Solarthermische Kraftwerke konzentrieren Sonnenenergie zum Zwecke der Erzeugung hoher Temperaturen für die Wärme- und Stromgewinnung. International ist für die Technologie die Abkürzung CSP (concentrated solar power) gebräuchlich. Die Wärme dient in der Regel über Dampferzeugung und -nutzung in einer Dampfturbine der Produktion von Strom. Für die Solarernte setzen die Kraftwerke großflächig Spiegelkollektoren ein, die die einfallende Sonnenenergie reflektieren und auf einen Wärmeübertrager (Receiver) konzentrieren. Dort absorbieren flüssige Wärmeträgermedien die Energie. Grundsätzlich kann die CSP neben Strom und Wärme auch Kälte und solare Brennstoffe liefern. Sie ist außerdem zur Reinigung von Wasser im Einsatz.
Parabolrinnen-Kollektoren
Kommerziell bisher weltweit am stärksten verbreitet ist die Parabolrinnen-Technologie. Sie zählt wie auch Linear-Fresnel-Systeme zu den linienfokussierenden Technologien. Diese einachsig nachgeführten Systeme folgen automatisch dem Stand der Sonne. Dabei konzentrieren die Spiegel das Licht auf ein in der Brennlinie in einem Absorberrohr zirkulierendes Wärmeträgerfluid wie etwa einem Thermoöl. Die synthetischen Öle werden dabei durch die etwa 100fache Konzentration des Sonnenlichts bis zu 400 Grad Celsius heiß. Andere Konzepte arbeiten mit Flüssigsalz oder direkt mit Wasserdampf in den Absorberrohren. Beim Einsatz von Wasser kann der Dampf direkt an die Turbine weitergegeben werden. Thermoöle und Flüssigsalz zirkulieren dagegen in einem separaten sekundären Kreislauf. Um das Reflexionsvermögen der Spiegel zu steigern, kommen Beschichtungen zum Einsatz.
Beispiel Marokko
Der tunesische CSP-Komplex Noor Ouarzazate verfügt über ein Parabolrinnen-Kraftwerk, das seit 2016 im Betrieb ist. Die Stromerzeugungskapazität von Noor Ouarzazate 1 beträgt 160 Megawatt (MW). Es produziert laut Planung mehr als 500 Gigawattstunden Strom im Jahr. Die Anzahl der Spiegel beträgt mehr als eine halbe Million Stück. Die Oberfläche aller Spiegel summiert sich auf eine Fläche von 1,4 Million Quadratmetern. Jeweils vier von ihnen sind zu einem Parabolkörper zusammengefügt und zu Einheiten von sieben Stück auf eine Metallunterkonstruktion montiert, die sie mehrere Meter in die Höhe heben. Die Module sind zu Bahnen von 50 Metern Länge und mehr verbunden. Laut den Herstellerangaben reflektieren die Spiegel das Licht zu 94,5 Prozent und haben eine Fokusabweichung von sechs Millimeter. Das heißt, dass die reflektierten Sonnenstrahlen mit hoher Genauigkeit das zwei Meter entfernt verlaufende Absorberrohr treffen, das zudem mit einer Vakuumschicht gegen Wärmeverluste ausgestattet ist.
Solarturm-Technologie
Neben der Parabolrinnen-Technologie zählt auch ein Solarturm zum CSP-Komplex Noor Ouarzazate. Dabei handelt es sich um ein punktfokussierendes System. Dieses nutzt eine große Zahl einzeln nachgeführter Heliostate, die die Strahlung auf die Spitze eines Turms konzentrieren. Sie schaffen eine Konzentration des Sonnenlichts um den Faktor 500, und damit fünf mal mehr als die Parabolrinnen-Technologie. Das sorgt für Temperaturen von rund 600 Grad. Für den Receiver des Solarturms werden vor allem Flüssigsalze eingesetzt. Solche am Markt etablierten chemischen Salzmischungen bestehen aus Kalium- und Natriumnitrat. Das Salz dient zugleich als thermischer Speicher. Dank des Speichers kann die CSP-Anlage gleichbleibend Strom auch in den Abend- und Morgenstunden sowie nach Sonnenuntergang zur Verfügung stellen.
