6. Thermische Solarkraftwerke

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1 6. Thermische Solarkraftwerke Eine thermische Solaranlage ist eine technische Anlage, die Sonnenenergie in eine andere Energieform umwandelt. Thermische Solaranlagen im kleineren Maßstab liefern Wärmeenergie im niedrigen Temperaturbereich hauptsächlich für die direkte Nutzung in Haushalten. Thermische Solaranlagen im Megawattbereich werden auch Solarkraftwerke genannt. Sie liefern ebenfalls Wärme allerdings im größeren, industriellen Maßstab und im Allgemeinen bei weit höheren Temperaturen. Die Wärme wird hauptsächlich in elektrischen Strom umgewandelt. Eine direkte thermische Nutzung z. B. für chemische Prozesse ist möglich. 6.1 Eigenschaften und Stand thermischer Solarkraftwerke Thermische Solarkraftwerke wandeln das Sonnenlicht indirekt in elektrischen Strom um. Es gibt mindestens drei verschiedene Konzepte, diese arbeiten mit konzentrierenden Spiegelflächen: Parabolrinnen werden einachsig selten auch zweiachsig der Sonne nachgeführt und konzentrieren die Strahlung auf ein Absorberrohr in der Brennlinie. In diesem befindet sich ein Thermoöl, das nach der Erhitzung über einen konventionellen Dampfkreislauf eine Turbine und einen Stromgenerator antreibt. Solar-Stirling-Anlagen sind große, zweiachsige, der Sonne nachgeführte, parabolische Spiegel mit einem Stirlingmotor im Brennpunkt, an den ein stromerzeugender Generator direkt angebaut ist. Solar-Stirling-Anlagen werden wegen des schüsselförmigen Spiegels auch Dish- Stirling-Anlagen genannt. Sie erreichen mit dem direkt angekoppelten elektrischen Generator einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 20 %. Damit haben sie, allerdings bei großem Aufwand, einen etwas besseren Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung als Photovoltaik-Anlagen. Heliostaten sind meistens großflächige Spiegel. Sie werden verwendet, um das einfallende Sonnenlicht zu bündeln. Die Heliostaten eines Solarturmkraftwerks reflektieren das Sonnenlicht auf einen zentralen Absorber, der sich an der Spitze eines hohen Turms befindet. Die Spiegel der Heliostaten sind so ausgerichtet, dass sie alle genau auf den Absorber reflektieren. Dadurch werden sehr hohe Temperaturen erreicht. Die so gewonnene Wärme wird in einem nachgeschalteten konventionellen Wärmekraftwerk in elektrischen Strom umgewandelt. Aufwindkraftwerke (Thermikkraftwerke) kombinieren die bekannten physikalischen Prinzipien Gewächshaus, Kaminzug und Windrad. Unter einer großen Glasfläche wird solar Luft erwärmt, die über einen hohen Kamin an die Umgebung entweicht. Die aufwärtsströmende Luft wird mit einem Windrad im Kaminsockel letztlich in elektrische Energie umgewandelt. Die gespeicherte Energie im Boden des Gewächshauses oder in speziell eingebrachten Wärmespeichern erlaubt auch einen Betrieb nach Sonnenuntergang. Problematisch ist der sehr hohe Kamin und der geringe Gesamtwirkungsgrad < 1%, so dass ein großer Flächenbedarf für ein Großkraftwerk besteht. Ein Parabolrinnen-Kraftwerk besteht im Allgemeinen aus einem Solarfeld mit Wärmeträgerkreislauf, einem Speichersystem und dem