Ein solarthermisches Kraftwerk, auch solarthermisches Kraftwerk genannt, ist eine Industrieanlage, die die Sonnenstrahlung nutzt und in elektrische Energie umwandelt.
Obwohl das Funktionsprinzip dem konventioneller Wärmekraftwerke ähnelt, unterscheidet es sich in einem grundlegenden Aspekt: Die genutzte Wärmequelle ist nicht fossilen Ursprungs, sondern basiert auf Sonnenenergie.
Wie funktioniert ein solarthermisches Kraftwerk?
Der Betrieb solarthermischer Kraftwerke basiert auf der Gewinnung von Wärme aus Sonnenstrahlung und deren Übertragung auf ein Wärmeträgermedium, in der Regel Wasser.
Um die Wassertemperatur auf das gewünschte hohe Niveau zu bringen, muss die maximale Sonneneinstrahlung an einem Punkt konzentriert werden. Auf diese Weise können Temperaturen von 300 °C bis 1000 °C erreicht werden, die zur Dampferzeugung genutzt werden. Je höher die Temperatur, desto größer ist die thermodynamische Leistung des solarthermischen Kraftwerks.
Durch die Ansammlung thermischer Energie wird Dampf erzeugt, der Dampfturbinen antreiben kann. Durch die Bewegung der Turbinen wird mechanische Energie auf die elektrischen Generatoren übertragen, um Strom zu erzeugen.
Solarenergie-Konzentrationssysteme
Das Einfangen und Konzentrieren der Sonnenstrahlen erfolgt durch Spiegel mit automatischer Ausrichtung, die auf einen zentralen Turm zeigen, in dem die Flüssigkeit erhitzt wird. Einige solarthermische Kraftwerke verwenden kleinere parabolische Geometriemechanismen wie Parabolrinnenkollektoren.
Die Gesamtheit der reflektierenden Oberfläche und ihrer Ausrichtungsvorrichtung wird als Heliostaten bezeichnet.
Thermodynamische Kreisläufe
In den Versuchsaufbauten kommen verschiedene Strömungen und thermodynamische Kreisläufe zum Einsatz.
Diese Zyklen reichen vom Rankine-Zyklus, der in Kernkraftwerken und Kohlekraftwerken verwendet wird, bis zum Brayton-Zyklus, der in Erdgaskraftwerken üblich ist. Darüber hinaus wurden zahlreiche Varianten entwickelt, beispielsweise der Stirlingmotor. Zu den häufigsten Kreisläufen gehören solche, bei denen Solarthermie mit Erdgas kombiniert wird.
Effizienz einer thermoelektrischen Anlage
Die Effizienz eines konzentrierenden Solarenergiesystems hängt von folgenden Faktoren ab:
- Die Technologie zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie.
- Die Betriebstemperatur des Wärmeempfängers.
- Wärmeverluste im System.
- Das Vorhandensein oder Fehlen anderer Systemverluste
Zusätzlich zur Umwandlungseffizienz verursacht das optische System, das das Sonnenlicht konzentriert, zusätzliche Verluste.
Der maximale Umwandlungswirkungsgrad für Systeme vom Typ „Power Tower“, die bei Temperaturen von 250–565 Grad Celsius betrieben werden, beträgt 23–35 %. Bei einer Kombiturbine ist der Wirkungsgrad höher.
Der Wirkungsgrad von Dish-Stirling-Systemen, die bei Temperaturen von 550–750 Grad Celsius (277–477 Grad Kelvin) arbeiten, liegt bei etwa 30 %.
Aufgrund der Schwankungen des Sonneneinfalls im Tagesverlauf entspricht der durchschnittlich erzielte Umwandlungswirkungsgrad nicht diesen maximalen Wirkungsgraden. Der jährliche Nettowirkungsgrad von Solarstrom zu Strom beträgt 7–20 % für Pilotkraftwerksanlagen und 12–25 % für Stirling-Antennenanlagen.
