Solarthermie - Kraftwerke

Solarthermie - Kraftwerke sind im Grunde thermische Solaranlagen, die in industriellem Maßstab aus Solarenergie Wärmeenergie gewinnen. Von herkömmlichen thermischen Solaranlagen, wie Sie sie im Bereich von Ein- und Mehrfamilienhäusern finden, unterscheidet sich ein Solarthermie Kraftwerk dadurch, dass Solarthermie-Kraftwerke die Sonnenenergie bei höheren Temperaturen in Wärmeenergie umwandeln. Diese beiden Formen der thermischen Solaranlagen sind ein Teilbereich der Solarthermie und stehen der Photovoltaik gegenüber, die aus der Sonnenenergie direkt elektrische Energie generiert. Solarthermie meint dabei den Umwandlungsprozess der elektromagnetischen Sonnestrahlung in Wärmeenergie und die Nutzung derselben. Solarthermische Kraftwerke sind, kurz gesagt, thermische Solarkollektoren, welche die Strahlungsenergie der Sonne in Wärmeenergie und letzten Endes in Solarstrom umwandeln. Bekannt wurde das Konzept der solarthermischen Kraftwerke spätestens durch das Desertec - Projekt in den Medien. Hierbei handelt es sich um ein länderübergreifendes Konsortium aus Wirtschaft und Politik, mit dem Ziel große Mengen an Solarstrom aus der Sahara und Nordafrika nach Europa zu transportieren.

Funktionsprinzip von Solarthermie-Kraftwerken

Die Physikalische Voraussetzung der Solarthermie, die Voraussetzung für ein Solarthermie Kraftwerk, ist die Transformation der elektromagnetischen Sonnestrahlung in Wärmeenergie. Die Strahlungsenergie der Sonne ist allerdings nicht konstant, sie wird in Strahlungsquanten, so genannten Photonen, abgegeben. Wenn diese Photonen auf einen Körper treffen, werden sie absorbiert oder reflektiert. Bei Absorption werden die Atome des Körpers durch die Photonen in Schwingung versetzt: es entsteht Wärme. Das ist das Grundprinzip der Solarthermie, das Grundprinzip, mit dem Solarthermische Kraftwerke arbeiten. Eine weitere Voraussetzung für Solarthermische Kraftwerke ist die Verfügbarkeit der Solarenergie. Für die Breitengrade in Deutschland hat man eine durchschnittliche Solarenergie von rund 1.000 kWh / m2 pro Jahr gemessen. Allerdings ist die Solarthermie nicht das ganze Jahr gleichmäßig verfügbar, weshalb ein Solarthermie Kraftwerk, weshalb Solarthermische Kraftwerke oft zusätzlich mit anderen Energiequellen kombiniert werden.

Gegenwärtig unterscheidet man bei einem Solarthermie Kraftwerk zwei Ansätze: Entweder wird direkte Sonnenstrahlung durch Reflektoren auf Absorber gebündelt, die die entstehende Wärme aufnehmen; oder Solarthermische Kraftwerke nutzen die Globalstrahlung ohne vorherige Konzentration. Solarthermische Kraftwerke arbeiten momentan meist mit der Bündelung der Direktstrahlung der Sonne. Ein Solarthermie-Kraftwerk, im Prinzip handelt es sich hierbei um große thermische Solaranlagen, kennt man als Solarfarm-, Solarturm- und Parabolrinnenkraftwerke (auch: "Parabolid-Kraftwerk" genannt). Gemeinsames Merkmal dieser thermischen Solaranlagen ist die Verwendung von Reflektoren und Absorbern ("Receivern"). Erst in weiterer Folge, nach dem Prinzip der Solarthermie, wird in einem Solarthermie Kraftwerk mithilfe eines Wärmetauschers zur Dampferzeugung und daran gekoppelten Generators Strom erzeugt.

Bauarten an Solarthermie - Kraftwerken

Das Parabolrinnenkraftwerk

Ein Solarthermie Kraftwerk ist als Solarfarmkraftwerk gegenwärtig in zwei Bauformen in kommerziellem Einsatz: Solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnen- Solarkollektoren werden aus gewölbten Spiegeln gefertigt, die das Sonnenlicht auf Absorberrohre fokussieren. Aus Gründen der Kostenersparnis richtet man die Parabolrinnen dieser Solaranlagen überwiegend in Nord-Süd-Richtung aus, die Spiegel dieser Solaranlagen folgen durch Schwenkbewegungen der Sonne. Erste Parabolrinnenkraftwerke dieses Typs wurden Ende der 70er Jahre errichtet, kommerziell genutzt wird ein derartiges Solarthermie - Kraftwerk seit 1984. Die mit jeweils 50 MW Kapazität größten Solaranlagen mit Parabolrinnenkollektor, das mithin größte Solarthermie Kraftwerk dieser Bauart in Europa, steht derzeit in Andalusien.

