Solarthermische Kraftwerke und Thermische Energiespeicher - Entwicklungsstand und Perspektiven

Abstract

In Solarthermischen Kraftwerken (Concentrating Solar-Thermal Power (CSP) Plants) wird die einfallende Solarstrahlung durch konzentrierende Spiegelsysteme gebündelt und in Wärme umgewandelt. Die auf hohem Temperaturniveau anfallende thermische Energie wird für den Antrieb konventioneller Dampf- oder Gasturbinen oder von Stirlingmotoren verwendet. Solarthermische Kraftwerke werden schon seit Jahrzehnten kommerziell in der Wüste Kaliforniens (USA) betrieben. Erste Anlagen arbeiten seit 1985 in Kramer Junction, Kalifornien, sowie seit kur- zem in Spanien und Nevada. Bei den Solarthermischen Kraftwerken unterscheidet man zwischen linienfokusierenden Systemen mit Parabolrinnen oder Fresnel-Spiegeln und punktkonzentrierenden Systemen, den Turm-Kraftwerken mit Heliostatenspiegeln oder den Solar-Dishes. Damit solarthermische Kraftwerkstechnologien wirtschaftlich und wettbewerbsfähig etabliert werden können, ist der Einsatz thermischer Energiespeicher zwingend notwendig. Diese erhöhen den Solaranteil des Kraftwerks, verbessern das Betriebsverhalten, bewirken eine höhere Ausnutzung des Kraftwerkblocks, erhöhen die Wirtschaftlichkeit und ermöglichen zuverlässige Regelkapazitäten für das Stromnetz. Großtechnisch erprobt und bereits in den spanischen Kraftwerken Andasol 1 und 2 im Einsatz sind thermische Speicher auf der Basis von Flüssigsalz. Diese speichern Wärme, indem eine Flüssigsalzmischung aus 60% Natrium- und 40% Kaliumnitrat von einem „kalten“ Tank in einen „heißen“ Tank gepumpt wird. Ein Öl/Salz-Wärmeübertrager führt dabei die Wärme aus dem Solarfeld dem Salz zu. Wird der Speicher entladen, kehrt sich der Prozess um. Das heiße Salz gibt die Wärme and den Themoölkreislauf ab und wird im „kalten“ Tank gesammelt. Bei Feststoffspeichern wird die Energie zwischen dem Arbeitsmedium des Solarfelds und einem festen Speichermedium übertragen. Der Wärmeübertrager ist dabei in das Speichermedium integriert. Wesentlich für eine wirtschaftliche Auslegung ist die Wahl eines kostengünstigen Speichermediums. Im Hinblick auf Kosten und Fertigungsaspekte eignet sich hier temperaturbeständiger Beton, der eine einfache Integration des Wärmeübertragers ermöglicht. Für die Speicherung der Wärme mit dem Wärmeträgermedium Dampf sind kommerziell derzeit nur Gleitdruckspeicher verfügbar. Zur effizienten Speicherung in einem solarthermischen Kraftwerk mit Direktverdampfung werden aktuell Hochtemperatur-Latentwärmespeicher entwickelt. Diese nutzen die Phasenumwandlung, z.B. zwischen fest und flüssig, eines Speichermaterials aus und können dadurch große Wärmemengen in einem sehr schmalen Temperaturbereich speichern. Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zeigen, dass in Wüstengebieten vor allem solarthermische Kraftwerke in spätestens 40 Jahren mehr als die Hälfte des dann anfallenden Strombedarfs in der EUMENA Region (Europe, the Middle East, North Africa) ökonomisch erzeugen können. Um den heutigen globalen Strombedarf von 18.000 TWh/Jahr zu decken, würde es reichen, drei Tausendstel der weltweit ca. 40 Mio. km2 an Wüstenflächen mit Spiegel- oder Kollektorfeldern solarthermischer Kraftwerke auszustatten. Pro Mensch würden somit etwa 20 m2 Wüste genügen, um den eigenen Strombedarf Tag und Nacht CO2-frei zu decken. Das DESERTEC Konzept ermöglicht effizienten Zugang zu Solar- und Windstrom aus den energiereichen Wüstengebieten der Erde – und damit auch eine günstige Ergänzung des jeweiligen regionalen regenerativen Energiemixes. Mit modernen Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsleitungen (HGÜ) lässt sich Strom mit Verlusten von weniger als drei Prozent pro 1.000 km übertragen.