Solarthermische Kraftwerke und Solar Fuels: Produktion von Strom und Brennstoffen mithilfe konzentrierter Solarstrahlung

Abstract

Klimawandel und begrenzte fossile Ressourcen stellen drängende Probleme für die Menschheit dar, deren Energieversorgung hauptsächlich auf fossilen Energieträgern basiert. Bei der Nutzung von regenerativen Energien werden der Ausstoß von Schadstoffen und Treibhausgasen drastisch reduziert und fossile Ressourcen geschont. Solarenergie besitzt untern den regenerativen Energien das größte Potential, welches den Weltenergiebedarf um Größenordnungen übertrifft. Solarstrahlung kann über verschiedene Wege zur Stromerzeugung herangezogen werden. Eine Möglichkeit dazu besteht in der Nutzung solarthermischer Kraftwerke. Hier wird der direkte Anteil der Solarstrahlung mithilfe von Spiegeln konzentriert, um Wärme bei hohen Temperaturen bereitzustellen und schließlich in Wärmekraftmaschinen, z. B. Dampf- oder Gasturbinen, einzukoppeln. Im Gegensatz zu mechanischer oder elektrischer Energie lässt sich thermische Energie leicht speichern. So ist es bei Einsatz von passenden Wärmespeichern möglich, Strom bedarfsgerecht auch über Nacht zu liefern. Man unterscheidet zwischen linienfokussierenden (2D) und punktfokussierenden (3D) Systemen. Im Regelfall werden 2D-Systeme einachsig und 3D-Systeme zweiachsig der Sonne nachgeführt, um die geforderten Einstrahlbedingungen zu gewährleisten. Bislang wurden vorwiegend Parabolrinnenkraftwerke mit einer elektrischen Nennleistung im Bereich von 50 MW installiert. Der linienfokussierende Konzentrator besteht hier aus einer Rinne mit parabelförmigem Querschnitt. Im Fokus befindet sich ein Absorberrohr, welches die um etwa 80-fach konzentrierte Solarstrahlung aufnimmt und sich dadurch erwärmt. Durch den Kontakt mit dem heißen Absorberrohr wird schließlich ein Wärmeträgermedium auf ca. 400 °C erhitzt. Ein weiteres 2D-Konzept basiert auf dem linearen Fresnel-Kollektor, der sich durch einzeln nachgeführte Spiegelstreifen und einem feststehenden Absorber auszeichnet. Bei einem Solarturmsystem – einer 3D-Anlage – wird das Sonnenlicht von einer Vielzahl von einzeln zweiachsig nachgeführten Spiegeln (Heliostaten) auf die Spitze eines Turmes gelenkt. Der dort befindliche Receiver kann aufgrund der hohen Konzentration im Bereich von ca. 500 bis 1000 Temperaturen jenseits von 1000 °C annehmen. Für den dezentralen Einsatz im Leistungsbereich von wenigen 10 kW kommen punktfokussierende Dish-Systeme in Frage. Konzentrierte Solarstrahlung kann auch Wärmeenergie zur Erzeugung von Brennstoffen – Solar Fuels – in chemischen Reaktoren liefern. Eine Schlüsselrolle spielt hier Wasserstoff, welcher gespeichert und bedarfsgerecht unter anderem für Brennstoffzellen bereitgestellt werden kann. Unterschiedliche solare thermochemische Routen zur Wasserstoffproduktion werden untersucht. Darunter befinden sich thermochemische Kreisprozesse zur Wasserspaltung – z. B. basierend auf Eisenmischoxiden – und Prozesse zur Dekarbonisierung fossiler Energieträger – z. B. die solarthermische Spaltung von Methan. Pilotanlagen mit einer thermischen Leistung bis zu mehreren 100 kW wurden bereits gebaut.