Institut für elektrische Wintersemester 2002/2003 Energieübertragung und Hochspannungstechnik Gaudenz Köppel ETH Zürich Thilo Krause PPS-Semesterarbeit am Institut für elektrische Energieübertragung und Hochspannungstechnik Fachgruppe elektrische Energieübertragung Vorsteher: Prof. Dr. G. Andersson Moderne Solartechnologien und ihre zukünftigen Perspektiven Abbildung 1: "Solar Two": Prototyp eines Solarturmkraftwerk mit einer Kapazität von 10 MWe, von 1996 bis 1998 in Betrieb Birchstr. 122 8050 Zürich 043/288 51 06 eggerd@ee.ethz.ch 3.Semester D-ITET
1 Zusammenfassung In der Zukunft wird die Nachfrage nach nachhaltigen Energielieferanten zunehmen. Die Sonne als Hauptenergiequelle der Erde hat dabei sicherlich eine grosse Bedeutung. In der Nutzung der Sonne als Energiequelle steht die Technologie vor einer guten Zukunft. Waren bisher zwar meist kleine Solarzellenmodule zur direkten Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht im Einsatz, werden in Zukunft solarthermische Grosskraftwerke von einigen hundert Megawatt in Betrieb gehen. Die Technologie von thermischen Kraftwerken ist nicht neu. Neu ist lediglich, dass die Sonne direkt die Energie zur Erwärmung des Wasserdampfes für die Dampfturbine liefert. Einige Grossprojekte sind bereits in der Realisierungsphase. Photovoltaik-Anlagen, die Technologie der direkten Stromgewinnung aus Sonnenlicht mittels Solarzellen, wird ebenfalls stark gefördert. Jedoch wird ihr geringer Wirkungsgrad und die hohen Produktionskosten kaum ein flächendeckender Einsatz erlauben. Nichtsdestotrotz haben Solarkraftwerke in äquatornahen Gebieten bis zum 40. Breitengrad gute Aussichten, mit konventionellen Kraftwerken konkurrieren zu können. 2 Aufgabenstellung In den letzten Jahren konnte der Wirkungsgrad einiger Technologien zur Elektrizitätserzeugung aus Sonnenenergie wesentlich gesteigert werden. Die Weiterentwicklungen wirken sich dabei positiv auf die kommerzielle Nutzung aus. Das Ziel dieser Arbeit ist es, in einem Teil diese Technologien und deren Möglichkeiten und Grenzen aufzuzeigen und in einem zweiten Teil deren Einsatzmöglichkeiten zu diskutieren. D-ITET, PPS -2-
Inhaltsverzeichnis Moderne Solartechnologien und ihre zukünftigen Perspektiven... 1 1 Zusammenfassung... 2 2 Aufgabenstellung... 2 Abbildungsverzeichnis... 3 3 Einleitung... 4 4 Verschiedene technische Realisierbarkeiten von Solaranlagen... 4 4.1 Solarthermische Kraftwerke... 4 4.1.1 Parabolrinnen-Kraftwerke... 5 4.1.2 Solarturm-Kraftwerke... 6 4.1.3 Aufwindkraftwerke... 6 4.1.4 Dish/Stirling-Anlagen... 7 4.2 Photovoltaik-Anlagen... 8 4.2.1 Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle... 8 4.2.2 Einsatzgebiete von Photovoltaik-Anlagen... 10 4.3 Sonnenkollektoren... 10 4.4 Passive Solarnutzung... 11 5 Einsatzgebiete von Solarkraftwerken...12 5.1 Einsatzgebiete von Solarthermischen Kraftwerken... 12 5.2 Einsatzgebiete von Photovoltaik-Anlagen... 13 5.3 Solarenergie als Wärmequelle... 13 6 Schlussfolgerung...13 7 Anhang und Literaturverzeichnis...15 7.1 Anhang... 15 7.2 Literaturverzeichnis... 15 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: "Solar Two": Prototyp eines Solarturmkraftwerk mit einer Kapazität von 10 MWe, von 1996 bis 1998 in Betrieb... 1 Abbildung 2: Kreislauf eines hybriden Solarthermischen Kraftwerks mit Parabolrinnenkollektoren... 5 Abbildung 3: Skizze eines Parabolspiegels mit Absorberrrohr... 5 Abbildung 4: Schema eines Aufwindkraftwerkes... 7 Abbildung 5: Skizze eines Stirlingmotors... 8 Abbildung 6: Schema einer Solarzelle... 9 Abbildung 7: Querschnitt durch ein Kollektorrohr eines Vakuumkollektors... 11 D-ITET, PPS -3-
3 Einleitung Zunehmend schwindende fossile Energiereserven und die mit dessen Verbrauch zusammenhängende Umweltverschmutzung haben unser Denken bezüglich Energiegewinnung in den letzten Jahren stark gewandelt. Auf der Suche nach umweltverträglichen und regenerierbaren Energiequellen steht sicher unter anderem die Sonne im Mittelpunkt. Als steter Energielieferant in jeglichen Bereichen unseres Lebens geschätzt, kann sie auch zur Energiegewinnung in Form von elektrischem Strom genutzt werden. Jedoch durch die Geometrie der Erde sind nicht alle Regionen unseres Planeten geeignet für die wirtschaftliche Nutzung von Sonnenenergie. Auch die verschiedenen Technologien, welche mittlerweile zur Verfügung stehen, verlangen eine gründliche Betrachtung deren wirtschaftlich und ökologisch sinnvollen Einsatzgebietes, wo Sonnenenergie in für uns nutzbare Energieformen umgewandelt werden kann. In dieser Arbeit sollen die verschiedenen Technologien kurz erklärt und auf deren Einsatzbereich in Zukunft eingegangen werden. Auch für die Schweiz als ein Land mit einem sehr hohen pro Kopf Energieverbrauch stellt sich die Frage nach alternativen Energiequellen. Als weiteres Kapitel sollen die Chancen der Solarenergie sich in der Schweiz durchzusetzen, beleuchtet werden. Diese Arbeit versteht sich nicht als wissenschaftliche Abhandlung zum Einsatz der Solarenergie, sondern soll einen Einblick in eine zukunftsträchtige Technologie geben. Einige Bauteile werden zu Gunsten der Übersichtlichkeit erst im Anhang erklärt. 