Stromerzeugung mit konzentrierenden Kollektoren

Will man mit Solarthermie höhere Temperaturen erreichen als mit Flachkollektoren möglich ist, muß die einfallende Sonnenstrahlung durch Spiegel oder Linsen konzentriert werden, ehe sie auf den Absorber gelenkt wird. Man spricht deshalb - im Unterschied zu den Flachkollektoren, die das Sonnenlicht ohne vorherige Bündelung absorbieren - von konzentrierenden Kollektoren. Die hochkonzentrierte Strahlungsenergie vermag den Absorber auf Temperaturen von mehreren tausend Grad zu erhitzen. Für die Stromerzeugung genügen bereits Temperaturen, wie sie bei Dampfturbinen-Kraftwerken üblich sind.

Im Unterschied zu Flachkollektoren können konzentrierende Kollektoren kein diffuses Licht, sondern nur die direkte Sonneneinstrahlung nutzen. Da der Absorber stets im Brennpunkt liegen muß, sind Vorrichtungen erforderlich, um sie dem wechselnden Stand der Sonne nachzuführen. Das macht sie aufwendiger und teurer.

Die für die Stromerzeugung wichtigsten Typen von konzentrierenden Kollektoren sind die sogenannten Farm- und Turmanlagen. Die Farmanlagen werden auch als DCS-Anlagen (Distributed Collector System) bezeichnet, da ihre Kollektoren über eine große Fläche verteilt und durch Sammelleitungen verbunden sind. Bei Turmanlagen dagegen befindet sich der Kollektor mit dem Wärmeträger-Medium in einem Brennfleck auf kleinstem Raum. Deshalb werden sie auch als CRS-Anlagen (Central Receiver System) bezeichnet.

Rinnenkollektoren

Die gebräuchlichste und wirtschaftlichste Form der konzentrierenden Systeme sind Rinnenkollektoren. Sie bestehen aus langen, rinnenförmigen Hohlspiegeln, in deren Brennpunkt sich ein Absorber-Rohr aus Metall/Glas befindet. Das Absorber-Rohr wird in der Regel von Thermo-Öl oder Wasser/Dampf als Wärmerträger-Medium durchströmt. Infolge der konzentrierten Sonneneinstrahlung erhitzt sich das Wärmeträger-Medium bis auf etwa 400°C . Die einzelnen Rinnenkollektoren sind durch Sammelleitungen verbunden, die das Absorber-Medium einem Wärmetauscher zuführen, in dem Wasser verdampft wird. Der Rest ist konventionelle Technik wie bei einem normalen Dampfkraftwerk zur Stromerzeugung.

Im sonnenreichen Kalifornien sind bereits etliche solcher Anlagen zur Stromerzeugung erbaut worden, die insgesamt 350 MW elektrische Leistung erzeugen und dort mit herkömmlichen Arten der Stromgewinnung zu konkurrieren vermögen. Fehlt es an ausreichendem Sonnenschein, werden die Anlagen zusätzlich mit Gas befeuert. Nach den US-Vorschriften darf diese Zusatzbefeuerung aber nicht mehr als ein Viertel der gesamten Jahres-Stromproduktion ausmachen.

Die Hohlspiegel-Rinnen einer typischen kalifornischen Farmanlage setzen sich aus jeweils 224 Elementen zusammen und reflektieren 94% der Sonneneinstrahlung. Jede Rinne ist etwa sechs Meter breit und hundert Meter lang. Die Spiegelfläche beträgt 545 m2. Das Absorberrohr hat einen Durchmesser von 70 mm. Die Sonneneinstrahlung wird so um das 82fache konzentriert. Das im Absorber zirkulierende Thermoöl erreicht Austrittstemperaturen bis knapp 400 Grad.

Je nachdem, wieviele solcher Rinnen zu einer "Farmanlage" kombiniert werden, steigt die Menge des erhitzten Wärmeträger-Mediums und damit die erzielbare elektrische Leistung. Die ersten Farmanlagen, die 1985 in Kalifornien errichtet wurden, erzeugten mit Reflektorflächen von 82 960 m2 bzw. 165 400 m2 eine elektrische Leistung von 14 MW bzw. 30 MW. Die bislang größte Anlage, die 1989 in Betrieb ging, hat eine Gesamt-Reflektorfläche von 464 000 m2 und leistet 80 MW.

Turmkraftwerk bei Daggett in den USA: In der Mitte ist der Turm mit dem zentralen Absorber ("receiver") zu sehen, auf den die Heliostaten das Sonnenlicht konzentrieren.

