Konzentrierende Solarthermie Die gebündelte Kraft der Sonne

Konzentrierende Solarthermie ist eine fortschrittliche Methode, um Sonnenstrahlen für die Wärme- und Stromgewinnung zu verwenden. Dabei kommen reflektierende, meist bewegliche, Kollektorflächen zum Einsatz, die das einfallende Sonnenlicht bündeln und es somit um ein Vielfaches verstärken.

Wie funktioniert konzentrierende Solarthermie?

In der Kindheit hat wohl ein jeder schonmal versucht, mit einer Lupe so stark die Sonnenstrahlen auf einen Punkt zu fokussieren, um beispielsweise ein kleines Feuer zu entfachen. Nach dem gleichen Prinzip funktionieren auch solarthermische Kraftwerke.

Mithilfe von speziell gekrümmten Spiegeln oder Linsen werden die Sonnenstrahlen auf einen begrenzten Bereich fokussiert. Dort befindet sich dann ein Absorber oder Receiver, der die gebündelte Solarenergie absorbiert und in Wärmeenergie umwandelt. Über eine zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit kann die Wärmeenergie transportiert werden, um sie in einen Speicher oder eine Turbine zu leiten. Mit dieser Technologie können hohe Temperaturen von 80 bis über 1000 Grad Celsius erzeugt werden.

Allerdings benötigt konzentrierende Solarthermie in der Regel direkte Sonnenstrahlung und wenig Bewölkung. Daher sind solarthermische Kraftwerke in Regionen mit einem hohen Anteil direkter Strahlung am effektivsten und so beispielsweise in Südeuropa deutlich stärker verbreitet als in Zentraleuropa.

Doch laut Prof. Robert Pitz-Paal, Direktor des Instituts für Solarforschung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) könnten konzentrierende Solarkollektoren in Zentraleuropa auch bei weniger direkter Sonnenstrahlung eine kostengünstige und effektive Alternative zur Erzeugung von Prozesswärme zwischen 80 und 400 Grad Celsius sein, solange das Kollektorfeld nur gross genug wäre.

Welche Kraftwerk-Typen gibt es?

Solarthermische Kraftwerke werden in verschiedene Typen unterteilt, je nachdem, auf welche Art und Weise die Solarstrahlung gebündelt wird:

Solarturmkraftwerke
Bei diesen Anlagen sind hunderte bis tausende gekrümmte Spiegel rund um einen Turm angeordnet, die sich mit der Sonne mit drehen und die Sonnenstrahlen auf der Spitze des Turms bündeln, wo sich der Receiver befindet.

Parabolrinnenkraftwerke
Auch bei diesem Analagentyp kommen gewölbte Spiegel zum Einsatz. Sie sind in langen Reihen aufgebaut, um die einfallende Sonnenstrahlung auf ein in der Brennlinie verlaufendes Absorberrohr zu bündeln. Anders als bei den Spiegeln des Solarturmkraftwerks werden die Spiegel nicht gedreht, sondern je nach Sonnenstand nur um das in der Mitte liegende Absorberrohr gekippt.

Dish-Stirling-Kraftwerke
Dish-Sterling-Kraftwerke verwenden Parabolspiegel, die bis zu 25 Meter gross sein können, um das Sonnenlicht auf einen Punkt zu fokussieren. An diesem Brennpunkt befindet sich auch hier ein Receiver, der die gebündelte Solarenergie an einen Stirling-Motor weitergibt, wo sie direkt in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Die Spiegel sind zweiachsig drehbar, sodass sie ebenfalls der Sonne nachgeführt werden können.

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Wie unterscheiden sich solarthermische Kraftwerke zu herkömmlichen Solarthermieanalgen?