4 Verschiedene technische Realisierbarkeiten von Solaranlagen Es gibt verschiedene technische Möglichkeiten, Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Je nach Einsatzort überwiegen die einen oder anderen Vorteile der jeweiligen Technik. In diesem Kapitel sollen die Techniken der Umwandlung der Energie vorgestellt werden. 4.1 Solarthermische Kraftwerke Mit Hinsicht auf eine nachhaltige Energieversorgung spielen solarthermische Kraftwerke eine wichtige Rolle. Technisch unterscheiden sie sich nicht wesentlich von konventionellen thermischen Kraftwerken. Es ist der Energielieferant, welcher den solarthermischen Kraftwerken ermöglicht, mit sehr geringer Schadstoffemission E- nergie zu produzieren. Im Solarkreislauf wird ein Wärmeträgermedium geheizt, welches in einem Dampferzeuger und Überhitzer Wasser verdampft, das im Dampfkreislauf zirkuliert. Dieses treibt eine Turbine an, welche über einen Generator den elektrischen Strom produziert. Der Wasserdampf wird wieder gekühlt und kondensiert zu Wasser. Somit ist der Kreislauf geschlossen. Solarthermische Kraftwerke können bei Bedarf von konventionellen Energieträgern, z.b. Öl, unterstützt werden und trotz der variierenden Sonneneinstrahlung eine konstante Stromeinspeisung in das Netz garantieren. Jedoch steigt damit auch der CO 2 Ausstoss und die Produktionskosten sind ebenfalls höher als bei reinen Solarkraftwerken. Hält man sich die CO 2 -Reduktionsempfehlungen für Industriestaaten von 80% bis zum Jahr 2050 gegenüber 1990 vor Augen, so werden diese Kraftwerke mittelfristig zu einer grossen Hypothek, da sie lediglich eine Reduktion der CO 2 - Emissionen von durchschnittlich 10% erreichen. Somit lohnt sich kurzfristig der Einsatz von Hybridkraftwerken. Wenn die Anlagen aber nicht auf alternative Brennstoffe wie solarer Wasserstoff oder Biobrennstoffe umgerüstet werden können, lohnt sich dessen Einsatz aus emissionsbedingten Gründen nicht. D-ITET, PPS -4-
Die Kosten für eine Kilowattstunde liegt bei einem Hybridkraftwerk nur leicht über dem Preis von konventionellen Kraftwerken. Somit ist sie schon zum heutigen Zeitpunkt ohne weitere Subventionen konkurrenzfähig. Im reinen Solarbetrieb hingegen, sind die Solarthermischen Kraftwerke noch nicht ganz auf dem gleichen Kostenniveau. Mittelfristig jedoch kann den Solarthermischen Kraftwerken mittels neuer Technologien eine vielversprechende Zukunft vorausgesagt werden. Abbildung 2: Kreislauf eines hybriden Solarthermischen Kraftwerks mit Parabolrinnenkollektoren 4.1.1 Parabolrinnen-Kraftwerke Bei den Parabolrinnen-Kraftwerken wird eine grosse Zahl an Parabolrinnen-Spiegeln parallel zueinander aufgestellt. Diese Parabolrinnen können einachsig dem Sonnenstand folgen und werden je nach Tageszeit nach der Sonne ausgerichtet, damit immer eine möglichst direkte Sonneneinstrahlung erreicht werden kann. Im Brennpunkt der Parabolrinne ist ein Absorberrohr angebracht, in dem ein Wärmeträgermedium fliesst und die Wärme aufnimmt. Das Sonnenlicht wird auf dem Metallabsorber etwa 80-fach konzentriert. Somit können Temperaturen von einigen 100 C Grad erreicht werden. Parabolspiegel Absorberrohr D-ITET, PPS -5- Abb. 2 Abbildung 3: Skizze eines Parabolspiegels mit Absorberrrohr
