Potential solarthermischer Stromerzeugung

Ein steigender Wirkungsgrad ist der Schlüssel zum wirtschaftlichen Erfolg der solarthermischen Kraftwerke. Höhere Betriebstemperaturen könnten diesen Weg ebnen. Auf der anderen Seite gilt es, die Investitionskosten für solche Solarkraftwerke zu senken.

Der wichtigste Ansatz zur Senkung der Stromkosten solarthermischer Kraftwerke liegt in der Steigerung ihres Gesamtwirkungsgrades. Konzentrierende Solarsysteme können theoretisch deutlich höhere Austrittstemperaturen erreichen, als sie derzeit realisiert werden. Das würde in den nachgeschalteten Dampfkraftwerken höhere Wirkungsgrade erlauben. So könnten zum Beispiel Parabolrinnenkollektoren Temperaturen von bis zu 550°C erzielen und damit ein konventionelles Dampfkraftwerk optimal antreiben. Das heutzutage in kommerziellen Systemen als Wärmeträger verwendete Thermoöl begrenzt dagegen die Temperaturen auf 400°C. Wesentlich höhere Betriebstemperaturen lassen sich durch Direktverdampfung von Wasser in den Parabolrinnenkollektoren erzielen. Eine entsprechende Demonstrationsanlage ist seit 1999 auf der Plataforma Solar de Almeria, Spanien, in Betrieb.

Bei der Solarturmtechnologie steht ein neues Konzept mit geschlossenen volumetrischen Receivern (REFOS-Konzept) im Vordergrund. Diese erlauben es, die Luft unter Drücken zwischen 15 bis 20 bar zu erhitzen und so Betriebstemperaturen von 800-1200°C zu erzielen. Damit würde es möglich, die konzentrierte Sonnenenergie auch in hocheffiziente Gasturbinen- und Gas und Dampfturbinen-Kraftwerke einzuspeisen. Diese in Europa entwickelte Technik der solaren Lufterhitzung kann in einem breiten Leistungsbereich von etwa 5–200 MW_el eingesetzt werden.

Energiespeicher

Der andere wichtige Ansatz zur Senkung der solaren Stromkosten ist die Entwicklung von thermischen Energiespeichern mit hoher Lebensdauer und niedrigen spezifischen Kosten. Energiespeicher erhöhen den Solaranteil der Kraftwerke, verbessern das Betriebsverhalten und ermöglichen eine höhere Ausnutzung des Kraftwerksblocks. Die Entwicklung thermischer Speicher wurde in Europa zunächst vernachlässigt, da man Hybridanlagen mit fossiler Zufeuerung als kurzfristig kostengünstigere Option favorisierte. In den letzten Jahren wurden verschiedene Energiespeicherkonzepte mit innovativen Speichermaterialien vorgeschlagen und erfolgreich getestet: So gibt es beim DLR zum Beispiel für Parabolrinnenkollektoren mit Temperaturen bis zu 400°C ein Konzept, das Hochtemperaturbeton als Speichermedium verwendet. Für Turmkraftwerke mit Temperaturen bis zu 900°C bietet sich ein Konzept mit Quarzsand als Speichermedium an.

Sinkende Kosten

Die kommerziell erhältliche Technik basiert im Moment auf Parabolrinnenkollektoren mit Thermoöl und auf Turmkraftwerken mit atmosphärischem Luft-Receiver, die beide jeweils einen Dampfkreislauf antreiben. Während bei den bereits im Betrieb befindlichen Parabolrinnenkraftwerken in Kalifornien (SEGS II-VII) die rein solaren Stromgestehungskosten noch etwa 18 Cent/kWh betragen (bei Hybridbetrieb 14 Cent/kWh), kann man beim Bau neuer, größerer Einheiten von 100 MW an guten Standorten rein solare Stromkosten von etwa 9 Cent/kWh und bei Hybridbetrieb (50 Prozent Zufeuerung) von etwa 6 Cent/kWh erreichen. Bei Solarturmkraftwerken liegen die Kosten infolge ihres geringeren Entwicklungstandes noch etwas höher.

Wegen der geringen Zahl der bisher gebauten solarthermischen Kraftwerke ist es schwierig, zuverlässige Zusammenhänge zwischen Kosten und kumulierter Produktionsmenge abzuleiten. Mit plausiblen Annahmen kann man aber abschätzen, dass sich die Stromkosten aus solarthermischen Kraftwerken bis zum Jahr 2020 bzw. 2050 auf 52 bzw. 39 Prozent der Kosten im Jahr 2000 reduzieren sollten.

Die Grafik zeigt die erwartete Entwicklung der Stromgestehungskosten konzentrierender solarthermischer Kraftwerke an verschiedenen Standorten mit unterschiedlicher Einstrahlung und für verschiedene Betriebsweisen. Voraussetzung für die prognostizierte Kostenseknung ist jedoch, dass sich die Markteinführung solarthermischer Kraftwerke in den nächsten 10–20 Jahren etwa so, wie im Szenario des Forschungsprojektes SOKRATES (Solarthermische Kraftwerkstechnologie für den Schutz des Erdklimas) des Bundesumweltministeriums beschrieben, entwickelt. Von den erwarteten Kostensenkungen sollte etwa die eine Hälfte der Hochskalierung zu größeren Einheiten und der Verbilligung bei großen Produktionsmengen zuzurechnen sein, die andere den Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen im Technologiebereich.