Solar-Reports:

Solarthermische Kraftwerke: Technologie-Transfer in den "Sonnengürtel"

von Rolf Hug
30.04.2003

Der Anteil erneuerbarer Energien an der Strom- und Wärmeproduktion wächst. Nach den Plänen von Bundesregierung, Europäischer Gemeinschaft und weltweiten Initiativen, beispielsweise in Folge des UNO-Johannesburg-Gipfels, soll er in den kommenden Jahrzehnten kräftig ausgebaut werden. In den Industrienationen hat die Strom- und Wärmeproduktion mit Solarzellen und Kollektoren längst Fuß gefasst. In den Schwellen- und Entwicklungsländern, aber auch in den reicheren Ländern des so genannten Sonnengürtels ist das noch nicht der Fall. Dabei könnte die Sonnenenergie gerade in den Ländern mit besonders hoher Einstrahlung besonders effektiv genutzt werden: in den so genannten Solaren Kraftwerken. Der Begriff Solare Kraftwerke umfasst Anlagen zur Strom- und Wärmeerzeugung im Kraftwerksmaßstab, das heißt im Megawattbereich.

Direct Solar Steam System (DISS) zur direkten Dampferzeugung

Der Forschungsverbund Sonnenenergie (FVS) machte solche Anlagen zum Thema seiner Jahrestagung 2002 und berichtete über photovoltaische Großanlagen, Windenergie-Kraftwerke und Solarwärme-Kraftwerke zur Stromerzeugung.

Direct Solar Steam System (DISS) zur direkten Dampferzeugung. Foto: Forschungsverbund Sonnenenergie; DLR

Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit bescheinigen die Forscher den solarthermischen Kraftwerken eine gute Perspektive, neben der Wasserkraft und den Windparks. Die in den USA Solar Electric Generating Systems (SEGS) genannten Kraftwerke sind das Thema dieses Solar-Reports. Sie wandeln Sonnenenergie im großen Maßstab in Strom um. Als optimale Einheiten nennen Forscher und Entwickler SEGS mit einer Leistung von 100 Megawatt (MW).

CO2-freie Stromerzeugung in großen Mengen

Die "Erneuerbaren" sollen bis zum Jahr 2050 die Hälfte der Primärenergie liefern. Das hat die Bundesregierung im April 2002 innerhalb ihrer Nachhaltigkeitsstrategie beschlossen. Die vorübergehend in den Hintergrund getretene Technik der Stromerzeugung mit Solarthermie ist für das Bundesumweltministerium (BMU) eine wichtige Option: Das BMU fördert die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich mit rund 10 Millionen Euro im Rahmen seines Zukunftsinvestitionsprogramms. Die Industrie beteiligt sich mit rund 7 Millionen Euro an Forschung und Entwicklung. Auch international haben Solare Kraftwerke Rückenwind bekommen, nachdem die Weltbank und die Vereinten Nationen mit der Finanzagentur Global Environmental Facility (GEF) mehrere Ausschreibungen für Solarkraftwerke in Schwellen- und Entwicklungsländern angestoßen haben. Die speziellen Tarife für Strom aus solarthermischen Kraftwerken (12 Eurocent Prämie pro Kilowattstunde), die Spanien im vergangenen Jahr eingeführt hat, zeigen ein wachsendes Interesse auch innerhalb der EU.

Spanische Testanlage Plataforma Solar in Almería Luftaufnahme der spanischen Testanlage Plataforma Solar in Almería. Vorne links 500 m Teststrang eines Parabolrinnenkollektors zur direkten Dampferzeugung, daneben CESA I Turm mit Heliostatfeld. Foto: Forschungsverbund Sonnenenergie; PSA/DLR
Da solarthermische Kraftwerke nur im Sonnengürtel der Erde wirtschaftlich betrieben werden können, stellt diese Technik vor allem eine Exportchance dar. Die Fertigung der wesentlichen Komponenten verspricht der deutschen Industrie einen erheblichen Wertschöpfungsanteil und damit die Sicherung und den Ausbau von Arbeitsplätzen. Für die Stromversorgung Mitteleuropas könnten solarthermische Kraftwerke auf lange Sicht eine Rolle spielen, wenn der Transport von Solarstrom technisch möglich und wirtschaftlich erschwinglich wird, zum Beispiel aus Nordafrika.

Deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen haben die Vorteile solarthermischer Kraftwerke längst erkannt und gehören weltweit zu den führenden Protagonisten dieser Technik. Solarthermische Kraftwerke verursachen keine Emissionen und bergen keine Umweltrisiken. Ihr Potenzial beträgt ein Vielfaches des weltweiten Strombedarfs. Und sie können in den überwiegend trockenen, heißen Erzeugerländern zur Gewinnung von Trinkwasser genutzt werden. Dabei fiele der Solarstrom als "Nebenprodukt" an. Ein solarthermisches Kraftwerk mit 200 MW Leistung könnte in Verbindung mit einer Meerwasserentsalzungsanlage 50.000 Menschen mit Trinkwasser versorgen und Strom für 250.000 Menschen erzeugen, errechneten Experten des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR). Der Einsatz von Parabolrinnen-, Solarturm und Dish-Sterling-Systemen ist sowohl in Entwicklungs- als auch in Industrieländern möglich. Dish-Sterling-Systeme eignen sich besonders für dezentrale Lösungen.

Parabolrinnen, Solartürme und Sterling-Systeme

Die Kosten der Stromerzeugung in solarthermischen Kraftwerken können nach Ansicht des Bundesumweltministeriums langfristig stabil und konkurrenzfähig werden. Im Zusammenspiel mit Energiespeichern ermöglichen solche Kraftwerke sogar eine Grundlastversorgung. Sie können aber auch mit anderen Energiequellen kombiniert werden, beispielsweise mit Erdgas, Erdöl, Wasserstoff, Biogas und flüssigen biogenen Brennstoffen. Im so genannten Hybridbetrieb werden diese Brennstoffe eingesetzt, wenn die Sonne keine ausreichende Leistung zur Verfügung stellt. Beim Einsatz billiger fossiler Brennstoffe sinken zwar mit niedrigen Solaranteilen die Kosten, aber die Kohlendioxidanteile steigen. Das Ziel ist deshalb ein reiner Solarbetrieb mit thermischen Speichern, oder zumindest eine Begrenzung des fossilen Brennstoffeinsatzes, wie in Kalifornien praktiziert. Bei der Markteinführung setzen Forschung und Industrie auf kostenorientierte Strategien, bei denen zunächst kleine Anteile am Gesamtbrennstoffeinsatz durch Solarenergie ersetzt werden und die Sonne die fossilen Brennstoffe nach und nach ablöst. Für viele Gegenden der Welt sind solarthermische Kraftwerke die wirtschaftlich interessanteste Option klimaneutral Strom zu erzeugen. Drei Technologien werden für den entstehenden Markt entwickelt: Die kommerziellen erfolgversprechenden Parabolrinnensysteme, die Solarturmtechnologie und die Dish-Sterling-Systeme.

Erprobt und erfolgreich: Parabolrinnensysteme

Seit über 15 Jahren sind neun Patrabolrinnenkraftwerke in Kalifornien mit 354 Megawatt Leistung erfolgreich im Einsatz. Die weltweit einzigen kommerziell betriebenen solarthermischen Kraftwerke haben bisher knapp 10 Terawattstunden (10 Milliarden Kilowattstunden) sauberen Solarstrom produziert und demonstrieren das Potenzial dieser Technologie.

