Solarkraftwerkstypen

Technik der solarthermischen Kraftwerke

In solarthermischen Kraftwerken wird die direkte Sonnenstrahlung mittels Spiegeln so stark konzentriert, dass damit ein geeignetes Arbeitsmedium auf Temperaturen von mehreren Hundert Grad erhitzt werden kann. Mit der gewonnenen Hochtemperaturwärme wird dann in konventionellen Wärmekraftmaschinen, das sind beispielsweise Dampf- oder Gasturbinen, Strom erzeugt.

Prinzipien der Solarkonzentration

Je nach Gestaltung der fokussierenden Spiegel haben sich drei Kraftwerkstypen herauskristallisiert: Parabolrinnenkraftwerke, bei denen ein Absorberrohr in der Brennlinie eines trogförmigen Paraboloidspiegels liegt, und Paraboloid- und Solarturmkraftwerke, bei denen sich ein nahezu punktförmiger Strahlungsempfänger im Brennpunkt eines Paraboloidspiegels befindet. Die beiden letzteren unterscheiden sich nur in der Größe der verfügbaren Spiegelfläche: Paraboloidkraftwerke benutzen einen einzelnen Spiegel von bis zu zehn Metern Durchmesser und sind entsprechend in ihrer Leistung begrenzt. In Solarturmkraftwerken dagegen lenkt ein Feld von dem Sonnenstand nachgeführten Einzelspiegeln (Heliostatenfeld) die Sonnenstrahlung auf einen zentralen Wärmetauscher auf der Spitze eines Turmes.
Alle drei Technologien sind heute bereits mehrfach erprobt. Auf eine vierte, aber noch nicht in größerem Maßstab realisierte Möglichkeit, so genannte solare Aufwindkraftwerke, wird hier nicht eingegangen.

Infografik: Links Einzelspiegel, die Sonnenlicht auf einen sogenannten Receiver an der Spitze eines Turms reflektieren. In der Mitte an Regenrinnen erinnernde gekrümmte Spiegel, die jeweils der Länge nach in der Mitte von Absorberrohren durchzogen sind. Ganz rechts ein Spiegel, der wie eine Satellitenschüssel aussieht und im Brennpunkt einen Receiver fürs Sonnenlicht besitzt.
Prinzipien der Solarkonzentration

Da nur direkte Sonnenstrahlung mit optischen Elementen konzentriert werden kann, sind solarthermische Kraftwerke auf Standorte mit hoher direkter Sonneneinstrahlung angewiesen. Besonders geeignet sind Standorte im äquatornahen Sonnengürtel der Erde bis zu geographischen Breiten von etwa 30 bis 40 Grad Nord beziehungsweise Süd (das schließt zum Beispiel auch Südspanien, 37 Grad Breite, ein), wo man auf 2000 bis 2600 Sonnenscheinstunden pro Jahr (ein Jahr entspricht 8760 Stunden) kommt. In diesen Gebieten haben Solarkraftwerke gute Aussichten, bereits mittelfristig wirtschaftlich konkurrenzfähig zu werden. Um die Markteinführung zu erleichtern, könnten zunächst Hybridkraftwerke mit einer Kombination aus solar und fossil erzeugtem Dampf eingesetzt werden. Längerfristig müssen jedoch kostengünstige thermische Energiespeicher entwickelt werden, um die Kraftwerke auch ohne fossile Zufeuerung über die Sonnenscheinzeit hinaus betreiben zu können.

Parabolrinnenkraftwerke

Parabolrinnenkraftwerke (Tabelle, Spalten 4 und 5) sind die am längsten erprobten Kraftwerkstypen und als einzige bereits kommerziell eingesetzt. Sie bestehen aus bis zu 100 Meter langen, trogförmigen Spiegeln, die das Sonnenlicht auf ein Absorberrohr fokussieren. In diesem wird das Thermoöl aufgeheizt, das gleichzeitig den Wärmetransport zur Dampfturbine übernimmt. Da die Betriebstemperatur bei Thermoöl auf 400°C begrenzt ist, kann die Sonnenenergie in diesen Anlagen nur in Dampfturbinen eingespeist werden. Alternativ kann als Wärmeträger auch Wasserdampf verwendet werden, der Temperaturen bis 500 Grad erlaubt.

