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Abb. 23 Das kalifornische Kraftwerk Ivanpah ist derzeit das größte thermische Solarturmkraftwerk weltweit.
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Abb. 24 Anlagenschema: Heliostate konzentrieren das Sonnenlicht auf die Spitze des Turms zum Receiver.
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Abb. 25 Heliostat mit 120 m² großer Spiegelfläche
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Abb. 28 Das 377 MW große Kraftwerk Ivanpah steht in der kalifornischen Mojave-Wüste und umfasst drei Türme.
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Abb. 29 Nahaufnahme des Solarturms
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Abb. 30 Die Abbildung zeigt beispielhaft die verschiedenen Betriebsmodi eines Turmkraftwerks.
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Turmkraftwerk bündelt Sonne punktgenau

Hohe Betriebstemperaturen von rund 1.000 °C und mehr können solare Turmkraftwerke leisten. In Verbindung mit einer Gasturbine sind so solarthermische Kraftwerksprozesse mit hoher Effizienz möglich. In Forschungsprojekten wird das Kraftwerkskonzept mit volumetrischem Luftreceiver sowie notwendigen Komponenten weiterentwickelt und getestet. Zentrale Erkenntnisse für diese Technologie sind Ergebnisse des Versuchskraftwerks Jülich.

Solare Turmkraftwerke gehören zu den punktfokussierenden Systemen. Diese Systeme sind dadurch gekennzeichnet, dass die solare Direktstrahlung auf einen Punkt, den sogenannten „Brennpunkt“, konzentriert wird. Es können deutlich höhere Konzentrationsfaktoren als mit linienfokussierenden Systemen erreicht werden, wodurch die optimale Betriebstemperatur im Receiver erhöht werden kann. Dies ermöglicht die Einkopplung in Kraftwerksprozesse mit besseren Prozessparametern und damit höhere Wirkungsgrade. Es ergibt sich ein höherer Gesamtwirkungsgrad bei der Wandlung von Solarstrahlung in Strom, daraus resultieren potenziell niedrigere Stromgestehungskosten.

In einem Solarturm-Kraftwerk (Abb. 24) lenkt eine Vielzahl von zweiachsig nachgeführten Konzentratorspiegeln, den Heliostaten (Abb. 25), das Sonnenlicht auf die Spitze eines Turmes. Dort befindet sich der zentrale Receiver, in dem die konzentrierte Solarstrahlung absorbiert und in Hochtemperatur-Wärme umgewandelt wird. Ein Wärmeträgermedium führt die Wärme ab und gibt sie direkt an den Kraftwerksprozess oder an einen Speicher weiter. In Solarturm-Systemen wird die Strahlung 500- bis 1.000-fach konzentriert, womit sich Receiver-Temperaturen bis 1.200 °C erreichen lassen. Solarturm-Kraftwerke unterscheiden sich in der Art des Wärmeträgermediums, des Receivers und des Kraftwerksprozesses. Je nach Bedarf werden thermische Speicher in das Kraftwerk integriert, um die Stromerzeugung an den aktuellen Strombedarf anzupassen. Durch die Installation eines Zusatzbrenners kann das Kraftwerk im Bedarfsfall auch ohne Solarwärme betrieben werden, es entfällt damit die Notwendigkeit, teure Reservekapazitäten im Stromnetz vorzuhalten.

Heliostate bündeln die Sonne

Die Konzentration der solaren Direktstrahlung erfolgt mit vielen Heliostaten, die meist aus einer leicht gekrümmten Glasfläche bestehen. Diese Fläche wird durch die Feldsteuerung über einen Zweiachsen-Antrieb der Sonnenbewegung so nachgeführt, dass die reflektierte Solarstrahlung auf den Receiver konzentriert wird. Derzeitige Heliostate sind zwischen 1 und 140 m2 groß. Um die gewünschte hohe Strahlungskonzentration zu erreichen, brauchen Heliostate eine hohe optische Qualität der Spiegelfläche und eine exakte Nachführung. Die Nachführung eines Heliostaten erfolgt über elektrische Dreh- oder Linearantriebe. Einige Neuentwicklungen verwenden hydraulische Aktuatoren. Systematische Abweichungen in der Nachführbewegung können über geeignete Kalibriermethoden minimiert werden. Heutige Heliostate werden über Kabel angesteuert und mit Energie für die Nachführung versorgt, neue Entwicklungen gehen über auf funkgesteuerte Heliostate mit lokaler Energieversorgung über kleine PV-Module.

Heutzutage werden vor allem Wasser/Dampf, Flüssigsalz oder Luft als Wärmeträgermedium eingesetzt. Während Dampf direkt in einem Dampfturbinenprozess zur Stromerzeugung genutzt werden kann, wird bei Flüssigsalz oder Luft die Wärme über Wärmetauscher an den Kraftwerksprozess abgegeben. Für innovative Solarturmkonzepte wird für höhere Temperaturen derzeit die Nutzung von Flüssigmetallen oder keramischen Partikeln untersucht.

Der Receiver

Der Strahlungsempfänger bzw. Receiver wandelt die stark konzentrierte Solarstrahlung in Hochtemperaturwärme um und gibt diese an das Wärmeträgermedium ab. Die Art des Receivers hängt wesentlich vom gewählten Wärmeträgermedium ab. In Rohrreceivern strömt das Medium direkt durch bestrahlte, schwarz beschichtete Absorberrohre aus Hochtemperatur-Metalllegierungen. Für die geforderten Leistungen (bis zu mehrere 100 MW pro Receiver) werden viele parallele Rohre zu Paneelen zusammengefasst und miteinander verbunden, ähnlich dem Kessel eines fossilen Dampferzeugers.

