Solarthermische Kraftwerke werden für die

Solarthermische Kraftwerke werden für die Energiewende keinen Beitrag leisten
Klaus Hassmann, Cluster Energietechnik
Kraftwerke, in denen die Sonneneinstrahlung zur Stromerzeugung genutzt wird, gibt es
seit Jahrzehnten. Der Autor gehörte in den 1980er Jahren einer Arbeitsgruppe an, die
im Auftrag des Forschungsministeriums beurteilen sollte, ob die Bundesrepublik ihr
Engagement an den Entwicklungsarbeiten im Solarthermie-Testfeld im südspanischen
Almeria verlängern soll – das „ja“ fiel einstimmig aus. Es war bereichernd, sich
ausgehend vom den damaligen Erkenntnissen auf den neuesten Stand zu „googeln“.
Es war immer schon klar, in Deutschland macht mangels auskömmlicher SonnenEinstrahlung die solarthermische Stromerzeugung keinen Sinn – dazu muss man in
den Sonnengürtel der Erde ausweichen. Für Deutschland war wegen der Geographie
Nordafrika mit seinen solaren Bedingungen ein bevorzugtes Ziel. Dort die Kraftwerke
zu bauen und den Strom mit Hochspannungs-Gleichstrom-Technik nach Deutschland
zu transportieren erschien erfolgversprechend. In Studien wurde dieses Konzept als
technisch und wirtschaftlich attraktiv beurteilt. Das alles geschah in einer Zeit, als es in
den nordafrikanischen Ländern noch keine politisch/religiösen Turbulenzen gab. Die
Lage in diesen Regionen hat sich in der Zwischenzeit dramatisch zugespitzt. Trotzdem
lohnt es sich, die Technik zu beleuchten – die Situation kann sich wieder beruhigen
und Investoren könnten solche bilateralen Vorhaben wieder ins Auge fassen.
Prinzipiell unterscheidet man 2 Typen von Solarkraftwerken, die Farm und den Turm.
Bei der Farm konzentrieren parallel geschaltete Parabolrinnenkollektoren die
Sonneneinstrahlung auf ein in der Brennlinie geführtes Absorberrohr; dabei handelt es
sich um rinnenförmig gewölbte Spiegel, die eine Länge von bis zu 150 Meter erreichen
können. Das Rohr enthält ein Wärmeträgermedium, in der Regel ein Thermoöl. Auch
Wasserdampf kann verwendet werden; dem Autor sind noch Laborergebnisse aus den
80ern in Erinnerung, nach denen es bei plötzlichen Ausfall der Einstrahlung zu
Kondensationsvorgängen gekommen ist, die den Wärmekreislauf massiv gestört
haben. Dieses Problem wird man in der Zwischenzeit gelöst haben. Der direkte
Wasser-Dampfkreislauf hat wirtschaftlich, aber auch thermodynamisch Vorteile, da
damit mit maximal 500 °C um ca 100 °C höhere Prozesstemperaturen erreicht werden.
Der Wärmeträger wird im Kreislauf geführt; in den Rinnenkollektoren wird er
aufgeheizt; er gibt seine Wärme in einem Wärmetauscher (bei Dampf als Wärmeträger
entfällt diese Komponente) an einen Wasser-Dampfkreislauf ab und wird danach
wieder dem Spiegelsystem zugeführt. Mit dem erzeugten Dampf wird über die
Komponenten Dampfturbine/Generator Strom erzeugt. die Abwärme wird in einem
Kondensator abgegeben und das Speisewasser wieder dem Wärmetauscher
zugeführt. Für so ein „Wüstenkraftwerk“ muss Infrastruktur, ähnlich wie bei einem
fossilen Kraftwerk vorhanden sein; vor allem die Kondensator-Kühlung ist essenziell –
Wasser ist nötig; die Alternative bei Wassermangel ist die Trockenkühlung. Nicht zu
unterschätzen ist dabei auch der Wasserbedarf für die Reinigung der Spiegel – Sand,
luftgetragen ist in solchen Regionen häufig eine Plage. Zur besseren Solarernte sind
die Spiegel einachsig drehbar konstruiert und folgen dem Sonnengang.