Als Wärmeträgermedium wird ein Thermoöl verwendet, das bis auf 400 C erhitzt werden kann. Diese Thermoöl erwärmt über ein Wärmetauscher Wasser, das bei der hohen Temperatur verdampft und eine Dampfturbine antreibt. Im Rahmen des von der EU geförderten DISS (Direct Solar Steam) Projekt wird das Thermoöl durch Wasser ersetzt, das bei Temperaturen um 400 C und unter einem Druck von 100 bar direkt verdampft und eine Turbine antreibt. Dadurch werden die Kosten für den Wärmetauscher und den Wärmeträger gespart. Weitere Optimierungsmöglichkeiten besteht bei einer verbesserten Kollektorstruktur, durch welche der Wirkungsgrad noch erheblich gesteigert werden kann. 4.1.2 Solarturm-Kraftwerke Im Gegensatz zu Parabolrinnen-Kraftwerken wird bei Solarturm-Kraftwerken das Sonnenlicht von einigen hundert bis einigen tausend Spiegeln, sogenannten Heliostaten (siehe Anhang) in einem einzigen Fokus konzentriert. Ein Receiver ist im Fokus angebracht, der sich auf einem Turm befindet, so dass er von allen Spiegeln erreicht werden kann. Die Spiegel werden zweiachsig dem Sonnenlicht nachgeführt. Im Receiver werden Temperaturen von bis zu 700 C erreicht, wobei ebenfalls Wasser über einen Wärmetauscher erhitzt wird und durch das verdampfte Wasser eine Dampfturbine angetrieben wird. Zur Zeit sind zwei verschiedene Arten von Receivern im Einsatz. Beim Salzschmelzreceiver agiert flüssiges Salz als Wärmeträgermedium. Ausserdem gibt es offene volumetrische Luftreceiver, bei denen Luft durch ein Metalldrahtgestrick Absorber gesaugt und auf Temperatur gebracht wird. Zur Zeit wird ein geschlossener Druckreceiver entwickelt und getestet, in dem Luft unter Druck erhitzt wird. Dieser lässt sich direkt mit einer Gasturbine koppeln, wodurch ein deutlich erhöhter Wirkungsgrad erwartet wird. Solarturm-Kraftwerke im allgemeinen lassen im Vergleich zu Parabolrinnen-Kraftwerken einen höheren Gesamtwirkungsgrad erwarten, wobei sie im Gegensatz zu diesen noch nicht wirtschaftlich eingesetzt werden. 4.1.3 Aufwindkraftwerke Eine weitere technische Möglichkeit Solarenergie in elektrischen Strom umzuwandeln, ist das Aufwindkraftwerk. Unter einem riesigen Glasdach wird Luft erhitzt, die dann, durch die geringere Dichte, durch einen Turm, der in der Mitte der Glaskonstruktion steht, in die Höhe strömt. Im Turm befinden sich Turbinen, welche Generatoren antreiben. Die Energieproduktion hängt direkt von der Turmhöhe und der Grösse des Glasdaches ab. Somit können standortspezifische Konstruktionen den jeweiligen Begebenheiten angepasst und somit kostenoptimiert realisiert werden. Wiederum ist aber die Stromproduktion direkt von der Sonneneinstrahlung abhängig, was äquatornahe Regionen prädestiniert. Zudem hat ein Aufwindkraftwerk einen enormen Platzbedarf. Da nur Grosskraftwerke kommerziell sinnvoll sind, die eine Ausgangsleistung von einigen 100 Megawatt haben, wächst der Durchmesser der Glasdächer auf einen Kilometer oder mehr an. Somit sind Wüsten ein geeigneter Standort solcher Anlagen. Die Strahlungsintensität der Sonne ist hoch und es ist genug Platz vorhanden. Vier Prozent der Fläche der Sahara würden ausreichen, um die Grundversorgung der EU-Staaten zu garantieren. D-ITET, PPS -6-
Glasdach zur Erwärmung der Luft Turm mit Turbinen und Generatoren Abbildung 4: Schema eines Aufwindkraftwerkes Eine bautechnische Herausforderung stellt die Konstruktion der Türme. Um ein effizientes Kraftwerk zu bauen, müssen die Türme bis zu einem Kilometer hoch sein. Dies wäre fast eine Verdoppelung der bisher erreichten Bauhöhe eines Bauwerks. Neuartige Techniken erlauben es jedoch, den Türmen eine genügend hohe innere Stabilität zu garantieren, dass sie auch starken Stürmen widerstehen können. Somit scheint auch dieses Problem lösbar zu sein. Vom wirtschaftlichen Aspekt her sind Aufwindkraftwerke interessant. Berechnungen geben den Produktionspreis einer Kilowattstunde mit zehn bis fünfzehn Rappen an. Ein weiterer Vorteil des Aufwindkraftwerkes ist, dass es 24 Stunden in Betrieb sein kann. Durch Anbringen von Wärmespeichern in Form von Wasserbehältern unter dem Glasdach kann die tagsüber gespeicherte Wärme in der Nacht abgegeben und somit den Betrieb auch bei Dunkelheit ohne Einsatz fossiler Brennstoffe aufrecht erhalten werden. Dies ist ein grosser Vorteil vor allem für Entwicklungsländer. Die Unterhaltskosten werden verringert, da kein Brennstoff notwendig ist. Auch ist kein Kühlmedium von Nöten, in wasserarmen Regionen ein nicht zu unterschätzender Vorteil. 4.1.4 Dish/Stirling-Anlagen Bei einer Dish/Stirling-Anlage wird ein zweiachsig geführter Hohlspiegel (engl. dish) auf einen Brennpunkt konzentriert. Dort sitzt wie beim Solarturm-Kraftwerk ein Receiver, der mittels eines Stirlingmotors die Wärme in mechanische Energie umwandelt, welche über einen Generator elektrische Energie erzeugt. Heissluft- oder Stirlingmotoren sind schon lange entwickelt worden und ihr Einsatz beschränkt sich nicht nur auf die Solartechnik. Ihre Funktionsweise ist sehr ähnlich derer eines Otto- oder Dieselverbrennungsmotors. Der Motor hat zwei Kolben, ein Arbeitskolben und ein Verdrängerkolben. Der Verdrängerkolben ist luftdurchlässig und dient dazu, die Luft im Zylinder hin und her zu schieben. Am einen Ende des Zylinders des Verdrängerkolbens ist ein Wärmebad, auf der anderen wird er gekühlt. Wenn der Verdrängerkolben die Luft in den kalten Bereich schiebt, so wird sie komprimiert und der Arbeitskolben wird nach links gesogen (vgl. Abb. 5). Da die beiden Kolben mechanisch miteinander verbunden sind, wird der Verdrängerkolben wieder zurückgeschoben und die Luft gelangt in den wärmeren Bereich und expandiert somit. Dadurch wird der Arbeitskolben zurückgestossen und die Kolben stehen wieder- D-ITET, PPS -7-