Bild: Parabolrinnenkraftwerk Andasol in Spanien / © Solar Millenium AG

Solarhermische Kraftwerke mit Fresnel-Kollektoren

Solarthermische Kraftwerke mit Fresnel-Spiegel-Kollektoren sind weiterentwickelte Parabolrinnen Solaranlagen. Die Solarthermie wird durch ungewölbte Spiegelstreifen erzeugt, die plan auf der Erde aufliegen und das Sonnenlicht auf Absorberrohre bündeln. Ein Solarthermie Kraftwerk dieses Konzepts versucht ein Solarturmkraftwerk mit einem Solarthermie-Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren zu kombinieren. Seit dem Frühjahr 2009 läuft bei Karlsruhe ein Solarthermie-Kraftwerk dieser Bauart in kommerziellem Dauerbetrieb. Dieses Solarthermie-Kraftwerk erzeugt eine Leistung von 1,4 MW.

Solarturmkraftwerke

Solarturmkraftwerke nutzen die Solarthermie hingegen, indem sie die Sonnenstrahlung in einem Brennpunkt bündeln. Ein Solarthermie Kraftwerk, das in der Art eines Solarturmkraftwerks errichtet wird, arbeitet in einem Temperaturbereich von 500 bis 1.300 °C. Neben den Parabolrinnenkraftwerken sind Solarturmkraftwerke gegenwärtig die einzigen ökonomisch und technisch effektiven Lösungen der kommerziellen Solarthermie.
Bei einem Solarthermie Kraftwerk, das mit Paraboloidkraftwerken eingerichtet wird, fokussieren viele kleine Parabolspiegel das Sonnenlicht auf einen Wärmeempfänger. Die Vorteile von derartigen Solaranlagen: eine kompakte Bauweise und ein besonders hoher Wirkungsgrad, da die thermische Energie im Receiver durch einen Stirlingmotor direkt in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Diese technische Lösung ist der Grund, weshalb Solarthermie-Kraftwerke dieser Bauart die besten Wirkungsgrade im Bereich der thermischen Solaranlagen, im Feld der Solarthermie, erzielen.

Solarturmkraftwerk in Almeria: © DLR

Solarthermie-Kraftwerke: Zukunftsaussichten

Aufwindkraftwerke & Thermikkraftwerke

Solarthermische Kraftwerke, die Solarthermie aus der Globalstrahlung gewinnen, werden meist in Thermik- und Solarteichkraftwerke eingeteilt. Solarthermische Kraftwerke dieses Typs sind zurzeit jedoch noch ein Forschungs- und Konzeptfeld der Solarthermie, da bislang lediglich kleine Aufwindkraftwerke mit einer maximalen Höhe von 200m Realisierung fanden. Noch wurde kein derartiges Solarthermie Kraftwerk kommerziell realisiert. Thermikkraftwerke nutzen den Effekt, dass warme Luft auf Grund ihrer geringeren Dichte aufsteigt. Sie kennen den Kamineffekt, der auch beim Betrieb einer herkömmlichen Heizung auftritt. Diese thermischen Solaranlagen bestehen aus großflächigen Solarkollektoren, die zu einem Glasdach zusammengefasst sind. Unter diesem Glasdach eines Aufwindkraftwerks erwärmt sich die bodennahe Luft, sie steigt auf und strömt unter einem Kamin zusammen. Mit diesem Aufwind werden schließlich Dampfturbinen angetrieben. Diese Aufwindkraftwerke, diese Arte der Nutzung der Solarthermie, kämpft aber derzeit mit noch schwachen Wirkungsgraden.

Aufwindkraftwerk - 3 D Visualisierung von bgp design im Auftrag von Schlaich Bergeman und  Partner | www.sbp.de

Solarteichkraftwerke

Solarteichkraftwerke sind ein weiterer Typus thermischer Solaranlagen, ein weiteres Model für Solarthermie-Kraftwerke. Ein Solarthermie-Kraftwerk dieser Art setzt Salzseen als Solarkollektor und Wärmespeicher ein. Das Prinzip: Das Salzwasser in diesen Seen ist am Grund salzhaltiger als an der Oberfläche und deshalb dichter. Vornehmlich die tieferen Wasserschichten absorbieren die Sonnenstrahlung, sie steigen aber auf Grund ihrer Dichte nicht auf und speichern die Wärme. Durch die geringen Temperaturdifferenzen erreichen derartige solarthermische Kraftwerke allerdings nur einen bescheidenen solaren Wirkungsgrad und gelten unter den thermischen Anlagen zur Wärme- und Stromgewinnung daher bislang eher als Randerscheinung.

Fallwindkraftwerke

Eine weitere Form dieser Nutzungsart der Solartechnik, die Fallwindkraftwerke, sind zurzeit noch thermische Solaranlagen im Konzeptstadium. Besonders geeignet wären derartige Solarthermie-Kraftwerke für trockene und heiße Klimate mit großen Wasservorräten.

Fallwindkraftwerk Funktionsprinzip | via Dan Zaslavsky

Lexikon

Das Paradigma als Hersteller von umweltfreundlichen Pelletsheizungen, modernen Brennwertkesseln und thermischen Solaranlagen  beschäftigt sich im Lexikon mit der Erklärung und Beschreibung der Solartechnik und artverwandten Technologien der Erneuerbaren Energien.