Marginale Spalte

Moderne Dampfmaschinen

November 2012

Solarthermie ist ein erfolgversprechender Weg zur Stromerzeugung. Doch wie funktionieren die verschiedenen Technologien?

 
 

Unsere größte regenerative Energiequelle ist die Sonne. In sonnenreichen Gegenden zählen solarthermische Kraftwerke derzeit zu den effizientesten Methoden, um aus ihr Strom zu gewinnen. Ansonsten ungenutzte Flächen, wie in Wüstenregionen, bieten Raum für großflächige und daher auch leistungsstarke Anlagen.

Im Unterschied zu Photovoltaikanlagen lässt sich Wärmeenergie aus solarthermischen Kraftwerken relativ problemlos speichern, zum Beispiel in flüssigem Salz. So kann auch nachts und bei Bewölkung Strom bedarfsgerecht erzeugt werden. Eine Herausforderung ist allerdings die geringe Verfügbarkeit von Wasser, das für die Reinigung der Spiegelflächen und den Betrieb der Dampfturbine benötigt wird.

Bei der Kühlung kommt daher häufig die etwas ineffizientere Trockenkühlungstechnik zum Einsatz. Das Funktionsprinzip der Solarthermie-Technologien ist uralt und genial einfach: Ein Reflektor bündelt die einfallenden Sonnenstrahlen auf einen definierten Punkt oder eine Linie, um damit ein Wärmeträgermedium (Thermoöl, flüssiges Salz, Luft oder Wasser) zu erhitzen.

Doch in der technischen Ausgestaltung dieses Prinzips unterscheiden sich die Technologien erheblich, was Auswirkungen auf Einsatzgebiet, Leistung und Wirkungsgrad hat.

Parabolrinne


 

Funktionsweise:

Kilometerlange Kollektoren aus einzelnen gebogenen Spiegeln reflektieren die auftreffenden Sonnenstrahlen auf ein in der Brennlinie verlaufendes Absorberrohr. Durch dieses fließt in der Regel ein Thermoöl, das sich dabei auf rund 400 Grad Celsius erhitzt. Über Wärmetauscher wird Wasserdampf gewonnen, der wie in konventionellen Kraftwerken eine Turbine antreibt. Diese wiederum setzt einen Generator in Bewegung.

Vorteile:

Die führende Technologie ist seit 20 Jahren erfolgreich im Einsatz. Die über die Jahre gewonnenen Erfahrungswerte erhöhen die Zuverlässigkeit . Konstante Weiterentwicklung und dadurch stetig sinkende Investitionskosten sorgen für einen hohen Reife- und Verbreitungsgrad. Durch den Einsatz von anderen Wärmeträgermedien können höhere Prozesstemperaturen (flüssiges Salz bis 550 Grad Celsius oder Direktverdampfung bis 500 Grad Celsius) und damit bessere Wirkungsgrade erreicht werden.

Nachteile:

Ebener Untergrund für die Aufstellung der Parabolspiegel erforderlich. Thermoöl benötigt wie bei der Verwendung von flüssigem Salz Wärmetauscher. Das Absorberrohr schwenkt mit, was zusätzliche Gelenke erfordert und den Anteil an Verschleißteilen erhöht.

Wirkungsgrad:

Rund 16 Prozent im Jahresmittel

Turmkraftwerk


 

Funktionsweise:

Einzelne Spiegel, sogenannte Heliostaten, bündeln die Sonnenstrahlen auf einen Punkt an einem Turm, dem sogenannten Receiver. Dort können Temperaturen bis 1300 Grad Celsius erreicht werden. Im Normalbetrieb arbeitet man dort mit etwa 500 bis 600 Grad Celsius, abhängig vom eingesetzten Wärmeträgermedium (Luft, flüssiges Salz oder Wasser). Über Wärmetauscher wird die Energie auf Wasserdampf übertragen und im konventionellen Kraftwerksteil zu Strom gewandelt. Diese Technologie entwickelt sich momentan stark weiter. Anstelle des thermischen Receivers lässt sich auch eine Hochleistungsphotozelle einsetzen, die aus dem konzentrierten Sonnenlicht direkt Strom wandelt.

Vorteile:

Da jeder Heliostat für sich steht, muss der Aufstellungsort der Anlage nicht eben sein. Die Solarstrahlung vom ganzen Heliostatenfeld wird nur an einem Punkt konzentriert, dadurch ist eine höhere Temperatur und damit ein verbesserter Wirkungsgrad erreichbar.

Nachteile:

Die Technologie ist noch nicht komplett ausgereift. Vor allem für das Material im Receiver, das im Extremfall hohen Temperaturen ausgesetzt ist, gibt es noch keine Ideallösung.

Wirkungsgrad:

Bis zu 20 Prozent im Jahresmittel

Linear-Fresnel


 

Funktionsweise:

Ähnlich wie bei der Parabolrinne reflektieren hier lange, schmale Spiegelelemente die Strahlung auf ein fest installiertes Absorberrohr in einer Brennlinie. Auf verschleißanfällige Rohrgelenke kann verzichtet werden.

Vorteile:

Alle Spiegelelemente haben die gleiche Krümmung und sind daher kostengünstig zu fertigen. Zudem sind die Spiegel rund zwei Meter über dem Boden installiert und bieten so dem Wind weniger Angriffsfläche.

Nachteile:

Ebener Untergrund erforderlich. Geringere Effizienz wegen niedriger Arbeitstemperatur – allerdings gibt es positive Entwicklungen, mit denen sich höhere Temperaturen und somit höhere Wirkungsgrade erzielen lassen. Verwendung von Thermomedien (siehe Parabolrinne). Keine ausreichenden Langzeiterfahrungen.

Wirkungsgrad:

Rund 13 Prozent im Jahresmittel

Parabol-Dish


 

Funktionsweise:

Eine in sich abgeschlossene Anlage: Ein einzelner parabolisch gekrümmter Spiegel konzentriert die Sonnenstrahlung auf einen Punkt. Dort lässt sich die Energie entweder über eine Photozelle oder einen Stirlingmotor umwandeln.

Vorteile:

Die Einzelanlage kann flexibel ohne große Anforderungen an den Untergrund installiert werden. Sie bietet sich für kleinere Projekte an, beispielsweise zur kommunalen Nutzung. Der Einsatz von Stirlingmotor oder Photozelle erfordert kein Wasser zur Kühlung. Das Konzept ermöglicht Temperaturen bis 750 Grad Celsius und erreicht hohe Wirkungsgrade.

Nachteile:

Diese Technologie befindet sich noch im experimentellen Stadium, daher sind die Fertigungskosten hoch und Langzeiterfahrungen fehlen. Es gibt nur eine sehr begrenzte Anzahl von Herstellern, die zuverlässige Sterlingmotoren fertigen können. Schwierige Energiespeicherung von Strom als Wärme.

Wirkungsgrad:

Bis zu 25 Prozent im Jahresmittel