um in Anfangsposition. Um einen möglichst optimalen Wirkungsgrad des Stirlingmotors zu erreichen, sollten die Kolben um 90 phasenverschoben sein. Arbeitskolben Verdrängerkolben Wärme Abbildung 5: Skizze eines Stirlingmotors 4.2 Photovoltaik-Anlagen In der Schweiz wird wohl nur der Einsatz von Photovoltaik-Anlagen Zukunft haben. Die Mobilität und die Variabilität ihres Einsatzbereiches macht sie zur einzigen Technologie zur Gewinnung von Strom in der Schweiz, da die Strahlungsleistung der Sonne in unseren Breitengraden zu schwach für eine extensive Nutzung der Sonne als Energielieferant ist. 4.2.1 Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle Eine Solarzelle bildet die kleinste Einheit in einer Photovoltaik-Anlage. Sie besteht aus einer ca. 100*100 mm grossen und 0.2 bis 0.3 mm dünnen Platte, handelsübliche Solarzellen sind meist aus Silizium. Silizium ist zwar auf der Erde fast unbegrenzt verfügbar, muss jedoch hoch gereinigt werden, damit man es zur Solarzellenherstellung verwenden kann. Dieser Reinigungsprozess ist sehr energieaufwendig und somit teuer. Eine Solarzelle besteht im Prinzip aus zwei Siliziumschichten, die jeweils mit verschiedenen Atomen bewusst verunreinigt worden sind. In der einen Schicht bewirken die zusätzlich in das Kristallgitter eingebrachten Atome eine positive Aufladung. Die andere Seite wird mit entsprechend anderen Atomen verunreinigt, welche eine negative Aufladung bewirken. Somit entstehen eine positiv und eine negativ geladene Schicht und dazwischen der sogenannte p-n-übergang. Dort entsteht, auch ohne Sonneneinstrahlung, ein elektrisches Feld. Durch zusätzliche Sonneneinstrahlung lösen sich durch den photoelektrischen Effekt aus der positiv geladenen Schicht zusätzlich Elektronen und wandern in die negativ geladene Schicht über. Somit verstärkt sich das elektrische Feld und die zwischen den beiden Schichten entstandene elektrische Spannung kann als Quellspannung genutzt werden. D-ITET, PPS -8-
Abbildung 6: Schema einer Solarzelle Da der photoelektrische Effekt direkt von der Intensität der Strahlung und von der Wellenlänge der eintreffenden Photonen abhängt, steht die Stromproduktion in direkter Abhängigkeit mit der Sonnenstrahlung. Durch Wolken oder Luftverschmutzung wird einerseits die Intensität der Strahlung minimiert, andererseits findet eine Verschiebung des Strahlungsspektrum zu weniger energieintensiver Strahlung statt. Die energiereiche UV-Strahlung wird somit stärker absorbiert. Dadurch nimmt die Stromproduktion von Photovoltaik-Anlagen bei diffuser Strahlung überproportional stark ab. Da aber grosse Stromanbieter auf verlässliche Energielieferanten angewiesen sind, sind Solarzellen kein zuverlässiger Partner. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle hängt sehr stark mit vom Typ ab. Grundsätzlich werden drei Typen von Solarzellen unterschieden: monokristalline Solarzellen, polykristalline Solarzellen und amorphe Solarmodule. Zur Herstellung monokristalline Solarzellen werden gezüchtete Silizium Einkristallblöcke zersägt. Durch die monokristalline Struktur der Zelle wird ein relativ hoher Wirkungsgrad von 14 bis 22% erreicht. Die Produktion monokristalliner Siliziumkristalle ist jedoch finanziell und energetisch sehr aufwendig und somit teuer. Eingesetzt wird dieser Solarzellentyp vor allem bei anspruchsvollen Anwendungen wie Solarmobilen oder fassadenintegrierten Solaranlagen etc. Die Herstellung polykristalliner Solarzellen ist einiges billiger, jedoch ist der Wirkungsgrad auch tiefer. Er liegt bei lediglich 10 bis 15%. Die Kristallblöcke werden gegossen und zersägt. Es können auch Siliziumabfälle aus der Halbleiterindustrie verwendet werden. Die Produktion ist energetisch viel weniger aufwendig und die energetische Amortisationszeit ist einiges kürzer als bei monokristallinen Solarzellen. Dieser Typ wird hauptsächlich bei Standartanwendungen wie Dachaufständerungen