Solarthermische Kraftwerke liefern bis zu 1000 Grad Celsius
Noch sind weltweit erst vereinzelt Solartürme im Einsatz. Eines der jüngsten und mit 110 MW leistungsstärksten Beispiele ist 2021 in der chilenischen Atakama Wüste in Betrieb gegangen. Wegen der noch unzureichenden industriellen Reife ist die Finanzierung bisweilen schwierig. Beim chilenischen Projekt half die Unterstützung der Internationalen Klimaschutzinitiative des deutschen Bundesumweltministeriums. Die Finanzierungsbedingungen könnten sich aber mit der stärkeren Durchdringung der Technologie verbessern, zumal mit ihr eine Konzentration des Sonnenlichts von bis zum 1000-fachen und damit Temperaturen von 1000 Grad Celsius möglich sind. Vor diesem Hintergrund sind auch weitere Wärmeträgermedien für solarthermische Kraftwerke wie Partikel in der Entwicklung, die eine besonders hohe Wärmeenergie aufnehmen können.
Speicher ermöglichen grundlastfähige Solarenergie
Die Kombination mit einem Wärmespeicher bietet für solarthermische Kraftwerke die Chance, im Rahmen der sicheren Stromversorgung auch Bereiche der Grundlast abzudecken. So sind Volllaststunden von bis zu 8.000 Stunden im Jahr denkbar. Ohne Speicher liefert ein solarthermisches Kraftwerk zuverlässig Strom für etwa 2.000 Volllaststunden im Jahr.
Solarthermische Kraftwerke kombiniert mit Photovoltaik
Weil die Kosten der photovoltaischen Stromerzeugung in den letzten Jahren stärker gefallen sind als für CSP-Strom, gewinnt die Kombination beider Technologien an Bedeutung. Bei kombinierten CSP/PV-Anlagen liefert der photovoltaische Teil meist den Strom in Stunden der höchsten Einstrahlung, während das CSP-Kollektorfeld den Speicher belädt. Dieses Zusammenspiel erlaubt somit eine besonders wirtschaftliche Nutzung der Solarenergie. Preisgünstige Photovoltaik verbindet sich so mit der gegenüber Batterien wirtschaftlich führenden solarthermischen Speichertechnologie.
Für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks ist eine kontinuierliche Zustandsüberwachung wichtig. Zentrale Parameter dafür sind Temperaturen, Spiegelverschmutzung oder Massenströme des Wärmeträgers in den Rohrleitungen. Über ein solches „Condition Monitoring“ lassen sich Übertemperaturen verhindern, Abnutzungserscheinungen und Fehlfunktionen frühzeitig feststellen und beheben.
Solarkraftwerke haben Wasserbedarf
Hohe solare Einstrahlungsraten sind bisher die Voraussetzung zum Einsatz großer solarthermischer Kraftwerke. Deshalb finden sie sich vor allem in Regionen entlang des Sonnengürtels der Erde in ariden Regionen wie etwa in Nordafrika, Kalifornien und Südamerika.
Weil Trinkwasserressourcen in diesem Regionen tendenziell knapp sind, spielt der effiziente Wassereinsatz eine wichtige Rolle. Denn solarthermische Kraftwerke benötigen für die Spiegelreinigung, die Dampferzeugung, vor allem aber für die Kühlung des Kreislaufs etwa 3,6 Liter pro Kilowattstunde (kWh). Eine Alternative dazu ist die Trockenkühlung mit Umgebungsluft, die den Wasserverbrauch auf 0,25 Liter je kWh reduziert. Bei Anlagen in Reichweite des Meeres kann dafür über thermische Meerwasserentsalzung aus der Abwärme eines CSP-Kraftwerks auch Wasser erzeugt werden.
Perspektiven Fernwärme, Prozesswärme und Kraftstoffe
Perspektivisch wird die CSP im kleineren Maßstab für Konzepte zur Integration in Fern- und Nahwärme auch in Zentraleuropa interessant. Ein weiteres Einsatzgebiet der CSP stellt außerdem die Option zur Lieferung von industrieller Prozesswärme dar. Eine wachsende Zahl von Projekten nimmt in diesem Feld der solaren Wärmenetze Gestalt an.
In der Entwicklung sind zudem Kraftstoffe, bei der konzentrierte Solarthermie die Energie liefert. So plant das Unternehmen Synhelion ab 2023 in Jülich die Produktion eines solaren Flugbenzins. Die Solarenergie liefert dabei Prozesswärme zur Herstellung eines Synthesegases, aus dem das Kerosin auf klassische Weise synthetisiert wird.
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