erreicht.

Energie thermisch speichern

Solarthermische Kraftwerke haben den großen Vorteil, thermische Energiespeicher (z. B. Speichertanks mit heißem, geschmolzenem Salz) integrieren zu können, die den Betrieb der Anlage bei Wolkendurchgängen oder nach Sonnenuntergang fortsetzen können. Zusätzlich kann auch fossiler Brennstoff eingesetzt werden. So lässt sich die Stromerzeugung an den Bedarf anpassen. Im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energiesystemen, die elektrische Energiespeicher einsetzen, können solarthermische Kraftwerke mit Energiespeicher sogar kostengünstigeren Strom bereitstellen als Systeme ohne Speicher. Deutlich wird dies, wenn man z. B. ein 100-MW-Solarkraftwerk ohne Speicher mit einem 50-MW-System mit gleich großem Solarfeld und einem thermischen Speichertank vergleicht: Die 100-MW-Turbine wird an einem guten Solarstandort etwa 2.000 Volllaststunden pro Jahr genutzt, während die 50-MWTurbine durch den Speichertank 4.000 Volllaststunden leistet. Beide Anlagen liefern die gleiche Menge Strom pro Jahr. Ist der Speichertank entsprechend kostengünstig, verursacht die 50-MW-Anlage geringere Investitionskosten aufgrund des kleineren Kraftwerkblocks. Zudem kann die Anlage den Strom auch zeitlich flexibler liefern.

Wärme umwandeln

Zurzeit wird die eingesammelte Wärmeenergie überwiegend in Dampfkraftwerken in Strom umgewandelt. Diese sind für Leistungsgrößen ab 10 MW und für Temperaturen bis etwa 600 °C geeignet und können mit Parabolrinnen-, Linear-Fresnel- oder Solarturm-Systemen gekoppelt werden. Stirling-Motoren sind für kleinere Leistung bis zu einigen 10 kW geeignet, die typisch für Dish-Konzentratoren sind. Gasturbinen stehen in einem weiten Leistungsbereich zur Verfügung und bieten das Potenzial auch deutlich höhere Temperaturen bis 1.200 °C auszunutzen. Bei großen Leistungen können sie mit Dampfprozessen zu sogenannten Kombikraftwerken gekoppelt werden und versprechen – aufgrund der hohen Effizienz – die gleiche Leistung mit 25% weniger Kollektorfläche zu erzeugen als konventionelle Dampfkraftwerke. Bislang wurden Gasturbinen allerdings nur in Versuchsanlagen mit Solarenergie betrieben.

Verbrauch und Kosten

Solarthermische Kraftwerke mit Dampfkreislauf benötigen – wie alle Dampfkraftwerke – Wasser für den Betrieb, hauptsächlich zur effizienten Kühlung des Kreislaufs. Da Wasser in den Regionen, in denen die Technik zum Einsatz kommt, ein knappes Gut ist, lässt sich der Verbrauch von etwa 3,6 auf 0,25 l/kWh senken, wenn die Umgebungsluft zur Kühlung verwendet wird. Dies erhöht jedoch die Investitionskosten und senkt den Wirkungsgrad der Anlage, sodass die Stromgestehungskosten um 3 bis 7,5 % ansteigen. Als Alternative ist in der Nähe des Meeres auch Seewasserkühlung oder der Betrieb von Meerwasserentsalzungsanlagen möglich. Die Stromgestehungskosten von solarthermischen Kraftwerken sind in den letzten 5 Jahren um rund ein Drittel auf etwa 14 bis 18 Eurocent/kWh gefallen und haben nach Aussagen des Europäischen Industrieverbands ESTELA das Potenzial, in den nächsten 10 Jahren die 10 Eurocent-Marke zu unterschreiten. Der Mehrwert der besseren Versorgungssicherheit für den Netzbetrieb, der durch den Energiespeicher erreicht wird, beträgt im Vergleich zu fluktuierendem Strom aus Wind- oder PV-Anlagen heute in manchen Netzen bis zu 3 Eurocent/kWh. Mit höheren Anteilen an fluktuierender Energie im Netz wird dieser Wert zukünftig weiter steigen.

Die drei Haupttreiber für eine Kostensenkung sind die Skalierung zu größeren Einheiten, die Massenfertigung von Komponenten und technologische Innovationen. Letztere zielen darauf ab, die Effizienz des Kraftwerks mit höheren Betriebstemperaturen zu steigern, die optische Auslegung zu optimieren sowie die Komponentenkosten und den Bedarf an Wasser und elektrischen Eigenverbräuchen zu senken.

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