Solarkraftwerk bei Kramer Junction, USA Solarkraftwerk bei Kramer Junction, USA: Über 2 Millionen Quadratmeter Parabolrinnenkollektoren mit einer Stromerzeugungskapazität von 354 Megawatt produzierten bis Ende 2001 fast 10 Milliarden Kilowattstunden Solarstrom und Erlöse in Höhe von rund 1,5 Milliarden US-Dollar. Quelle: Forschungsverbund Sonnenenergie;DLR.
Parabolisch gekrümmte Spiegel bündeln das Sonnenlicht auf ein Absorberrohr. Die Spiegel (Reflektoren) werden der Sonne einachsig um ihre nord-süd-orientierte Längsachse nachgeführt. Das Absorberrohr nimmt die konzentrierte Strahlung auf und überträgt sie bei Temperaturen bis zu 400° Celsius an eine durchströmende Wärmeträgerflüssigkeit (Wasser/Dampf, Thermo-Öl oder Salzschmelze). Ein Vakuum zwischen dem inneren Absorberrohr und einem konzentrischen äußeren Glasrohr steigert den Wirkungsgrad. Der mit Sonnenstrahlung erzeugte Dampf treibt eine Turbine an, die mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Eine Systemstudie des Forschungsverbunds Sonnenenergie belegt, dass Parabolrinnenkollektoren bei Betriebstemperaturen oberhalb von 50 ° die höchsten Jahreserträge liefern, darunter können die handelsüblichen Flachkollektoren zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung ihren Vorteil ausspielen, auch die diffuse Strahlung nutzbar zu machen. In Kalifornien haben die SEGS laut FVS bei der Umwandlung von Sonneneinstrahlung in Strom Gesamtwirkungsgrade über 20 % im Sommer und mehr als 14 % im Jahresdurchschnitt erreicht. Der Thermische Wirkungsgrad des Solarfeldes wurde vom Beginn 1985 bis zum Jahr 1991 von 35 % auf 50% gesteigert; die spezifischen Installationskosten sanken in diesem Zeitraum von 4.490 US-Dollar pro Kilowatt auf 3.440 USD/kW).
LS2-Parabolrinnenkollektor LS2-Parabolrinnenkollektor, eingesetzt im kommerziellen Solarkraftwerk vom Typ SEGS, das seit über 10 Jahren in der kalifornischen Mojave Wüste Solarstrom erzeugt Foto: Forschungsverbund Sonnenenergie; PSA/DLR
Die Massenfertigung von über 2 Millionen Quadratmetern Parabolrinnenfeldern und die Langzeiterfahrung haben der Technologie deutliche Wettbewerbsvorteile verschafft: Sie kann nicht nur den geringsten Materialeinsatz und den niedrigsten Landverbrauch für sich in Anspruch nehmen, sondern sie weist auch die beste nachgewiesene solare Jahresausbeute sowie die höchste Wirtschaftlichkeit auf. Mit ihrer geringen Zahl verschiedener Bauteile bietet sich die Parabolrinnentechnik für die Massenfertigung an und erlaubt es damit, die Kosten zu senken. Für Anlagen mit einer Leistung zwischen 30 und 80 Megawatt errechnete der FVS spezifische Solarfeldkosten von 200 - 250 Euro pro Quadratmeter und damit einen solaren Stromerzeugungspreis von 10 bis 16 Cent je Kilowattstunde. Die aktuellen Projektentwicklungen beziffert der FVS mit zirka 3.000 Megawatt; in den Jahren 2010 - 2020 erwartet er ein Marktvolumen von 15.000 MW.

Solarturmsysteme: Sonnenenergie für Gasturbinen

Große Erwartungen wecken die so genannten Solarturmsysteme. Hier wird das Sonnenlicht mit Hilfe einzeln nachgeführter flacher Spiegel (Heliostate) auf einen zentralen Wärmetauscher (Receiver) in einem Turm fokussiert. So kann die Sonnenstrahlung einige hundert Mal konzentriert werden und Hochtemperaturwärme bis zu 1.100 ° C bereitstellen. Weltweit demonstrieren seit 1981 zehn Versuchsanlagen die Machbarkeit dieser Technik. Alle Systeme produzieren Strom mittels Dampfturbinen. Als Wärmeträgermedium wurde zunächst Wasserdampf verwendet, mittlerweile setzen die Forscher auf Salzschmelzen oder Luft als Wärmeträger.

