Solarturmkraftwerk
Solarturmkraftwerke sind technische Anlagen, die in industriellem Maßstab aus Solarenergie primäre Wärmeenergie erzeugen. Diese Wärmeenergie wird anschließend meist in elektrische Energie umgewandelt. Ein Solarturmkraftwerk nimmt die Direkteinstrahlung der Sonne über Reflektoren auf, die diese Strahlung dann in einem Brennpunkt, dem Receiver oder Absorber fokussieren. In einer übergeordneten Systematik gehört das Solarturmkraftwerk zu den solarthermischen Kraftwerken, die gemeinsam mit den thermischen Solaranlagen in den Bereich der direkten und aktiven Nutzung der Solarenergie gehören. Ein Solarturmkraftwerk unterscheidet sich von einem Photovoltaik Solarkraftwerk, das die Solarenergie direkt in elektrischen Storm transformiert. Ein Solarturmkraftwerk erzeugt hingegen durch die Umwandlung von Solarenergie in Wärmeenergie Wasserdampf. Dieser Wasserdampf treibt dann Turbinen an, die über angeschlossenen Generatoren schließlich umweltfreundlichen Ökostrom erzeugen.
Bilder von realisierten Solarturmkraftwerken
Bildnachweis: Solarturmkraftwerk in Almeria, Spanien und Jülich, Deutschland © DLR
Solarturmkraftwerke als Variante solarthermischer Kraftwerke
Die Physikalische Voraussetzung für ein Solarturmkraftwerk ist die Umwandlung der elektromagnetischen Strahlung der Sonne (Solarenergie) in Wärmeenergie. Die Sonne gibt ihre Strahlungsenergie aber nicht konstant, sondern in Strahlungsquanten, so genannten Photonen ab. Treffen diese Energieträger der elektromagnetischen Strahlung auf einen Körper, werden sie entweder reflektiert oder absorbiert. Bei der Absorption versetzten die Photonen die Atome des Körpers in Schwingung und Wärme entsteht. Dieser Physikalische Prozess ist die Grundlage jeder Anwendung in der Solartechnik Solarthermie, die Nutzung der so umgewandelten Energie obliegt einem Solarkraftwerk. Eine weitere entscheidende Voraussetzung für ein Solarkraftwerk, für ein Solarturmkraftwerk, ist die Verfügbarkeit der Solarenergie. Die auf der Erde theoretisch verfügbare Solarenergie gibt die Solarkonstante an (~1350 Watt pro Quadratmeter). Die Solarenergie wird durch die Atmosphäre teilweise ungehindert durchgestrahlt, teilweise aber reflektiert und absorbiert. Jene Strahlung, die auf der Erdoberfläche noch auftrifft, wird als Globalstrahlung bezeichnet. Sie besteht aus direkter und diffuser Strahlung. Auf dem Gebiet der Bundesrepublik Deutschland stehen auf Grund dieser atmosphärischen Einflüsse und der geographischen Lage (Einfluss des geographischen Breitengrads auf den solaren Ertrag von Solaranlagen) im Durchschnitt rund 1.000 kWh/ Quadratmeter Solarenergie pro Jahr zur Verfügung.
Bild: Solarturmkraftwerk in Jülich © DLR
Ein Solarkraftwerk im Allgemeinen und ein Solarturmkraftwerk im Speziellen sind willkommene und notwendige Alternativen zu traditionellen Formen der Energieerzeugung. In der Vergangenheit wurde zur thermischen Stromerzeugung meist Öl, Gas oder Kohle verwendet. Doch die fossilen Brennstoffe sind einerseits begrenzt, andererseits belasten sie die Umwelt durch Schadstoffemissionen, das Klima durch den Ausstoß von Treibhausgasen (s. Diskussion um den Klimawandel). Deshalb sind heute alternative Energiequellen oder erneuerbare Energien gesucht, die Wärmeenergie ohne Schadstoffproduktion offerieren.
Solarturmkraftwerk: Die Funktionsweise
Bei einem Solarkraftwerk, das als Solarturmkraftwerk ausgeführt wird, fungiert die Solarenergie als Energie- und Wärmequelle. Die Brennkammer oder Receiver sitzt bei einem Solarturmkraftwerk gewissermaßen in der Turmspitze). Die einstrahlende Solarenergie wird auf der Fläche rund um den Solarturm von hunderten Spiegeln, den so genannten Heliostaten eingefangen. Die Position dieser Spiegel kann in zwei Achsen verstellt werden, computergesteuert folgen sie dem Lauf der Sonne und bündeln so stets die Solarenergie in einem Brennpunkt an der Turmspitze. In diesem Brennpunkt ist der Receiver (Absorber) positioniert, der die Solarenergie mittels eines Trägermediums absorbiert. Die durch die fokussierte Sonneneinstrahlung entstehenden Temperaturen von mehr als 1.000°C (die technisch noch nutzbaren Temperaturen liegen, je nach Wärmeträgermedium, zwischen 500 und 1.300°C) erhitzen dieses Trägermedium. Als Trägermedium oder Solarflüssigkeiten kommen meist Wasser, in der Zwischenzeit immer öfter auch Heißluft und Nitratsalz zum Einsatz. Da die Temperaturen im Vergleich mit Solarfarmkraftwerken sehr hoch sind, ist der potentielle thermodynamische Wirkungsgrad bei einem Solarkraftwerk dieser Konzeption deutlich höher.