und Selbstbau von Anlagen eingesetzt. Der billigste Solarzellentyp ist das amorphe Solarmodul. Dabei wird das Silizium auf Glas aufgedampft. Dies ermöglicht ausserdem eine relativ energiesparende Herstellung. Der Wirkungsgrad liegt zwischen 5 und 10%. Diese Solarzellen werden vor allem in Kleingeräten wie Uhren, Taschenrechner etc. eingesetzt. Bei Standartanwendungen werden die einzelnen Solarzellen zu Solarmodulen zusammengeschaltet. Die Betriebsspannung einer einzelnen Zelle beträgt immer etwa 0.5 Volt. Durch Serieschaltung mehrerer Zellen wird eine Leerlaufspannung von 15 bis 24 Volt erzeugt, je nach dem wie viele Zellen hintereinander geschaltet werden. Die Spannung hängt somit nicht von der Sonneneinstrahlung ab. Bei geringer Ein- D-ITET, PPS -9-
strahlung nimmt sie jedoch mit zunehmender Leistungsabgabe rasch ab. Da an Solarmodulen Gleichspannung anliegt, muss die Spannung noch mittels Wechselrichter auf Wechselspannung gebracht werden, damit sie ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. 4.2.2 Einsatzgebiete von Photovoltaik-Anlagen In vielen europäischen Ländern wird nachhaltig produzierter Strom staatlich subventioniert, so auch in der Schweiz. Private Anbieter können ihren Solarstrom ins öffentliche Netz einspeisen und bekommen dafür staatliche Beiträge pro Kilowattstunde. Wie sich die Fördergelder genau verteilen, ist von Kanton zu Kanton verschieden. Jedoch wird sich trotz der finanziellen Unterstützung der öffentlichen Hand der Betrieb von Solarzellen nicht lohnen, sondern stellt ein individueller Beitrag zur Schonung unserer Umwelt bei. Der Produktionspreis einer Kilowattstunde liegt zur Zeit bei ca. 0,90 Euro (Stand 2002). Die Vergütung wird in der Regel über einen längeren Zeitraum von 20 Jahren gewährt. Die Zusatzkosten werden dem allgemeinen Stromtarif belastet. Somit trägt jeder Stromkonsument zur Finanzierung bei. Jedoch wird sich eine flächendeckende Versorgung mit Solarstrom kaum erreichen lassen, da die Produktion mittels Photovoltaik-Anlagen zu teuer ist. Der grosse Vorteil von Photovoltaik-Anlagen ist deren Mobilität und Variabilität. Somit finden solche Anlagen in entlegenen Gegenden ohne Anschluss ans öffentliche Stromnetz ihre Anwendung. Es ist in solchen Fällen kostengünstiger eine Photovoltaik-Anlage zu betreiben, als eigens einen Anschluss ans Stromnetz zu schaffen. Auch finden Solarzellen oft in mobilen Apparaten wie Uhren, Taschenrechner etc. ihren Einsatz. Verbunden mit einem Energiespeicher in Form eines Akkus, garantieren sie den mobilen Betrieb solcher Geräte ohne Abhängigkeit von einem zusätzlichen Energiespeichern oder träger. Ein weiteres Einsatzfeld liegt bei den Elektromobilen. Durch zusätzlich angebrachte Batterieblöcke kann auch bei Elektromobilen ein zuverlässiger Betrieb unabhängig von der Sonnenstrahlung erreicht werden. Jedoch sind die Marktpreise zur Zeit noch so hoch, dass sich nur Anhänger dieser Technologie, die zumeist recht finanzstark sind, ein solches Fahrzeug anschaffen. Auch wenn der Wirkungsgrad von Elektromotoren höher ist, als von konventionellen Verbrennungsmotoren, wiegen die Nachteile der Energiespeicherung in den Batterieblöcken so gross, dass Elektrofahrzeuge nur eine sehr begrenzte Reichweite haben die für den Alltagsgebrauch oft ungenügend ist. 4.3 Sonnenkollektoren Sonnenkollektoren sind Systeme zur Gewinnung von Niedertemperaturwärme im Bereich vom 50 bis 100 C. Sie sind besonders geeignet zur Gewinnung von Brauchwasser im Haushalt, zum Heizen von Häusern oder Schwimmbädern. Das Sonnenlicht wird von einem Parabolspiegel auf ein Absorberrohr konzentriert, in dem das Wasser fliesst. Dieses Wasser wird als Energieträger benutzt, um wiederum ü- ber einen Wärmetauscher einen Boiler, Schwimmbecken etc. aufzuheizen. Somit ist die Technologie sehr ähnlich wie beim Parabolrinnenkraftwerk, lediglich auf einem tieferen Temperaturniveau. Die aktuelle Forschung bei Sonnenkollektoren beschäftigt sich mit der besseren Integration der Kollektoren in die Gebäude, wobei die Kollektoren nicht mehr ein zusätzlich auf das Dach oder an die Fassade angebrachtes Modul bleiben, sondern ein integriertes Bauteil werden. Weiter werden neue Materialien verwendet, welche einen höheren Wirkungsgrad versprechen und eine umweltfreundlichere Produktion erlauben. D-ITET, PPS -10-
