Sonnenwärmekraftwerk

Ein Sonnenwärmekraftwerk ist ein Elektrizitätswerk, das als Energiequelle Sonnenlicht verwendet. Zur Zeit gibt es fünf Konzepte für die industrielle Nutzung der Sonnenwärme, die sich in zwei Kategorien einteilen lassen: Kraftwerke, die nur die Direktstrahlung nutzen können und solche, die die gesamte Globalstrahlung (also Direkt- und Diffusstrahlung) nutzbar machen. Bis auf das Aufwindkraftwerk verwenden alle solarthermischen Kraftwerkskonzepte Wärmekraftwerke um elektrischen Strom zu generieren.

Solarthermische Kraftwerke zur Nutzung der Direktstrahlung

Diese Kraftwerke verwenden konzentrierende Kollektoren um das einfallende Sonnenlicht zu konzentrieren. Da sie lediglich den Direktstrahlungsanteil nutzen, sind sie nur in besonders sonnenreichen Regionen wirtschaftlich einsetzbar. Solarfarmkraftwerke nutzen Linienkonzentratoren, die die Sonnenstrahlung auf eine Brennlinie konzentrieren, während in Solarturmkraftwerken und Paraboloidkraftwerken die Strahlung der Sonne mit Punktkonzentratoren auf einen Brennpunkt gebündelt wird.

Solarfarmkraftwerke (Parabolrinnenkraftwerke)

Parabolrinnenkollektoren bestehen aus gewölbten Spiegeln, die das Sonnenlicht auf ein in der Brennlinie verlaufendes Absorberrohr bündeln. Die Länge solcher Kollektoren liegt je nach Bautyp zwischen 20 und 150 Metern. In den Absorberrohren wird die konzentrierte Sonnenstrahlung in Wärme umgesetzt und an ein zirkulierendes Wärmeträgermedium abgegeben. Die Parabolrinnen werden aus Kostengründen meist einachsig der Sonne nachgeführt. Sie sind deshalb in Nord-Süd-Richtung angeordnet und werden der Sonne im Tagesverlauf von Ost nach West nachgeführt. Das Kollektorfeld eines Solarfarmkraftwerkes besteht aus vielen parallel geschalteten Parabolrinnenkollektoren.

Neben Parabolrinnenkollektoren (PRK-Modulen) kommen auch Fresnel-Spiegel-Kollektoren (FSK-Module) zum Einsatz. Sie haben über dem Absorberrohr einen Sekundärspiegel und kommen bei gleicher Leistung mit kleineren Spiegelflächen aus.

Als Wärmeträgermedium kommt entweder Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf zum Einsatz. Bei Thermoölanlagen sind Temperaturen von bis zu 390 °C erreichbar, die in einem Wärmetauscher zur Dampferzeugung genutzt werden und dann einer konventionellen Dampfturbine zugeführt werden. Die Direktdampferzeugung (DISS = Direct Solar Steam) kommt ohne solche Wärmetauscher aus, da der überhitzte Wasserdampf direkt in den Absorberrohren erzeugt wird. Damit sind Temperaturen von über 500 °C möglich. Solarfarmkraftwerke werden seit 1984 kommerziell betrieben. Die 9 SEGS-Kraftwerke (SEGS=Solar Electricity Generation System) in Südkalifornien produzieren insgesamt 354 MW Strom. Der Wirkungsgrad dieses Kraftwerktyps wird mit 14 Prozent angegeben.

Solarturmkraftwerke (Zentralreceiverkraftwerke)

In Solarturmkraftwerken wird die Sonnenstrahlung mit Hilfe hunderter bis tausender automatisch positionierender Spiegel (Heliostaten) auf einen zentralen Absorber konzentriert. Der Absorber ist auf einem Turm angebracht und wandelt die Strahlungsenergie in Wärme. Solarturmkraftwerke fokussieren also auf einen Brennpunkt. Die Temperaturen erreichen daher deutlich höhere Werte als bei Solarfarmkraftwerken. Durch die Programmierung der Spiegel kann Prozesswärme nahezu beliebiger Temperatur generiert und zur Beschleunigung chemischer Prozesse genutzt werden. In der Regel wird die im Absorber entstehende Wärme jedoch über ein Dampf- oder Gasturbinenkraftwerk zur Stromerzeugung genutzt. Die maximal möglichen Temperaturen liegen bei ca. 1300 °C.

Wärmeträgermedium ist entweder flüssiges Nitratsalz, Wasserdampf oder Luft. Die größten derzeit existierenden Anlagen sind "Solar Two" (10 MWe, Jahr 1996, Arbeitstemperatur: 290 °C-570 °C) in Kalifornien und Forschungsanlagen in Almería (Spanien).

