Regenerative Energie aus Solarthermiekraftwerken. Nachhaltige Entwicklung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung/Vorwort

2 Technik der Solarthermiekraftwerke
2.1 Allgemeine Technik
2.2 Heliostaten/Solarturmkraftwerke
2.3 Parabolrinnen-/Paraboloidkollektoren

3 Ökologische/Ökonomische Aspekte im Vergleich
3.1 Ökologische Aspekte
3.2 Ökonomische Aspekte

4 Vergleich zu weiteren regenerativen Energiequellen

5 Entwicklung - Desertec Foundation
5.1 Ziel und Konzept der Desertec Foundation
5.2 Kritik an der Desertec Foundation

6 Fazit

7 Anhang

8 Literaturverzeichnis

Bücher

Dissertation/Habilitation

Internetquellen

1 Einleitung/Vorwort

„Nachhaltigkeit“ spielte in den letzten Jahren der Energieforschung eine immer größer werdende Rolle. „Nachhaltigkeit“ verkörpert das Vorausdenken unserer Handlungen und das Achten darauf, welche Folgen jene Handlungen für uns, für unseren Planeten Erde und für die nachfolgenden Generationen haben werden. Der Begriff an sich kam das erste Mal 1713 in der „Silvicultura oeconomica“ von Hans Carl von Carlowitz in seiner heutigen Bedeutung auf.¹ Es ist z.B. nicht nachhaltig, den Regenwald zu roden und nichts nach- zupflanzen, sowie nicht-regenerative fossile Brennstoffe, wie Kohle und Öl zu verbrennen oder den Atommüll dort zu lagern, wo er über mehrere Generationen präsent ist.

Klimawandel - hervorgerufen durch Schadstoff-Emissionen - war der ausschlaggebende Faktor, bei dem die Auswirkungen realisierbar waren, welche das Leben auf der Erde ge- fährdeten. Man fing an, nach einer Lösung zu suchen und brachte die regenerative Ener- giegewinnung auf den Markt. Bei diesen Energiegewinnungsmethoden werden nicht etwa die fossilen Brennstoffe zur Energieumwandlung benutzt, denn diese sind endlich und verbrauchbar. Bei regenerativen Energiequellen wird z.B. Wind bei Windkrafträdern oder die Sonne bei Photovoltaikanlagen zur Stromerzeugung verwendet. Das Themengebiet entwickelte sich ständig weiter. So auch die Technik zur regenerativen Energiegewinnung. Es wurden neue Techniken entwickelt, Energie umzuwandeln, ohne auf fossile Brennstof- fe zurückgreifen zu müssen. Schon allein deshalb ist das übergeordnete Thema der „Nachhaltigkeit“ ein interessantes, da man nun viel weiter in die Zukunft denkt, damit die nachfolgenden Generationen auch noch eine Erde haben, auf der sie ihr Leben leben können.

Es gibt viele verschiedene Techniken zur regenerativen Energiegewinnung, die bereits auf der ganzen Welt Verwendung finden. Bestimmte Techniken, bei denen die Kraft der Sonne durch eintreffende Sonnenstrahlen eine Rolle spielt, heißen Solaranlagen. In dem Bereich der Solaranlagen gibt es noch weitere Unterkategorien, doch auf eine bestimmte Technik möchte ich hier zu sprechen kommen. Jene Technik wird bei „Solarthermie- kraftwerken“ angewandt, welche weltweit verbreitet sind. Ein nennenswertes Kraftwerk ist beispielsweise das Sonnenwärmekraftwerk Ivanpah, 80 Kilometer südwestlich von Las Vegas, USA. Dieses Kraftwerk ist seit 2014 in Betrieb, ist 14 Quadratkilometer groß und hat eine Leistung von 392 MW, was genug ist, um 140.000 Haushalte zu versorgen.²

Das erste Solarthermiekraftwerk, das zum Einsatz kam, wurde 1912 in Maadi, Ägypten von Frank Shuman und Charles Boys errichtet. Es hatte eine Gesamtfläche von 1200 Quadratkilometern, kostete 31.200 Mark und lieferte „bei [einer] zehnstündigen Ar- beitszeit pro Tag Dampf für 50 Pferdekräfte“.³ Solarthermiekraftwerke sind von der Technik her älter als Photovoltaik-Anlagen, welche erst ab 1954 zur Stromversorgung von Telefonkommunikationsstationen⁴ Verwendung fanden.

Meine Facharbeit ist auf die Technik der Solarthermiekraftwerke, die ökonomischen und ökologischen Aspekte, das heißt ihre Effizienz und Wirtschaftlichkeit und ihre Entwicklung in dem heutigen Globalmarkt ausgerichtet. Ich werde mich dabei größtenteils auf bereits vorhandene Fachbücher, Dissertationen und Berichte beziehen, und mich mit Hilfe von Rechnungen auf diese stützen, um am Ende dieser Arbeit die Frage beantworten zu können:

Wie effizient sind Solarthermiekraftwerke im Vergleich zu anderen regenerativen Energiequellen und wie entwickelt sich diese Technik weltweit?