Blick vom Heliostatfeld auf den CESA Turm in der spanischen Testanlage Plataforma Solar de Almería
Blick vom Heliostatfeld auf den CESA I Turm in der spanischen Testanlage Plataforma Solar de Almería beim Bestrahlungstest eines neuartigen Receivers. Fotos: Forschungsverbund Sonnenenergie; PSA/DLR
Das Salzturmsystem und die Luftreceiversysteme gelten als interessant, haben ihre kommerzielle Reife jedoch noch nicht bewiesen. Für beide Techniken sind Demonstrationsvorhaben unter den Randbedingungen des spanischen Einspeisegesetzes in Vorbereitung. Vielversprechend sind die Luftreceiver, weil sie die Einkopplung der Solarenergie in Gasturbinen ermöglichen, besonders in die hoch effizienten Kombikraftwerke. Diese verbinden Dampf- und Gasturbinen und erreichen so einen besonders hohen Wirkungsgrad. Dadurch kann die Konzentratorfläche reduziert werden, was eine deutliche Senkung der solaren Gesamtinvestitionskosten bedeutet. Die Technik der solaren Lufterhitzung kann in einem breiten elektrischen Leistungsbereich von einem Megawatt bis zu 100 MW eingesetzt werden.
Kraftwerk Solar Two" in Barstow/ Kalifornien

 

Kraftwerk Solar Two" in Barstow/ Kalifornien: Prototyp eines Solarturmkraftwerks mit einer elektrischen Kapazität von 10 Megawatt (MW), in dem von 1996 bis 1998 der Betrieb mit dem Wärmeträger "Salzschmelze" demonstriert wurde. Foto: Forschungsverbund Sonnenenergie; PSA/DLR

Ein spanisch/amerikanische Konsortium plant derzeit die Fortsetzung des zwischen 1996 und 1999 in Kalifornien betriebenen Salzturm-Versuchskraftwerks "Solar Two" in der Nähe von Cordoba mit einem dreifach größeren Solarfeld als beim Vorgänger. Anlagen mit Luftreceivern sind in der Nähe der südspanischen Stadt Sanlúcar la Mayor und auf der Plataforma Solar de Almería (PSA) geplant. Auf der PSA soll erstmals ein komplettes solar-hybrides Gasturbinensystem mit Lufterhitzung betrieben werden. Das EU-geförderte Projekt SOLGATE beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Integration von Receiverkomponenten und Gasturbine.

Dezentrale Stromerzeugung mit Dish-Sterling-Systemen

Im Dezember 2000 und im Juni 2001 wurden auf der Plataforma Solar de Almería zwei Prototypen des so genannten EuroDish-Systems in Betrieb genommen. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR) betreuen die mittlerweile vollautomatisch betriebenen Systeme, nachdem die Steuerungssoftware und die Antriebe weiterentwickelt wurden. Dish-Stirling-Anlagen konzentrieren die Solarstrahlung mit einem Parabolspiegel von einigen Metern Durchmesser und erzeugen Strom mittels Stirlingmotoren. Da die direkte Sonneneinstrahlung konzentriert wird, müssen die Dish-Sterling-Systeme der Sonne kontinuierlich zweiachsig nachgeführt werden. Ein Receiver absorbiert die Strahlung und führt sie dem Stirlingmotor als Hochtemperaturwärme zu. Die Antriebsenergie wird von außen zugeführt - im Gegensatz zum Otto- oder Dieselmotor wo die Verbrennung im Kolben stattfindet. Die beiden miteinander gekoppelten Zylinder des Stirlingmotors sind gasdicht geschlossen und mit einer konstanten Menge Arbeitsgas (Helium) gefüllt. Ein Zylinder wird von außen erhitzt, der andere bleibt kühl. Die Druckdifferenz zwischen beiden Zylindern treibt zwei miteinander verbundene und phasenverschoben arbeitende Kolben an. So kann das gekühlte Gas wieder in den heißen Zylinder geschoben werden, sich dort ausdehnen, und den Stirling-Kreisprozess in Gang halten. Ein direkt an die Kurbelwelle gekoppelter Generator produziert den Strom. Eine anschauliche Animation des Funktionsprinzips des Stirlingmotors präsentiert die Solo Kleinmotoren GmbH im Internet unter http://www.stirling-engine.de (Funktion).