Beispiele der besprochenen Technologien zur solarthermischen Elektrizitätserzeugung

Abkürzungen:
GuD: Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, REFOS: Solar Receiver für fossile Gasturbinen und GuD-Anlagen, ISCCS: Integrated Solar and Combined Cycle System

 

Solarturm

Solarturm (REFOS)

Parabolrinne

Parabolrinne

Paraboloid

Leistung(solar) [MWel]

5–400

5–400

5–400

5–400

0,01–0,1

Einsatz

Dampfturbine, ISCCS

Gasturbine, GuD-Kraftwerk

Dampfturbine, ISCCS

Dampfturbine, ISCCS

Gasturbine, Stirling Motor

Receiver/Absorber

Rohrbündel od. drucklose volumetrische Receiver

Volumetrische Receiver

Absorberrohr

Hochdruck-Absorberrohr

Rohrbündel od. Heat Pipe

Wärmeträger

Luft, Salz, Dampf

Luft

Thermoöl

Dampf

Luft, Helium, Wasserstoff

Spitzenwirkungsgrad [%]

18–23

ca. 30

18–21

18–23

20–29

mittl. Wirkungsgrad [%]

14–19

ca. 25

10–15

14–18

16–23

Betriebstemperatur [°C]

600–800

800–1200

300–400

400–500

900–1200

Betriebsdruck [bar]

<5

15–20

<5

100–120

<15

Status

Demonstration

Demonstration

kommerziell

F&E

Demonstration

Seit Mitte der achtziger Jahre sind in den USA solare Parabolrinnenkraftwerke installiert. Im Jahr 2015 waren vier dieser Kraftwerke mit einer Kapazität von 915 Megawatt in Betrieb. Rekordhalter für diese Kraftwerksart ist Spanien mit zwölf Anlagen und einer gesamt Kapazität von 1000 Megawatt und einer Jahresproduktion von insgesamt über zwei Terawattstunden. Weitere Kraftwerke sind in Südafrika und den Vereinigten Arabischen Emiraten installiert.

Im März 2013 hat in Abu Dhabi das mit 100 Megawatt Leistung bis dahin größte Parabolrinnenkraftwerk seinen Betrieb aufgenommen. Es bedeckt mit insgesamt 258.048 Spiegeln eine Fläche von Fläche von 2,5 Quadratkilometern, vergleichbar mit 285 Fußballstadien.

Die Betriebserfahrungen mit diesen Kraftwerken bildeten die Grundlage für weitere Projektplanungen in Südeuropa und in Entwicklungsländern nahe dem Äquator. Sie führten in Spanien zwischen 2008 und 2012 zum Bau und Betrieb von 17 Parabolrinnenkraftwerken mit einer Gesamtleistung von 825 Megawatt und einer Jahresproduktion von insgesamt 1951 Gigawattstunden.

Die Parabolrinnenkraftwerke sind teilweise mit Wärmespeichern von 9 Stunden Volllastkapazität versehen. Die höchste sinnvolle Leistung pro Kraftwerksmodul wird bei dieser Technologie auf etwa 200 Megawatt elektrischer Leistung geschätzt, weil bei größeren Werten die Entfernung zwischen Turbine und Kollektoren zu groß würde.

Paraboloidkraftwerke

Paraboloidkraftwerke (Tabelle, Spalte 6) sind dezentrale Anlagen mit elektrischen Leistungen zwischen 10 und 100 Kilowattstunde (begrenzt durch die Spiegelgröße). Mit ihrer hohen Betriebstemperatur von 900 bis 1200 Grad haben sie die bisher höchsten solarelektrischen Wirkungsgrade (Spitzenwirkungsgrad 20 bis 29 Prozent) erreicht. Als Wärmekraftmaschinen werden Stirlingmotoren oder Gasturbinen verwendet, die zusammen mit dem Absorber direkt im Brennpunkt des Paraboloidspiegels angeordnet werden. Diese Paraboloidanlagen sind heute technisch einsatzfähig, konnten sich aber bisher auf dem Markt noch nicht durchsetzen.

Solarturmkraftwerke

Beim konventionellen Solarturmkonzept (Tabelle, Spalten 2 und 3) wird ein Wärmeträger (Luft, Salz, Wasserdampf) in einem der konzentrierten Strahlung ausgesetzten Rohrbündel oder einer porösen Matrix (sog. druckloser volumetrischer Receiver) auf 600 bis 800 Grad erhitzt. Die solare Wärme wird zur Stromerzeugung durch einen Dampferzeuger und eine Dampfturbine genutzt, wobei Spitzenwirkungsgrade von 18 bis 23 Prozent erreicht werden. Mehrere Demonstrationsprojekte zur Solarturmtechnologie wurden in den USA und in Spanien erfolgreich durchgeführt. In Deutschland wird seit 2009 in Jülich eine Solarturmanlage mit einer Leistung von 1,5 Megawatt betrieben.

Global installierte Leistungen solarthermischer Kraftwerke

Insgesamt war im Jahr 2015 nach Angaben des Renewable Energy Policy Networks für das 21. Jahrhundert (REN 21) weltweit eine Kapazität von 4,755 Gigawatt an solarthermischen Kraftwerken installiert. Spitzenreiter waren Spanien (2,3 GW) und die USA (1,738 GW) gefolgt mit deutlichem Abstand von Indien (225 MW), Marokko (180 MW), Südafrika (150 MW) und den Vereinigten Arabischen Emiraten mit ihrem 100 MW Parabolrinnenkraftwerk „Shams Solar Power Station“. Das Schlusslicht bildeten Algerien (25 MW), Ägypten (20 MW), Australien (12 MW) und Thailand mit 5 MW.