Ich erwarte, dass die Beantwortung jener Fragestellung aussagt, dass Solarthermie- kraftwerke unter den Gesichtspunkten der ökologischen und ökonomischen Aspekte besser sind, als andere regenerative Energiequellen, wie z.B. Photovoltaikanlagen.

2 Technik der Solarthermiekraftwerke

2.1 Allgemeine Technik

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, nutzen Solarthermiekraftwerke die Kraft der Sonne, um elektrischen Strom zu erzeugen. Obwohl es verschiedene Aufbauten einzelner Kraftwerke gibt, machen alle von dem selben Prinzip Gebrauch.

Einfallende Sonnenstrahlen werden von Spiegeln reflektiert, damit sie ein Wärmeträgermedium⁵ erhitzen, welches Dampf im Dampferzeuger erzeugt und so eine Turbine mit Stromgenerator antreibt. Das heißt, dass der letzte Schritt zur Stromerzeugung durch Solarstrahlung wie ein kon- ventionelles Dampfkraftwerk funktioniert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1 Darstellung eines Solarturmkraftwerkes ⁶

Das Wärmeträgermedium kann dabei Temperaturen von über 700°C erreichen.⁷ Die gesamte Apparatur darf nicht zu heiß werden, da die Verluste mit der vierten Potenz der Absorbertemperatur⁸ zunehmen. Das heißt, dass der Wirkungsgrad abnimmt, wenn das Kraftwerk zu heiß wird.

Diese Grafik zeigt an, dass die Absorbertemperaturen T A exponentiell ansteigen, wenn sich das Konzentrationsverhältnis K der Sonnenstrahlen erhöht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2 Diagramm zur Veranschaulichung der Temperaturer- h ö hung des Absorbers durch die Konzentrationserh ö hung ⁹

Die Energiebilanz der Kraftwerke, bei der die Verluste mit einberechnet werden, kann mit einer zusammengesetzten Formel errechnet werden. Verluste sind hierbei Abstrahlung im langwelligen Bereich, Reflexion am Absorber und Wärmeverlust durch Konvektion.¹⁰

Die Formel besteht aus dem Reflexionskoeffizienten p A ¹¹, dem Emissionskoeffizienten ε A ¹², der Wärmeübergangszahl α K ¹³, sowie der Temperatur des Absorbers T A,

seiner Oberfläche A A, der Leistungsdichte der Solarstrahlung q A, der Strah- lungszahl σ S ¹⁴ und dem Quotienten der Nutzwärme Q N Q N Zusammengesetzt lautet die Formel dann: q A A A = q N A A +ε A σ S (T 4− T 4) A A +α K (T A − T U) A A + p A q A A A

Die Gleichung zeigt auf, dass die Energiebilanz des Kraftwerks abhängig von der Temperatur des Absorbers, dem Absorbermaterial an sich und der Leistungsdichte der zugeführten, konzentriert gebündelten Solarstrahlung ist, mit der das Wärmeträgermedium erhitzt wird. Folglich nimmt die Energiebilanz ab, wenn die Leistungsdichte der Solarstrahlung abnimmt. Für eine effiziente Stromerzeugung benötigen diese Kraftwerke daher eine große Globalstrahlung¹⁷.¹⁸ Globalstrahlung in der erforderlichen Konzentration ist in sonnigen Ländern oder Gebieten der Erde - wie bei dem südwestlich von Las Vegas stehenden Ivanpah in den USA - gegeben.

Es wird zwischen verschiedenen Unterkategorien von Solarthermiekraftwerken un- terschieden, von denen ich zwei näher erläutern möchte: Heliostaten (Solarturm- kraftwerke) und Parabolrinnen-/Paraboloidkollektoren. Sie unterscheiden sich in ihrer punkt- bzw. linienkonzentrierten Reflektionsmethode, um das Wärmeträgermedium zu erhitzen.¹⁹ Zu den punktkonzentrierten solarthermischen Stromerzeugungsanlagen gehören die Heliostaten und Paraboloidkollektoren. Zu den linienkonzentrierten solar- thermischen Stromerzeugungsanlagen gehören die Parabolrinnenkollektoren.

2.2 Heliostaten/Solarturmkraftwerke

Solarturmkraftwerke, die auch Zentralreceiverkraftwerke genannt werden, sind Solarther- miekraftwerke, bei denen ein hoher Turm von mehreren tausend, zweiachsig beweglichen Spiegeln umgeben wird. Die Spiegel leiten einfallende Sonnenstrahlen gebündelt und konzentriert auf die Spitze des Turms, wo sich ein Receiver befindet. Der Receiver absorbiert die Sonnenstrahlung mit einem Absorbermaterial, z.B. poröser Keramik, um das Wärmeträgermedium zu erhitzen.²⁰ Für eine stabilere und länger andauernde Erhitzung des Wärmeträgermediums kann zusätzlich noch fossiler Brennstoff zur Zufeuerung hinzugegeben werden, damit mehr Volllaststunden im Jahr erreicht werden können. Hier wird zwischen verschiedenen Techniken des Receivers unterschieden: Dem Wasser-/Dampf-Receiver und dem offenen, volumetrischen Luftreceiver.