EuroDish-Stirling auf der PSA / Spanien

Die elektrische Leistung von Dish-Sterling-Systemen reicht von 5 bis 50 Kilowatt. Sie bieten sich an für den Ersatz von Diesel-Aggregaten und können als "Farm" zu größeren Einheiten zusammengeschaltet werden.

EuroDish-Stirling auf der PSA / Spanien. Foto: Forschungsverbund Sonnenenergie; PSA/DLR

Erste Prototyopen mit 25 kW elektrischer Leistung wurden Mitte der 80er Jahre in den USA gebaut. In Deutschland sammelten Schlaich, Bergermann und Partner (SBP) seit 1984 Erfahrungen mit Dish-Sterling-Systemen, von denen die drei Anlagen des Projektes Distal I auf der PSA mit über 30.000 kumulierten Betriebsstunden die weltweit umfangreichsten empirischen Daten lieferten. Drei weitere Systeme des Projekts Distal II mit Konzentratoren von 8,5 Metern Durchmesser, Stirlingmotoren mit 9 kW elektrischer Leistung und einer vollautomatischen Steuerung sind seither laufend in Betrieb. Vorläufiger Höhepunkt der Entwicklung ist das EuroDish-Projekt mit zwei Prototypen, die bis 2001 auf der PSA errichtet wurden und seither erprobt werden. Die wesentlichen Komponenten wurden verbessert: Der Konzentrator wird inzwischen aus dünnwandigen Segmenten auf der Basis eines faserverstärkten Epoxidharzes gefertigt, auf das Dünnglasspiegel mit einer dauerhaft hohen Reflexivität von 94 % geklebt werden. Die Jahresenergieausbeute wird beim EuroDish gesteigert, indem der Konzentrator rund 25% über der Nennleistung des Stirlingmotors ausgelegt wurde. Deshalb muss zwar bei Einstrahlungen über 850 Watt pro Quadratmeter überschüssige Wärme abgeführt werden, aber der Motor arbeitet auch bei geringerer Einstrahlung mit hohem Wirkungsgrad.

Stirling 161

Der Stirling 161 der Solo Kleinmotoren GmbH wird seit 1990 von Solo weiterentwickelt und als Prototyp gefertigt.

Der Stirling 161 erreicht bei einem mittleren Druck von 150 bar eine Gastemperatur von 650 ° Celsius und mit 1.500 U/Min eine elektrische Lesitung von 9 bis 10 kW. Quelle: Solo Kleinmotoren GmbH.

Derzeit baut Solo eine Kleinserienfertigung für den Motor als gasbetriebenes Blockheizkraftwerk auf. Finanziell unterstützt vom Bundesumweltministerium werden in Almería weitere Betriebserfahrungen gesammelt und künftige Anlagenbetreiber geschult. Mit dem Übergang zu einer Kleinserienfertigung sollen die bisher noch hohen Systemkosten verringert werden. Referenzanlagen bei ausgewählten Nutzern sollen Montage, Betrieb und Wartung unter marktnahen Bedingungen ermöglichen und die Technik öffentlich bekannt machen.

Der Solar-Report basiert auf dem FVS-Themenband 2002 "Solare Kraftwerke", erhältlich bei der FSV-Geschäftsstelle oder herunterzuladen unter http://www.FV-Sonnenenergie.de (unter der Rubrik Publikationen)

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