Der Solarturm ist ebenfalls ein Dampfkraftwerk; jedoch wird bei diesem Typ die
Solarstrahlung über zahlreiche am Boden montierte, der Sonne nachgeführte
Einzelspiegel (im Fachjargon Heliostate) auf einen auf der Turmspitze montierten
zentralen Absorber (Receiver) konzentriert. Dort entstehen aufgrund der Bündelung
der Sonneneinstrahlung hohe Temperaturen, die aus Materialgründen für eine
technisch sinnvolle Nutzung auf ein Niveau von um die 1300 °C begrenzt werden
müssen. Als Wärmeträgermedien kommen flüssiges Nitratsalz, Wasserdampf oder
Heißluft infrage. Der elektrische Wirkungsgrad liegt wegen der hohen oberen
Prozesstemperatur über dem der Solarfarm. Mit dem Turm kann, wie schon bei der
Farm beschrieben, Strom entweder über die klassischen Kraftwerks-Komponenten
Dampfturbine/Generator, bei Luft als Speichermedium aber auch mit einer Gasturbine
erzeugt werden. Bei letzterer ist die Brennkammer der am Turm installierte Absorber;
die heiße, im Gasturbinenverdichter aufgeladene Luft wird in den Receiver geführt,
dort solar aufgeheizt und in der Gasturbine entspannt. Die bei der Rinne beschriebene
Wasserproblematik am kalten Prozessende sowie das Reinigungsthema gelten auch
beim Turm. Mit der Turmtechnologie kann auch Prozesswärme auf einem sehr hohen
Temperaturniveau gewonnen werden.
Der Wikipedia-Eintrag zum Thema Solarthermie enthält eine Liste der in Betrieb
befindlichen Kraftwerke. Sie konzentriert sich auf Spanien und die USA. Vereinzelt gibt
es Anlagen auch in anderen Ländern; in Deutschland steht eine Versuchsanlage. In
Spanien ist die Technologie vom Typ her breit gestreut. Zum Einsatz kommen 19
Anlagen an 14 Standorten; die Farm ist mit 16 Anlagen und ca 900 MW Leistung
deutlich in der Überzahl; deren Inbetriebnahme erfolgte zwischen 2009 und 2012; alle
„Farmen“ werden mit Thermoöl betrieben. Es wurden ab 2007 auch 3 Turmanlagen
gebaut, die in Summe mit einer Leistung von 50 MW mit Salz, Dampf und Gas als
Wärmeträger betrieben werden. Damit weist die Anwendung in Südspanien eine
beträchtliche technische Varianz auf, die einen guten Vergleich der Vor- und Nachteile
der unterschiedlichen Typen ermöglicht. Aus dem Betrieb dieser kommerziellen
Kraftwerke in Spanien und diverser Versuchsanlagen, wie der in Deutschland, sind
technische und wirtschaftliche Verbesserungen zu erwarten; die solarthermische
Stromerzeugung könnte dadurch an Attraktivität gewinnen. In USA ist es ausschließlich
der Typ Solarfarm mit insgesamt 500 MW Leistung.
In einer anderen, aktuelleren, weniger detaillierten Projektliste wird im Bereich größer/
gleich 50 MW weltweit eine installierte Leistung von 2723 MW angegeben; auf Spanien
entfallen 1550, auf die USA 1023 MW. Interessant auch, dass unter „geplant“ weltweit
630 MW ausgewiesen werden, davon jedoch keine Anlage mehr in USA und Europa.
Das Datenmaterial lässt keinen belastbaren Rückschluss auf die Jahresbenutzungsstunden zu. Schätzwerte für die Jahres-Stromproduktion sind ausgewiesen; daraus
lassen sich im Mittel über den Kraftwerkspark in Spanien etwas über 2000 VolllastStunden rückrechnen. Für USA ergeben sich nach derselben Methode etwas
niedrigere Werte. Einige Anlagen werden alternativ mit Erdgas betrieben; dieser Anteil
ist nicht bekannt; ein Rückschluss auf die solare Ernte ist daher nicht möglich.
Es gibt neben den oben beschriebenen Haupttypen noch eine große Zahl von
Varianten der solarthermischen Stromgewinnung sowohl in der Anlagengestaltung als
auch in der Anwendung mit und ohne integrierte Wärme-Speicherung zum Ausgleich
bei Sonnenausfällen. Sie alle zu beschreiben würde das Anliegen der Artikelserie
deutlich übersteigen.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass solarthermische Kraftwerke eine erprobte
Technologie darstellen, die im Sonnengürtel der Erde das Potential hätte, Strom in
sehr großem Umfang zu wirtschaftlich attraktiven Kosten zu erzeugen. In erster Linie
Entwicklungsländer liegen in dieser Region. Dass die Umsetzung dort nicht gelingt,
liegt vor allem daran, dass die erforderliche Infrastruktur aufgebaut werden müsste;
dafür fehlt das Geld genauso wie die politische Stabilität und der Wille, den für eine
Steigerung der Lebensqualität der Bevölkerung wichtigen Schritt zu tun.