Die Unterschiede zwischen herkömmlichen Solarthermieanlagen und solarthermischen Kraftwerken sind recht offensichtlich, trotzdem hier die wichtigsten Punkte im Überblick:

Nichtkonzentrierende Solarthermie:

• Hauptsächlich für die Warmwasserbereitung und als Heizungsunterstützung von Haushalten und für kleinere gewerbliche Anwendungen geeignet.
• Sie nutzt Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren, um Sonnenenergie zu sammeln.
• Sonnenstrahlen werden nicht fokussiert, daher entstehen vergleichsweise niedrige Temperaturen.

Konzentrierende Solarthermie:

• Findet vor allem in grossen Massstäben Anwendung in sogenannten solarthermischen Kraftwerken.
• Wird vorrangig zur Stromerzeugung oder für Prozesswärme verwendet.
• Mithilfe von Spiegeln und Linsen werden Sonnenstrahlen gebündelt und hohe Temperaturen erreicht.

Welche Anwendungen bieten sich?

Wie bereits erwähnt, findet die durch konzentrierende Solarthermie gewonnene Energie besonders in zwei Bereichen Anwendung. Die Hauptanwendung liegt in der Stromerzeugung. Die Wärmeenergie wird in einen Dampfkreislauf weitergegeben, der wie in einem gewöhnlichen Dampfkraftwerk eine Turbine sowie einen Generator antreibt, um Strom zu erzeugen – jedoch ohne dabei fossile Brennstoffe zu verbrennen.

Hohe Temperaturen werden auch für verschiedene industrielle Prozesse, beispielsweise in der Chemieindustrie und Metallverarbeitung, benötigt. Hier kann die gewonnene Wärmeenergie der konzentrierenden Solarkraftwerke hervorragend zum Einsatz kommen.

Anwendungsbeispiel: Synhelion

Das bei weitem noch nicht alle Einsatzgebiete endgültig erschlossen sind, zeigt der Solartreibstoffpionier Synhelion. Das Schweizer Unternehmen hat es als erstes weltweit geschafft, ein Synthesegas herzustellen, das ausschliesslich durch den Einsatz von Solarenergie produziert wurde. Bereits im Jahr 2010 konnte Synhelion erstmal ein solares Synthesegas im Labor herstellen, doch die grosse Herausforderung war es, die Produktion auf einen industriellen Massstab zu skalieren.

Mithilfe verschiedener Kooperationspartner konnte dieses Unterfangen gelingen. Massgeblich beteiligt war Wood, ein weltweit agierendes Unternehmen für Beratungs- und Ingenieurleistungen in den Bereichen Energie- und Umwelttechnik, das den Reformierungsreaktor bereitstellte, der nötig ist, um das Synthesegas zu erzeugen. Dieser Reaktor wird mit solarer Prozesswärme aus einem Solarturmkraftwerk des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) im nordrhein-westfälischen Jülich betrieben.

Das auf diese Weise entstehende Synthesegas kann in späteren industriellen Prozessen zu flüssigen Treibstoffen wie Kerosin, Benzin und Diesel synthetisiert werden, die für konventionelle Verbrennungsmotoren ebenso geeignet sind wie für Flugzeugtriebwerke. Das Unternehmen setzt zudem auf einen geschlossenen CO₂-Kreislauf bei der Produktion, das bedeutet, dass lediglich so viel CO₂ freigesetzt wird, wie vorher für die Herstellung verwendet wurde.

Ein Baustein der künftigen Energieversorgung

Durch die Bündelung der Sonnenstrahlen bieten konzentrierende Solarkraftwerke eine beeindruckende Effizienz bei der Nutzung von Sonnenenergie und stellen eine wertvolle Ergänzung zu anderen erneuerbaren Technologien dar. Dabei scheint das volle Potenzial der konzentrierenden Solarthermie bisher noch nicht ausgeschöpft, wie das Beispiel Synhelion nachdrücklich zeigt. Doch bereits heute können wir davon ausgehen, dass sie, besonders in sonnenreichen Regionen, einen bedeutenden Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung leisten wird.

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