Auswirkungen auf die Umwelt
- Landnutzung: Solarthermische Kraftwerke, insbesondere solche, die die Parabolrinnen- oder Parabolschüsseltechnologie nutzen, benötigen große Landflächen, um die Solarreflektoren unterzubringen. Dies kann zur Umwandlung natürlicher Lebensräume in Industriegebiete führen. In einigen Regionen kann die Anpflanzung von Pflanzen auf hochwertigen Agrarflächen die Produktion von Nahrungsmitteln und Erntepflanzen verdrängen.
- Auswirkungen auf die Tierwelt: Solarthermische Kraftwerke können durch die von den Reflektoren erzeugte Wärme Insekten, Vögel und andere Tiere anlocken. Dies kann das Risiko von Kollisionen und Verletzungen der umliegenden Wildtiere erhöhen, was zur Einführung von Abhilfemaßnahmen wie Vogelabwehrsystemen geführt hat.
- Wasserverbrauch: Einige Anlagen benötigen Wasser zur Kühlung und zum Betrieb von Systemen. Der Wasserverbrauch kann erheblich sein und in wasserarmen Regionen gibt dies Anlass zur Sorge hinsichtlich der Verfügbarkeit dieser lebenswichtigen Ressource.
- Umwandlungseffizienz: Die Umwandlungseffizienz von Solarenergie in Strom in solarthermischen Kraftwerken kann variieren und ist in einigen Fällen niedriger als die anderer Solarenergietechnologien, wie z. B. Photovoltaik-Solarmodule.
- Visuelle und landschaftliche Auswirkungen: Solarthermische Kraftwerke, insbesondere solche mit großen Spiegel- oder Reflektorfeldern, können die lokale Landschaft verändern und erhebliche visuelle Auswirkungen auf die umliegenden Gebiete haben.
Wichtigste solarthermische Kraftwerke der Welt
Im Folgenden präsentieren wir eine Auswahl einiger der bemerkenswertesten Solarthermieanlagen der Welt, heben deren Standort, Stromproduktionskapazität und eine kurze Beschreibung ihrer wichtigsten Merkmale hervor.
| solarthermisches Kraftwerk | Standort | Elektrische Produktion (MW) | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| Ivanpah Solar Electric | Kalifornien, USA | 392 MW | Das Ivanpah-Kraftwerk ist eines der größten solarthermischen Kraftwerke der Welt und nutzt Solarturmtechnologie mit Heliostatenspiegeln, um das Sonnenlicht auf drei Türme zu konzentrieren. Es liegt in der Mojave-Wüste und versorgt Tausende von Haushalten mit Strom. |
| Kraftwerk Solana | Arizona, USA | 280 MW | Solana ist eine der größten Anlagen ihrer Art weltweit und nutzt die Parabolrinnen-Technologie mit Wärmespeicherung aus geschmolzenem Salz. Es versorgt das Stromnetz von Arizona mit Strom. |
| Crescent Dunes Solar Energy Center | Nevada, USA | 110 MW | Diese Anlage nutzt Solarturmtechnologie mit geschmolzenen Salzen als Wärmespeicher. Es handelt sich um eine der ersten Anlagen dieser Art mit großflächiger Energiespeicherung. |
| Solarthermisches Kraftwerk Shouhang Dunhuang | China | 100 MW | Diese Anlage nutzt Parabolrinnen zur Stromerzeugung und verfügt außerdem über eine thermische Speicherung geschmolzener Salze. Es handelt sich um ein wichtiges Projekt für die Entwicklung der Solarenergie in China. |
| Gemasolar | Sevilla Spanien | 19,9 MW | Gemasolar ist ein Solarturmkraftwerk mit Salzschmelzespeicher, das sich durch seine Fähigkeit auszeichnet, rund um die Uhr Strom zu erzeugen. Es ist ein Beispiel für Innovation in der Solarenergiespeichertechnologie. |