Der Wasser-/Dampf-Receiver wurde in den ersten ausgeführten Kraftwerken verwendet, jedoch ist seine Technik umstritten und wird heute nicht mehr angewendet, da es u.a. zur Überhitzung des Wärmeträgermediums und damit zur Materialermüdung, bzw. zu Verlusten kommen kann.²¹ Wasser-/Dampf-Receiver haben eine ähnliche Aufbauweise, wie ein Salz-Rohrreceiver.

Hier trifft punktkonzentrierte Solarstrahlung auf den Receiver und das Wärmeträ- germedium (in diesem Fall flüssiges Natrium- oder Kaliumnitrat) wird mit dem Verteiler durch die Wärmeübertrager-Rohre geleitet. Dabei wird es erhitzt und durch den Sammler am oberen Ende zum Salz-Wasser-/Dampf-Wär- metauscher geführt. Das erhitzte Salz dient gleichzeitig auch als Wärmespeicher, um die Anlage ohne Solarstrahlung weiter zu betreiben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3 Schematische Darstellung eines SalzRohrreceivers ²²

Ein weiterer großer Nachteil eines Salz-Rohrreceivers ist, dass das Salz während der Be- triebspausen flüssig gehalten werden muss. Dies stellt jedoch hohe Anforderungen an Montage und Regelung und benötigt wieder Energie. Der Eigenenergieverbrauch wird während der Betriebspausen trotz des vorhandenen Wärmespeichers in die Höhe getrieben, was letztendlich dazu geführt hat, dass dieser Bauart der Solarturmkraftwerke heutzutage nicht mehr nachgegangen wird. Durch das Small Solar Power Systems (SSPS) Projektes wurden zwei solcher Salz-Rohrreceiver für Natrium gebaut und getestet. Aber unsachgemäße Reparaturen führten zu einem Natriumbrand, welcher ein ausschlaggebender Faktor in der Abschaffung dieser Receivertechnik war.²³

Ein offener, volumetrischer Luftreceiver hat deutlich mehr Vorteile, als ein Wasser-/Dampf-Receiver. Ein Luftreceiver benutzt Luft als Wärmeträgermedium, welches ungiftig, nicht korrosiv, unbrennbar, überall verfügbar, sowie leicht zu handhaben ist.²⁴ Obwohl Luft eine geringere Wärmekapazität als flüssiges Salz hat, erweist es sich als besseres Wärmeträgermedium, da es nicht zur Materialermüdung des Receivers und damit zu Verlusten kommt.

[...]

¹ Vgl. U Grober 2013, S. 46.

² Hochschule Darmstadt (13.04.2017) S. 3 / 17

³ H. Herzberg 1914, S.5

⁴ W. Blum 1996 S.1

⁵ Als Wärmeträgermedium kann Wasser, Öl aber auch flüssiges Salz dienen.

⁶ M. Kaltschmitt, W. Streicher, A. Wiese 2006, S. 609 S. 4 / 17

⁷ Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Solarforschung (17.04.2017)

⁸ Der Absorber absorbiert die reflektierte Solarstrahlung der Spiegel und wandelt sie in Wärmeenergie um, damit das Wärmeträgermedium erhitzt werden kann.

⁹ Karl Strauß 2006, S. 468

¹⁰ Strömungsbewegung der Luft (Wind), die heiße Luft wegträgt.

¹¹ Amplitudenverhältnis zwischen reflektierter und einfallender Welle beim Übergang in ein Ausbreitungsmedium.

¹² Gibt an, wie viel Strahlung ein Körper im Verhältnis zu einem schwarzen Körper abgibt.

¹³ Fähigkeit von Objekten, Energie abzugeben.

¹⁴ Physikalische Konstante σ S = 5,67 ⋅10−⁸ W / m ² K ⁴

¹⁵ Wärme wird zum Erhitzen des Wärmeträgermediums entzogen. S. 5 / 17

¹⁶ Karl Strauß 2006, S. 468

¹⁷ Kombination aus Direkt- und diffuser Himmelsstrahlung

¹⁸ Vgl. Karl Strauß 2006, S. 480

¹⁹ M. Kaltschmitt, W. Streicher, A. Wiese 2006, S. 608

²⁰ M. Kaltschmitt, W. Streicher, A. Wiese 2006, S. 612 S. 6 / 17

²¹ M. Kaltschmitt, W. Streicher, A. Wiese 2006, S. 612

²² a.a.O., S. 615

²³ a.a.O., S. 615

²⁴ a.a.O., S. 613 S. 7 / 17