Die wichtigste Innovation ist aber wahrscheinlich der Vakuumröhrenkollektor. Eine 100%-ige Abdeckung des Warmwasserbedarf eines mit Sonnenkollektoren ausgestatteten Gebäudes ist oft nur in den Sommermonaten möglich. Der flachere Einstrahlungswinkel der Sonne, aber auch die tieferen Aussentemperaturen verringern die Wärmeleistung. Die durch Konvektionsströmungen entstehenden Wärmeverlusten versucht man durch die Isolation der Warmwasserleiter einzudämmen. Die Röhren werden von einem doppelglasigen, grösseren Rohr umgeben. Zwischen den beiden Glasschichten besteht ein Hochvakuum. Somit kann keine direkte Wärmeübertragung mehr stattfinden. Zudem ist Glas für Infrarotlicht undurchlässig, was die Verluste durch Wärmestrahlung zusätzlich mindert. Jedoch bietet diese Technologie noch einige Schwierigkeiten. Das Aufrechterhalten des Hochvakuum zwischen den Glasschichten stellt noch ein Problem dar. Das Vakuum kann zwar mit Pumpen aufrecht erhalten werden, dies ist jedoch nur mit einem hohen energetischen und zusätzlichem finanziellen Aufwand möglich. Es sind aber auch Glas-Metall-Verbindungen im Einsatz, bei welchen im Übergangsstück vom Kollektor zum Speicher ein Metallrohr angebracht wird, das direkt aus dem Glaskörper herausragt. Jedoch werden durch die verschiedenen physikalischen Eigenschaften der Materialien dies Übergangsstücke bei Temperaturwechsel oder anderen mechanischen Einflüssen sehr stark belastet, was schnell zu Ermüdungserscheinungen führt. Äussere Glasröhre Hochvakuum Hocheffiziente Beschichtung Innere Glasröhre Kupferleitblech Kupferrohr Durchgehende Schweissnaht Heiss von der Röhre (Vorlauf) Kalt zur Röhre (Rücklauf) Abbildung 7: Querschnitt durch ein Kollektorrohr eines Vakuumkollektors Nichtsdestotrotz haben Sonnenkollektoren bereits einen sehr hohen Wirkungsgrad von 60 bis 70% bei optimaler Sonneneinstrahlung erreicht. Mit der Reifung der aktuellen technischen Entwicklungen wird der sinnvolle Einsatzbereich dieser Technologie in Zukunft sicherlich noch weiter steigen. Wenn die Wärmeleistung der Sonne nicht ausreicht, können Sonnenkollektorheizungen auch im Hybridbetrieb von Alternativbrennstoffen wie Holz oder Öl unterstütz werden. Dabei kann der Brenner selektiv je nach Bedarf zugeschaltet werden und dient lediglich zur Unterstützung in Zeiten geringer Sonnenstrahlung. 4.4 Passive Solarnutzung Was uns beim Klima Sorgen bereitet, kann beim Beheizen von Häusern nützlich sein: der Treibhauseffekt. Der in der Agrikultur zum Beheizen von Treibhäusern schon seit Jahrzehnten bekannte Effekt, dass Glas durchlässig ist für Licht im sichtbaren Bereich, nicht aber im Infrarotbereich, wird nun zusehends auch zum Beheizen D-ITET, PPS -11-
von Wohnhäusern genutzt. Grosse Glasflächen, eine verbesserte Isolierung und eine Zu-/Abluftanlage mit einer hochwirksamen Wärmerückgewinnung werden es in Zukunft möglich machen, dass ganze Häuser fast ausschliesslich durch die Sonnenstrahlung geheizt werden können. Dazu müssen die Heizwärmekennzahlen unter 15 kwh/m²a sinken. Bei heutigen Niedrigenergiehäusern liegen sie zwischen 30 und 70 kwh/m 2 a. Die Mehrkosten eines Passivreihenhauses liegen zur Zeit noch bei etwa 9'000. Zukünftig werden die Zusatzinvestitionen auf etwa 4 000 sinken. Damit wird auch der wirtschaftliche Aspekt von Passivhäusern interessant, da Brennstoffe für einen Ofen gänzlich oder zumindest teilweise wegfallen. 5 Einsatzgebiete von Solarkraftwerken Der Einsatzbereich von Solarkraftwerken hängt sehr stark mit der örtlichen Strahlungsleistung der Sonne zusammen. Oft ist es nicht sinnvoll auf die Sonne als direkter Energielieferant zu setzten. Aber als Ergänzung zu einem ökologisch ausgeglichenen Energiemix kann die Sonne in jedem Fall ihr Beitrag leisten, in allen Breitengraden. Dieses Kapitel setzt sich mit der Frage auseinander, in welchen Gebieten sich welche Technologie am Besten eignet, ihr Beitrag zur Energieversorgung zu leisten. Im Gegensatz zu früher, wo man alternative Energiegewinnung nur im kleinen Rahmen betrieb, tendieren moderne Solarkraftwerke immer mehr zu Grosskraftwerken zu werden, da die Wirtschaftlichkeit grosser Kraftwerke einiges besser ist und mittelfristig die Chance hat, direkt mit herkömmlichen Kraftwerken zu konkurrieren. 