Kraftwerksblock mit Wärmetauschern, Turbine, Generator und Kühlkreislauf. Die Parabolrinnen werden in Nord-Südrichtung bis ca. 150 m ausgeführt und einachsig in Ost-/Westrichtung der Sonne nachgeführt. Nach dem Sonnenaufgang folgen die Kollektoren (Parabolrinnen) der Sonne. Die parabolförmigen Spiegel konzentrieren 80-fach verstärkt die Sonnenstrahlung auf die Absorberrohre, durch welche ein temperaturbeständiges synthetisches Öl als Wärmeträgermedium zirkuliert. Dieses Öl erwärmt sich hierbei auf etwa 400 C. Das Rohr ist speziell beschichtet, um eine hohe Absorption bei geringer Energieabstrahlung zu erreichen. Zum Schutz gegen Abkühlen ist es zusätzlich von einer evakuierten Glasröhre umschlossen, deren Antireflex-Beschichtung das Sonnenlicht mit geringem Energieverlust hindurchlässt. G. Schenke, Photovoltaik und Solartechnik FB Technik, Abt. E+I 66

2 Die Wärmeträgerpumpe 11 transportiert das Thermoöl durch mehrere Wärmetauscher Zwischenüberhitzer 7, Überhitzer 6, Verdampfer 5 und Vorwärmer 4 und gibt dabei seine Energie an den Wasser-Dampf-Kreislauf eines konventionellen Wärmekraftwerks ab. In der HD- Turbine 8 und in der MD-/ND-Turbine 7 wird der Dampf entspannt. Die mechanische Energie der Turbinen wird im Generator G in elektrische Energie umgewandelt. Im Kondensator K gibt der Dampf Energie an den Kühlkreislauf mit dem Kühlturm K ab und kondensiert. Mit der Speisewasserpumpe 12 schließt sich der Wasser-Dampf-Kreislauf. Solar- Kollektorfeld 3 1 Speicher heißer Tank 2 kalter Tank 3 Wärmetauscher 4 Vorwärmer 5 Verdampfer 6 Überhitzer 7 Zwischenüberhitzer 8 HD-Turbine 9 MD-/ND-Turbine 10 Kondensator 11 Wärmeträgerpumpe 12 Speisewasserpumpe G Generator K Kühlturm Prinzip einer Parabolrinnen-Anlage G. Schenke, Photovoltaik und Solartechnik FB Technik, Abt. E+I Bei hoher Sonneneinstrahlung liefert das Solarfeld genug Energie um gleichzeitig elektrische Energie durch Umwandlungsprozesse zu erzeugen und den Speicher zu laden. Das Speichersystem ist mit flüssigem Salz gefüllt. Das Zweitanksystem besteht aus einem heißen Tank 1 (rd. 380 C) und einem kalten Tank 2 (rd. 280 C). Beim Beladen des Speichers wird kaltes Salz durch einen Öl-Salz-Wärmetauscher 3 in den heißen Tank gepumpt. Abends oder bei bedecktem Himmel kann das Solarfeld zusammen mit dem Speicher die notwendige Energie zum Betrieb der Turbine liefern. Das heiße Salz wird dabei in den kalten Behälter gepumpt. Es gibt seine thermische Energie in den Thermoöl-Kreislauf zurück. Nach Sonnenuntergang wird die thermische Energie ausschließlich durch den Speicher geliefert. Theoretisch kann bei entsprechender Auslegung von Speicher und Solarfeld das Kraftwerk bis zu 24 h pro Tag solar betrieben werden. Durch Zufeuerung mit einem beliebigen Brennstoff ist auch ein Hybridbetrieb möglich. Der gesamte Wirkungsgrad des Parabolrinnen-Kraftwerks ges wird ermittelt aus dem thermischen Wirkungsgrad therm der Parabolrinnen-Anlagen unter Berücksichtigung der Verluste im Salzspeicher und dem Wirkungsgrad WKW des nachgeschalteten Wärmekraftwerkes. (6.1) ges therm WKW Die Kostenverteilung auf die Hauptkomponenten ist bei Turm- und Parabolrinnen-Anlagen