Für Luft werden auch sogenannte volumetrische Absorber verwendet, die die Strahlung im Volumen einer hochporösen Keramikstruktur absorbieren und so die durchströmende Luft erhitzen. Im solaren Demonstrationskraftwerk Jülich werden Parallelkanal-Monolithe aus Siliziumkarbid eingesetzt, um die Luft durch die absorbierte Solarstrahlung auf 680 °C zu erhitzen.

Die Sonnenernte speichern

Thermische Speicher können die eingesammelte Solarwärme aufnehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder weitgehend verlustfrei an den Kraftwerksprozess abgeben. Der Speichertyp richtet sich nach dem verwendeten Wärmeträgermedium. Für Dampfsysteme existieren Druckspeicher, die wegen ihrer begrenzten Speicherdauer eher zum Ausgleich von Wolkendurchgängen dienen. Speicher für Dampfsysteme mit längeren Speicherdauern befinden sich erst in der Entwicklung, dabei wird eine Kombination aus sensibler und latenter Speicherung favorisiert. Für Flüssigsalz werden aktuell Zweitank-Systeme verwendet: Das solar auf 565 °C erhitzte Flüssigsalz wird in einem „heißen“ Speichertank gesammelt und zur Stromerzeugung von dort zum Kraftwerksprozess gepumpt. Das dabei auf 290 °C abgekühlte Flüssigsalz wird in einem zweiten Salztank gesammelt und, wenn genügend Solarenergie zur Verfügung steht, im Receiver wieder auf 565 °C aufgeheizt.

Für Luftsysteme werden sogenannte Regeneratorspeicher eingesetzt, die meist keramische Speicherelemente in Form eines Festbettes (gestapelte oder aufgeschüttete Formkörper) nutzen. Zum Beladen wird das Festbett von oben nach unten mit der aufgeheizten Luft durchströmt, dabei wird die Wärme von der Luft an das Speichermedium übertragen. Zum Entladen wird der Speicher in umgekehrter Richtung mit Luft durchströmt, diese heizt sich dabei entsprechend auf.

Der Kraftwerksprozess

In aktuellen Solarturm-Kraftwerken werden Dampfprozesse zur Stromerzeugung eingesetzt. Je nach System und Wärmeträgermedium erreichen diese Dampfprozesse derzeit einen thermischen Wirkungsgrad bis etwa 42%. Mittelfristig streben die Forscher an, die Dampftemperatur weiter anzuheben, indem die Receiver-Temperatur erhöht wird. Der Wirkungsgrad-Vorteil der Dampfkraftwerkstechnologie kann genutzt werden, um die solaren Stromgestehungskosten weiter zu reduzieren, wie inzwischen in kohlebefeuerten Kraftwerken eingesetzt (600 bis 620 °C). Eine Alternative stellen solar-beheizte hocheffiziente Gasturbinensysteme dar, die als GuD-Prozess oder als rekuperatives Gasturbinensystem ebenfalls thermische Wirkungsgrade über 45% erreichen können. Ein Demonstrationskraftwerk mit solar unterstützter Gasturbine wurde 2012 in Spanien in Betrieb genommen. Es basiert auf einer 4,6 MW Gasturbine. Der Receiver befindet sich zwischen dem Verdichter und der Brennkammer der Gasturbine. Der verwendete Rohrreceiver kann die Luft auf Temperaturen bis 800 °C vorheizen, durch Zufeuerung wird die Luft auf die nominale Turbinen-Eintrittstemperatur von 1.160 °C aufgeheizt.

Betriebsmodi eines Turmkraftwerks

Mit leerem Speicher kann das Solarkraftwerk morgens bei Bedarf bereits vor Sonnenaufgang mit dem Zusatzbrenner den Betrieb aufnehmen (Abb. 30, Modus 1). Nach Sonnenaufgang übernimmt die eingekoppelte Solarenergie (rote Linie) zunehmend die Wärmeerzeugung, der Brennstoffeinsatz wird sukzessive zurückgefahren. Wenn der Speicher abends vollständig gefüllt ist, wird die Leistung des Solarfelds so reduziert, dass sie dem aktuellen Leistungsbedarf des Kraftwerkblocks entspricht (Modus 3). Nach vollständiger Entleerung des Speichers kann bei Bedarf die Zusatzfeuerung die Stromerzeugung sicherstellen (Modus 5).

Perspektive

Die Solarturm-Technologie steht am Beginn der Markteinführung. Die Leistungsgröße von Kleinanlagen reicht von 100 kWel bis zu großen Kraftwerken mit mehreren hundert MW Leistung. Erste kommerzielle Anlagen mit einer Gesamtleistung von ca. 50 MW sind in Betrieb, weitere Solarturm-Kraftwerke mit fast 500 MW Gesamtleistung sind im Bau. Die Weiterentwicklung konzentriert sich auf Senkung der Investitionskosten, durch Serienfertigung und Standardisierung der Komponenten sowie auf die Komponenten und Subsysteme zur Steigerung der Wirkungsgrade. Um den Gesamtwirkungsgrad zu steigern, sollen die Prozesstemperaturen und die Anlagensteuerung erhöht werden.

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