5.1 Einsatzgebiete von Solarthermischen Kraftwerken Um eine genügend hohe Strahlungsleistung zu haben, muss man sich unter dem 40. Breitengrad befinden, in Europa würde sich das auf Regionen beschränken, die sich südlich von Madrid befinden. Mitteleuropa ist somit für diese Anlagen nicht geeignet. Solarthermische Kraftwerke zeichnen sich jedoch auch durch einen relativ grossen Platzbedarf aus, was damit zusammenhängt, dass die Strahlung auf eine grosse Fläche gesammelt werden muss, um überhaupt eine ansprechende Ausgangsleistung des Kraftwerkes zu ermöglichen. Je näher am Äquator, desto mehr nimmt die benötigte Fläche ab, oder desto grösser wird die Ausgangsleistung der Kraftwerke. Ein wesentlicher Vorteil von solarthermischen Kraftwerken ist die Unabhängigkeit von Ressourcen wie Öl, Uran etc. Somit sind auch finanzschwächere Regionen in der Lage, subventionierte Kraftwerke mit niedrigen Betriebskosten zu betreiben. So hat die Global Environmental Facility, der von der Weltbank verwaltete Welt- Umweltfonds der Industrienationen im Frühjahr 2000 den Anträgen von Ägypten, Indien, Marokko und Mexiko stattgegeben, die Mehrkosten solarthermischer Markteinführungsprojekte gegenüber konventionellen Kraftwerken in diesen Ländern mit jeweils 50 Millionen US$ zu unterstützen. Dabei soll das Kraftwerk in der Thar-Wüste im Bundesstaat Rajasthan (Indien) gelegene Ort Mathania als Pilotprojekt bereits 2005 ans Netz gehen. Die Ausgangsleistung wird 140 Megawatt betragen, verglichen mit einem konventionellen Kohlekraftwerk vermeidet das Kraftwerk CO 2 Emissionen von 520'000 Tonnen jährlich, obwohl das Kraftwerk im Hybridbetrieb mit Gas beheizt werden kann. Weitere Projekte von Solarthermischen Grosskraftwerken verzögern sich trotz intensiven Bemühungen vieler Ländern immer wieder, da solche Kraftwerke ihrer erforderlichen Grösse wegen (einige Megawatt) finanziell sehr aufwendig sind und aufwendigen Genehmigungsverfahren mit sich ziehen. D-ITET, PPS -12-
5.2 Einsatzgebiete von Photovoltaik-Anlagen Im Gegensatz zu Solarthermischen Anlagen werden Photovoltaik-Anlagen auch in Zukunft nicht mit konventionellen Kraftwerken konkurrieren können. Ihr geringer Wirkungsgrad (max. 22% bei monokristallinen Zellen) und die hohen Produktionskosten für die Anlage treiben den Preis in die Höhe. Für heute gebaute Anlagen in Deutschland werden die Stromgestehungskosten mit 0,90 Euro/kWh angegeben. Bei einer jährlichen Kostendegression von 6% ist im Jahr 2020 immer noch mit 0,25 Euro/kWh zu rechnen. In zahlreichen europäischen Staaten, darunter auch die Schweiz, wird der Solarstrom aktiv gefördert. Energieabgaben auf nicht erneuerbare Energien und staatliche Subventionen sollen Anreize schaffen, zusätzliche Photovoltaik-Anlagen zu bauen. Auch durch spezielle Angebote von Elektrizitätswerken, bei denen man sich bereit erklärt mehr Geld für Solarstrom zu bezahlen, wird die weitere Produktion von Solarstrom gefördert. Im Rahmen zur Verwirklichung nationaler und internationaler Klimaschutzziele sind auf kommunaler Ebene überall auf der Welt Projekte gestartet worden, die zum Ziel halben, Städte nachhaltig zu gestalten. Das von der Internationalen Energie Agentur gestarteten Initiative will die Klimaschutzziele mit ganzheitlichen Ansätzen sowie dem Einsatz erneuerbarer Energien, rationeller Energieverwendung und Energieeinsparungen erreichen. Im Projekt integriert ist auch der Einsatz von Photovoltaik-Anlagen. Photovoltaik-Anlagen finden aber vor allem im kleineren Stil Anwendung. Als Energielieferant für einzelne Häuser oder elektrische und elektronische Geräte dienen sie als standortunabhängiger Energielieferant und sind unabhängig vom öffentlichen Stromnetz. Somit werden sich die Photovoltaik-Anlagen als Nischenprodukte sicherlich halten können, eine breite Anwendung ist nicht wahrscheinlich. Dies begrenzt sich nicht nur auf unsere Breitengrade. Durch den geringen Wirkungsgrad ist der grossflächige Einsatz von Solarzellen auch in äquatornäheren Gebieten nicht sinnvoll, da mit Solarthermischen Kraftwerken mehr und vor allem billiger Energie erzeugt werden kann. 5.3 Solarenergie als Wärmequelle Dank dem hohen Wirkungsgrad von Sonnenkollektoren und der relativ einfachen Technologie werden dieser Technologie jährliche Wachstumsraten von 20 bis 30% vorausgesagt. Der Einsatzbereich beschränkt sich jedoch auf die Beheizung von einzelnen Häusern, Schwimmbäder oder ähnlichem. Es sind keine Grossprojekte zur Beheizung mittels Sonnenkollektoren geplant. Jedoch können die Kollektoren, wie auch die Solarzellen, selektiv in Hausfassaden, Hausdächer usw. integriert werden und somit einen Beitrag zur Energieversorgung leisten. 6 Schlussfolgerung Solarkraftwerke werden in Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen. Die Unabhängigkeit von fossilen Ressourcen macht sie zum verlässlichen Energielieferant. Auch die noch nicht erreichte Wirtschaftlichkeit von Solarkraftwerken scheint in Zukunft kein Problem mehr zu sein. Emissionsabgaben auf fossile Energieträger werden dazu ihr Beitrag leisten. Solarthermische Kraftwerke scheinen hier die bessere Lösung zu sein. Zudem zeichnet sich ab, dass Solarthermische Kraftwerke in Grossprojekten mit Ausgangsleistungen im dreistelligen Megawattbereich realisiert werden. Geografisch sind solche Kraftwerke jedoch auf einen Gürtel um den Äquator bis zum 40. südlichen oder nördlichen Breitengrad beschränkt. Wenn jedoch die Drittweltlän- D-ITET, PPS -13-