ähnlich: 10 bis 20 Prozent entfallen auf den Kraftwerksblock, ebensoviel auf den Wärmespeicher, 60 bis 70 Prozent auf das Solarfeld. Zu letzterem trägt zu 40 Prozent die Kollektorkonstruktion bei Spiegel, Absorberrohre und Sonstiges bei. Verrohrungen und Arbeitsmittel erfordern etwa 20 Prozent dieser Kosten. Allerdings können diese Anteile je nach dem Sonnenangebot am Standort, der Auslegung des Wärmespeichers und der daraus folgenden Solarfeldgröße schwanken. 10 Netz G K

3 6.2 Forschungs- und Entwicklungsprojekte Parabolrinnen-Kraftwerke: Das erste solarthermische Parabolrinnen-Kraftwerk wurde 1984 in der kalifornischen Mojave- Wüste erbaut. Bis zum Jahr 1991 wurden auf einer Landfläche von über 7 km 2 insgesamt neun sogenannte SEGS-Kraftwerke (Solar Electric Generation Systems) mit einer elektrischen Leistung von 354 MW installiert. Rund 800 Mio. kwh speisen die Kraftwerke jährlich ins Netz ein, genug um den Bedarf von gut Amerikanern zu decken. Acht Kraftwerke können auch mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, sodass sie auch nachts oder bei Schlechtwetterperioden elektrische Energie liefern. Andasol ist ein solarthermischer Kraftwerkskomplex in der spanischen Provinz Granada in einer Höhe von 1100 m über NN mit den Koordinaten: Breite: N; Länge: 3 04 W. Die Höchstleistung des Kraftwerkskomplex wird nach kompletter Fertigstellung der 3 Parabolrinnen-Anlagen rd. 150 MW betragen. Die Kraftwerke wurden vom Erlanger Unternehmen Solar Millennium initiiert und entwickelt. Das 50-MW-Kraftwerk Andasol 1 befindet seit Mitte 2009 im Regelbetrieb, das 50-MW- Kraftwerk Andasol 2 liefert seit 2010 Strom ins Netz und der Baubeginn von Andasol 3 war im September Andasol 3 soll noch 2011 ans Netz gehen. Die Anlagen sind auf eine Lebenserwartung von mindestens 40 Jahren konzipiert. Die drei Andasol-Kraftwerke stehen jeweils auf einer Grundfläche von 1300 m 1500 m in Nord-Süd-Ausrichtung. Die Einspeisung ins Hochspannungsnetz erfolgt über eine Anbindung an die 400-kV-Hochspannungsleitung bei Huéneja in rd. 7 km Entfernung. Für das Solarfeld wurde die von Solar Millennium entwickelte Parabolrinnen-Technologie Skal-ET eingesetzt. Der thermische Spitzenwirkungsgrad des Solarfelds beträgt therm 70 %, der Wirkungsgrad im Jahresmittel therm 50 %. Jedes der drei Solarfelder besitzt Parabolspiegel auf einer Solarfeldgröße von m 2 sowie Absorberrohre (Receiver) mit einer Länge von 4 m und 624 Sonnensensoren. Die jährliche Direktnormalstrahlung (DNI) beträgt für jedes der drei Solarfelder kwh/m 2 a. Damit das Kraftwerk auch nachts Energie liefern kann, wird das Wärmeträger-Öl alternativ durch einen Salzspeicher geleitet (thermischer Speicher, Salzschmelze). Dieser thermische Speicher fasst Tonnen Salz; seine Kapazität reicht für 7,5 Stunden Volllastbetrieb aus. Verwendet wird ein Flüssigsalzgemisch bestehend aus 60 % Natriumnitrat (NaNO 3 ) und 40 % Kaliumnitrat (KNO 3 ). Der Salzspeicher jedes Kraftwerks befindet sich in jeweils zwei Tanks von 14 m Höhe und 36 m Durchmesser. Im Salzspeicher gibt das Öl über einen Wärmeübertrager seine Wärme an eine flüssige Salzschmelze