Paraboloidkraftwerke (Dish-Stirlingmotor- und Dish-Farm-Anlagen)

Paraboloidspiegel sind zweiachsig drehbar auf einem Gestell montiert und reflektieren das Sonnenlicht auf einen im Brennpunkt angebrachtenen Wärmeempfänger. Diese Bauform ist sehr kompakt und erlaubt es, beliebig viele dieser Module zu einem großen Solarkraftwerk zusammen zu schalten. Die Spiegel werden mit Durchmessern von 3 bis 25 Metern ausgeführt, womit Leistungen von bis zu 50 kW pro Modul erreichbar sind. Die Module eignen sich auch zur dezentralen Energieversorgung in abgelegenen südlichen Regionen. Bei Dish-Stirlingmotor-Anlagen arbeitet der Empfänger nach dem Stirling-Prinzip. Die thermische Energie wird dabei direkt in mechanische Arbeit umgesetzt.

siehe zum Beispiel:Dish-Anlage der EU in Spanien

Beim Joule- oder Brayton-Prinzip (Zusammenschaltung eines Verdichters und einer Pressluftmaschine, auch Gasturbine genannt) wird die thermische Energie direkt oder indirekt über ein gasförmiges Wärmetransportmedium oder eine Heatpipe aufgenommen und mechanisch an einen Stromgenerator weitergegeben. Auf Grund des hohen Wirkungsgrades von mehr als 30 Prozent sind diese Anlagen schon weit entwickelt.

Bei den selten eingesetzten Dish-Farm-Anlagen befindet sich im Brennpunkt ein Absorber, in dem ein Wärmeträgermedium erhitzt und zur Dampferzeugung genutzt wird. Zu diesem Zweck müssen mehrere Paraboloidspiegel zusammengeschaltet werden.

Solarthermische Kraftwerke zur Nutzung der Direkt- und Diffusstrahlung

Diese Kraftwerke nutzen die gesamte Globalstrahlung (also Direkt- und Diffusstrahlung). Bei Solarteichkraftwerken bilden Schichten unterschiedlich salzhaltigen Wassers den Kollektor und Absorber, während diese Aufgabe bei Aufwindkraftwerken einem großflächigen Kollektordach (ähnlich einem Treibhaus) zukommt.

Solarteichkraftwerke

In Solarteichkraftwerken bilden flache Salzseen eine Kombination von Solarkollektor und Wärmespeicher. Da das Wasser am Grund viel salzhaltiger und daher dichter ist als an der Oberfläche, wird Sonnenstrahlung absorbiert und in der unteren Wasserschicht als Wärme gespeichert. Die gespeicherte Wärme kann dann zur Stromerzeugung in einem Turbinen-Generator-Block verwendet werden. Da die Temperaturen am Teichgrund nur 85 bis 90 °C erreichen, muss mit Arbeitsmedien gearbeitet werden, die bei niedrigen Temperaturen verdampfen. Die Umwandlung der Wärme in elektrischen Strom erfolgt mit Hilfe eines so genannten ORC-Kraftwerks, dass zum Beispiel Ammoniakdampf als Arbeitsmedium nutzt.

Aufwindkraftwerke (Thermikkraftwerk)

Aufwindkraftwerke machen sich ein sehr einfaches physikalisches Prinzip zu Nutze, die Tatsache nämlich, dass warme Luft nach oben steigt. Die Sonne scheint durch ein großes flächiges Glasdach (Kollektor) und heizt die Luft am Boden wie in einem Treibhaus (siehe Treibhauseffekt) auf. Die warme Luft steigt nach oben und strömt unter dem Glasdach zu einem Kamin in der Mitte der Anlage. Der entstehende Aufwind wird mit Hilfe einer Turbine, gekoppelt mit einem Generator, in elektrischen Strom umgewandelt wird. Dem geringen Wirkungsgrad von maximal 2 Prozent stehen geringe technische Anforderungen der Anlage entgegen.

Entwicklungen

Ende Juli 2001 ging in Australien das erste Sonnenwärmekraftwerk zur Unterstützung eines Kohlekraftwerks in Betrieb, das statt der herkömmlichen PRK- oder FSK-Module sogenannte CLFR-Module (Compact Linear Fresnel Reflector) verwendet. Die Technologie wird von der University of New South Wales und der University of Sydney erprobt. Die Anlage soll für das Kraftwerk Liddell im Hunter Valley, ca. 250 km nordwestlich von Sydney/Australien ca. 15 MW_th erzeugen und so zur Energieeinsparung beitragen. Es handelt sich dabei um ein ca. 60 x 30 m großes Feld aus ebenen Spiegeln, dass das Sonnenlicht auf einen etwa 10 m hohen Punkt über dem Kollektorfeld konzentriert. Dort wird mit Direktdampferzeugung etwa 285 °C heißer Wasserdampf erzeugt.