der, die vornehmlich in dieser Region liegen, ihren Energieverbrauch drastisch steigern, dann steht genau in der für Solarthermische Kraftwerke prädestinierten Region eine nachhaltige Technologie zur Verfügung. In unseren Breitengraden wird die Solarenergie ihren Platz im Energiemix sicherlich behalten. Jedoch ist nicht anzunehmen, dass sich die Solarenergie zur Gewinnung von elektrischem Strom flächendeckend etablieren kann. Sie wird eine Nischentechnologie bleiben. Solarthermische Anwendungen werden es sicherlich einfacher haben, einen wichtigen Stellenwert beim Bau neuer Gebäude zu erhalten. Somit stellt die Solartechnologie in Zukunft eine wichtige Alternative zu herkömmlichen Kraftwerken und ebenso eine wichtige Ergänzung zur nachhaltigen Energieversorgung dar. D-ITET, PPS -14-
7 Anhang und Literaturverzeichnis 7.1 Anhang Parabolspiegel / Heliostaten Die Parabolspiegel oder die Heliostaten solarthermischer Kraftwerke haben die Aufgabe, das Sonnenlicht auf einen bestimmten Punkt zu bündeln. Die spiegelnde Fläche hat näherungsweise die Form eines Paraboloids mit Brennpunkt auf der Eintrittsapertur des Receivers bei Solarturmkraftwerken oder auf dem Absorberrohr beim Parabolrinnenkraftwerk. Die genaue Form häng von dem Richtungskegel der Strahlung von der Sonne ab. Dieser Richtungskegel wird durch den Öffnungswinkel vom Durchmesser der Sonne und deren Abstand zur Erde bestimmt. Dieser stark abgegrenzte Kegel wird doch durch die Streuung in der Atmosphäre aufgeweitet, so dass für die Richtungsabhängigkeit der Strahldichteverteilung keine scharfe Stufenfunktion mehr verwendet werden kann. Bei der Produktion der Parabolspiegel werden Glasspiegel auf eine vorgeformte Stahlmembran gebracht und anschliessend noch zum Beispiel Silber aufgedampft, um die Reflektion zu optimieren. 7.2 Literaturverzeichnis Artikel: Forschungsverbund Sonnenerengie, Jahrestagung 2002 Solare Kraftwerke, Stuttgart 2002 Literatur: [1] Dersch, J.; Geyer, M.; Hermann, U.; Jones, S.A.; Kister, R.; Oàrtmanns, W.; Pitz-Paal, R.; Price, H.; Solar Trough Integration into Combined Cycle Systems. In: Tagunsband Solar 2002, 15.-20, Reno, USA [2] Dersch, J.; Geyer, M.; Hermann, U.; Jones, S.A.; Kister, R.; Oàrtmanns, W.; Pitz-Paal, R.; Price, H.; Solar Trough Integration into Power Glants A Study on the Performance and Economy of Integrated Solar Combined Cycle Systems. In: Tagungsband 11 th SolarPACES International Symposium on Concentrated Solar Power and Chemical Energy Technologies, 4.-6. September 2002, Zürich, Schweiz, S. 661-671 Dipl.-Ing. Frank Wouters Solar City-Task 30 der IEA Internationale Energie Agentur Literatur: [1] An Equity- and Sustainability-Based Policy Response to Global Climate Change. John Bytrne, Young-Doo Wang, Hoesung Lee and Jong-Dall Kim. 1998. Energy Policy. Vol. 26, No. 4: 335-343. [2] Solarstadt Gelsenkirchen Vorstudie zur Profilierung der Solarstadt Gelsenkirchen, März 2001, Projektbericht Ecofys GmbH, ISL-RWTH Aachen, BUGH Wuppertal. [3] www.solarcity.org Onlinequellen: Educ.ub.uni-muenchen.de/archive/00000464/01/Timinger_Andreas.pdf www.adev.ch/adev_solarstrom_ag_rahmenbedingungen.htm www.twikeclub.ch/technik/e1wag_97.htm www.wind-energie.de/zeitschrift/neue.energie/jahr-2000/inhalte/ne0001/januar3.htm www.volker-quaschning.de/downloads/sonnenforum2003_3.pdf www.volker-quschning.de/artikel/konzenson/index.html D-ITET, PPS -15-
www.solarserver.de/solarmagazin/newsa2001m11.html www.energieinfo.de/eglossar/node159.html www.energietag.de/erneuerbare_energien/pass_solarnutzung_thema3.htm www.energietag.de/erneuerbare_energien/sonnenkoll.htm www.solicion.de/patent.html www.sonneheizt.de/produkte/solarkollektoren/vakuumkollektoren/cpc%20kollektor/vakuumkoll ektor_news_1/vakuumkollektor_news_1.html Bildquellen: http://www.fv-sonnenenergie.de/images/solar_two.jpg http://solarbridge.org/figs/mirror.gif http://www.stirlingmotor.com/kolbew2.gif http://www.solarserver.de/wissen/images/pv1.gif http://www.est-energy.com/vakuum/index0.jpg D-ITET, PPS -16-