ab. Mit dem erhitzten flüssigen Salz kann dann bei Bedarf über denselben Wärmeübertrager wieder das Öl erhitzt werden. Mit dem heißen Öl wird wiederum Dampf erzeugt, welcher wie in jedem Wärmekraftwerk die Turbine antreibt. Der Turbinenkreislauf des Kraftwerks weist folgende Leistungsdaten aus: Die Turbinenleistung beträgt 50 MW. Bei jährlich rund Betriebsstunden mit Volllast wird eine jährliche Brutto-Stromerzeugung von rund 180 GWh prognostiziert. Der Spitzenwirkungsgrad des Turbinenkreislaufs beträgt WKW 40 %, der Wirkungsgrad im Jahresmittel WKW 30 %. Für die Gesamtanlage ergibt sich ein Spitzenwirkungsgrad von ges 28 % sowie ein Wirkungsgrad im Jahresmittel von ges 15 %. Der Wasserbedarf eines Andasol-Kraftwerks für die Kühlung des Dampfes mit einem Zellenkühler-Hybridkühlturm beträgt rund m 3 pro Jahr (entspricht dem Wasserbedarf einer Stadt mit Einwohner). Dieser Wasserbedarf wird aus Grundwasser gedeckt, welches aufgrund der Nachbarschaft der Sierra Nevada in ausreichendem Maße verfügbar ist. G. Schenke, Photovoltaik und Solartechnik FB Technik, Abt. E+I 68

4 Die erzeugte Energiemenge eines Andasol-Kraftwerks entspricht einer mittleren Leistung von 20 MW. Die reinen Baukosten von 300 Millionen Euro umgerechnet auf eine Laufzeit von 20 Jahren entsprechen bei einem Zinssatz p = 5% nach Gl. 4.2 einem Strompreis von 22,5 Cent pro kwh. Am 17. Juni 2011 erfolgt der offizielle Spatenstich für das solarthermische Kraftwerk Blythe in Kalifornien (USA), die weltweit größte Anlage dieser Art. Die Arbeiten für die ersten zwei Kraftwerke mit einer Nettoleistung von jeweils 242 MW haben bereits Ende 2010 begonnen. Die Solar Millennium Gruppe plant an diesem Standort bis zu vier solarthermische Kraftwerke mit einer Gesamtleistung von rund 1000 MW. Inzwischen reifen erste Pläne für das 400 Milliarden Euro teure Projekt Desertec, ein besonders großes solarthermisches Parabolrinnen-Kraftwerk in der Sahara mit dem Flächenbedarf des Landes Hessen. Mit 4300 Sonnenstunden pro Jahr soll in der Sahara ein solares Großkraftwerk mit einem Strompreis von 5 Cent pro kwh entstehen. Solar-Stirling-Anlagen: Die Firma Tessera Solar will ab 2010 in Kalifornien zwei Großanlagen mit 25-kW-Dish- Stirling-Anlagen errichten. Mit den Firmen San Diego Gas & Electric und Southern California Edison wird das Imperial Valley-Projekt (Solar 2) mit einer Gesamtleistung von 750 MW und SunCatcher Power Systems und das Calico Projekt (Solar 2) mit einer Gesamtleistung von 850 MW und SunCatcher Power Systems entstehen. Der Suncatcher ist ein 25-kW-Solar-Schüssel-Stirling-System, das die Energie von der Sonne mit einer einzigartigen radialen Solar-Konzentrator-Struktur und vielen gewölbten Glasspiegel-Facetten auf eine Leistungseinheit konzentriert. Die radiale Solar-Konzentrator- Struktur wird dem Sonnenstand genau nachgeführt. In der Leistungseinheit wird mit einem komplett neu entwickelten SES-Stirling-Motor und angeschlossenem Generator die Sonnenenergie in elektrische Energie mit Netzqualität umgewandelt. Die Suncatcher- Technologie verwendet keinen Kraftstoff, sie ist emissionsfrei und benötigt weniger Wasser als