In den meisten Fällen wird die Wärme, die im Receiver entstanden ist und die das Trägermedium erhitzt hat, zur Erwärmung eines Arbeitsmediums genutzt. Der Receiver auf der Spitze des Solarturms erfüllt somit dieselbe Aufgabe wie ein Absorbers in einer thermischen Solaranlage für den Hausgebrauch. Mittels Receiver und dem Arbeits- oder Wärmemedium wir meist Dampf (aber auch Gas) erhitzt und dann einer Dampfturbine zugeführt, die über Generatoren Strom erzeugt. Da die Temperaturen, die bei einem Solarturmkraftwerk im Receiver entstehen, sehr hoch sind, muss der Dampf gekühlt werden, damit ein effizientes Arbeiten der Dampfturbinen gewährleistet werden kann. Zur Kühlung wird entweder Wasser verwendet oder es wird, falls dieses knapp ist, mit einer Trockenkühlung gearbeitet. Dabei muss aber ein verringerter Wirkungsgrades hingenommen werden.
Receiver des Jülicher Solarturmkraftwerks © DLR
Solarturmkraftwerke in der Praxis
Ein Solarkraftwerk, das als Solarturmkraftwerk errichtet wird, ist inzwischen neben dem Parabolrinnenkraftwerk ein weiterer, technisch ausgereifter Anlagentypus, der aus Solarenergie wirtschaftlich Solarstrom erzeugen kann. Europas erstes kommerzielles Solarturmkraftwerk wurde 2006 in der Nähe von Sevilla in Spanien aufgebaut. Es löste das bisher weltweit größte Solarkraftwerk dieser Bauart in Kalifornien ab. Bis 2008 ist in einer zweiten Ausbauphase ein weiteres Solarturmkraftwerk mit größerer Leistung entstanden. Das Solarkraftwerk verfügt inzwischen über eine Kapazität oder Leistung von rund 20 MW.
Seit Juli 2006 wurde in Jülich (s. Grafik) ein Solarkraftwerk errichtet, das als solarthermisches Demonstrations- und Versuchskraftwerk im Januar 2009 den Testbetrieb mit einer Leistung von 1,5 MW aufgenommen hat. Das Solarturmkraftwerk in Jülich entstand als Projekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und verwendet Luft als Solarmedium. Der Solarturm arbeitet bei Temperaturen zwischen 600 und 800 ° Celsius. Um die Effizienz der Solarenergie - Nutzung bei diesem solaren Turmkraftwerk zu steigern. wird versucht, die Leistungsschwankungen, die sich aus der Variabilität der Sonneneinstrahlung ergeben, über neuentwickelte Wärmespeicher zu kompensieren. Im Bedarfsfall kann dieses Solarkraftwerk, bzw. der angeschlossene Generator, auch mit Biomasse betrieben werden. Mit Hilfe der Solarturmkraftwerk-Technologie lässt sich überdies aus Solarenergie auch auf umweltfreundliche Art und Weise Wasserstoff erzeugen, welcher neben der Verstromung und Wärmegewinnung auch der Mobilität zukünftiger Autoflotten zur Verfügung stehen könnte.
Im spanischen Almeria stehen zwei Solarturmkraftwerke, die verschiedene Receivertypen testen. Das Solarkraftwerk CESA-1 und das Solarkraftwerk SSPS-CRS erbringen eine Leistung von 7 MW bzw. 1,2 MW.
Solarthermie-Kraftwerke beim Desertec-Projekt mit Wüstenstrom
Die ambitionierten Pläne zur Gewinnung von solarem Wüstenstrom aus der Sahara durch das Desertec-Projekt basieren größtenteils auf dem Einsatz des aus technischer Sicht einfacher zu realisierenden Konzept des Parabolrinnenkraftwerks. Diese bündeln jedoch per Spiegel ihre Sonnenstrahlen nicht auf einen einzigen Receiver im Mittelpunkt der Anlage und erzielen im Vergleich zur Turmbauweise weitaus geringere Temperaturen. Bezüglich der thermischen Effizienz und Leistungsausbeute bezogen auf die benötigte Fläche sind Solartürme im Vergleich zu Parabolrinnen-Solaranlagen derzeit überlegen. Hinsichtlich der Kosten pro erzeugtes Megawatt an Solarstrom hat die Rinnentechnologie jedoch momentan noch die Nase vorn, da insbesondere derzeit die Errichtung und Konstruktion der Solarthermie Anlagen deutlich weniger Kosten verursachen. Für die Pläne des Desertec-Projekts wird daher derzeit die Parabolid- Solartechnologie favorisiert. Eine Realisierung von Desertec anhand einer weiteren technologischen Alternative, dem Aufwindkraftwerk, wird in der solaren Fachwelt derzeit ebenfalls ausgeschlossen.
Lexikon
Fachbegriffe der Solarthermie, Photovoltaik, Heizungen und aus dem Themengebiet der erneuerbaren Energien, komplexe Technik und Funktionsweisen im Online Solar Lexikon von Paradigma, einem führenden Hersteller umweltfreundlicher Gas- und Pelletsheizungen sowie von thermischen Solaranlagen für Warmwasser und solares Heizen.
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