andere solare Technologien. Turmkraftwerke: Europas erstes kommerzielles Solar-Turmkraftwerk PS10 wurde in der Nähe der spanischen Stadt Sevilla erbaut. Insgesamt 624 zweiachsig bewegliche, computergesteuerte Spiegel (Heliostaten), jeder mit einer Fläche von 120 m 2, folgen permanent dem Stand der Sonne und reflektieren die Sonnenstrahlen auf die Spitze des 115 m hohen Sonnenturms. Im Sonnenturm erhitzen die konzentrierten Strahlen einen Wärmeträger (Wasserdampf). Durch den Receivers und die geballte Sonnenenergie wird im Brennfleck eine Temperatur von etwa 1000 C erreicht. Der so erhitzte Wasserdampf wird direkt über eine Dampfturbine entspannt oder in einem Druckbehälter des PS10-Solarstrom-Turms als Dampf bei 50 bar und 285 C gespeichert. Der Energiespeicher ist für eine Stunde ausgelegt. Die Turbine treibt einen Generator zur Stromerzeugung mit der Nennleistung P eln = 10 MW an (Spitzenleistung 11 MW). Im April 2009 wurde von Abengoa Solar in unmittelbarer Nachbarschaft zu PS10 mit PS20 das zweite kommerzielle Solar-Turmkraftwerk mit 1255 Heliostaten (wie PS10) und einer elektrischen Nennleistung P eln = 20 MW in Betrieb genommen. Die Höhe des Sonnenturms beträgt 162 m. Bei PS20 wurden einige bedeutende technologische Verbesserungen in Bezug auf PS10 erzielt. Diese Verbesserungen führen zu einer höheren Effizienz beim Solarempfänger, verschiedene Verbesserungen bei der Kontrolle und der operativen Systeme und auch die thermische Energiespeicherung konnte bei PS20 verbessert werden. Auf dem angrenzenden Gebiet soll in den nächsten Jahren ein solarer Kraftwerkskomplex mit einer Gesamtleistung von mehr als 300 MW entstehen. G. Schenke, Photovoltaik und Solartechnik FB Technik, Abt. E+I 69

5 Aufwindkraftwerke: Die Versuchsanlage in Manzanares (Spanien) mit einer Leistung von 50 kw bis 100 kw wurde 1982 erbaut. Bis zu ihrer Zerstörung durch einen Sturm arbeitete sie mehrere Jahre einwandfrei. Sie hatte einen Kollektordurchmesser von 244 m und eine Kaminhöhe von 195 m. In Fuente el Fresno rd. 150 km südlich von Madrid entsteht ein Aufwindkraftwerk mit einer kalkulierten Leistung von 40 MW. Der 750 m hohen Aufwindturm soll nach der Fertigstellung des Thermikkraftwerks in der Mitte eines 3, m 2 großen Glasdachfeldes stehen. Dieses dient als Solarkollektor, der die Luft darunter erwärmt und sie zum Turm führt. Dort wird sie aufströmen und über Turbinen die Stromgeneratoren antreiben. 2, m 2 Boden unter der Kollektorfläche werden gleichzeitig für den Anbau von Obst und Gemüse genutzt werden soll das Aufwindkraftwerk in Betrieb gehen. Weitere geplante Aufwindkraftwerke: Nahe Mildura im Bundesstaat Victoria, Australien ist ein 200-MW-Thermikkraftwerk geplant, das ein Kollektordach mit einem Durchmesser von 7 km und einen Turm mit 1000 m Höhe haben soll. In Namibia soll mit dem Greentower ein 400-MW-Thermikkraftwerk bei Arandis 60 km nordöstlich von Swakopmund mit knapp m 2 Treibhausfläche (7 km Durchmesser), einem 1500 m hohen Turm und 32 Turbinen errichtet werden. G. Schenke, Photovoltaik und Solartechnik FB Technik, Abt. E+I 70

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