Turmkraftwerke

Noch höhere Temperaturen erzielt man mit Turmkraftwerken. Bei ihnen wird ein ganzes Feld von Spiegeln (Heliostaten) auf einen Brennpunkt ausgerichtet, in dem sich der zentrale Absorber mit dem zu erhitzenden Medium befindet. Der Absorber wird entweder mit Wasser, geschmolzenem Salz oder Luft gekühlt. So kann man Temperaturen über 1000°C erreichen. Damit die Heliostaten das Sonnenlicht ungehindert zum Absorber reflektieren können, plaziert man diesen auf einem 50 bis 150 m hohen Turm. Die Heliostaten müssen genau auf den Brennpunkt ausgerichtet bleiben. Sie werden deshalb der Sonne zweiachsig nachgeführt, sind also in der Horizontal- und Vertikalachse schwenkbar, während Rinnenkollektoren lediglich um eine Horizontalachse geschwenkt werden. Turmkraftwerke sind entsprechend aufwendiger und teurer als Rinnenkollektoren, vermögen jedoch wegen ihres höheren Temperaturniveaus größere Wirkungsgrade zu erzielen.

Demonstrationsanlagen wurden bisher in Spanien, Japan, Frankreich, Italien und den USA errichtet. Die größte Anlage dieser Art, "Solar One" bei Barstow in Kalifornien, erbrachte über ein Jahrzehnt lang eine elektrische Leistung von bis zu 10 MW. Sie soll als "Solar Two" auf Flüssigsalztechnologie zum Wärmetransport vom Absorber ("receiver") zum Dampferzeuger und zur Energiespeicherung umgerüstet werden.

Auf einem Gelände bei Almeria in Spanien entstanden Anfang der achtziger Jahre zwei Turmkraftwerke zu Forschungszwecken. Die eine Anlage leistete 0,5 MW und arbeitete mit flüssigem Natrium als Wärmetransportmittel. Die andere war für 1 MW ausgelegt und hatte einen Dampf-Absorber.

In neue technische Dimensionen vorstoßen wird das "Phoebus"-Projekt, das ursprünglich mit einer elektrischen Leistung von 30 MW für Jordanien geplant war und nun in verkleinerter Form in Almeria getestet werden soll. Hierbei werden Luft als Wärmeträger-Medium und ein Keramik-Absorber zur Energiespeicherung verwendet.

Besonders hohe Wirkungsgrade errreichen Solarkraftwerke mit Parabolspiegeln: Die im Brennpunkt konzentrierte Wärme kann dort von einem Stirling-Motor genutzt und über einen Generator in eine elektrische Leistung umgesetzt werden. Die hier abgebildeten Anlagen erbringen jeweils bis zu 50 kW.

Parabolspiegel-Anlagen

Den höchsten Wirkungsgrad erreichen konzentrierende Kollektoren, bei denen der Absorber im Brennpunkt eines Parabolspiegels (oder einer großen Linse) liegt. Wird der Absorber unmittelbar mit einem sogenannten Stirling-Motor und dieser mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt, läßt sich zum Beispiel mit einem Parabolspiegel von 17 m Durchmesser eine elektrische Leistung von 50 Kilowatt erzielen. Eine Farmanlage mit mehreren solcher Kollektoren ergibt entsprechend höhere Leistungen. Allerdings sind Parabolspiegel relativ teuer und müssen exakt der Sonne nachgeführt werden, was mit zunehmender Größe technische Probleme aufwirft. Solche Anlagen eignen sich deshalb am ehesten für die dezentrale Versorgung kleinerer Stromverbraucher in ausgesprochen sonnigen Gebieten.

Im "Sonnenofen" von Odeillo werden Temperaturen bis 4000°C erreicht. Im Vordergrund sieht man die 63 Fangspiegel, die das Sonnenlicht auf den 2000 m2 großen Hohlspiegel reflektieren, der dann seinerseits die Strahlung auf den 625 cm2 großen Absorber konzentriert.

Sonnenöfen

Die auf die Gesamtfläche eines Hohlspiegels treffende Strahlung wird in einem Punkt konzentriert, der mehr oder weniger scharf umrissen sein kann. Die erzeugte Temperatur ist deshalb sowohl von der Größe des Spiegels als auch von der Ausdehnung des Brennpunkts abhängig. Oft ist es sinnvoll, den Hohlspiegel so zu konstruieren, daß statt eines scharf gebündelten Brennpunktes ein ausgedehnterer Brennfleck in der Größe des Absorbers entsteht.

Der "Sonnenofen" von Odeillo, der seit 1972 in den französischen Pyrenäen zu Forschungszwecken betrieben wird, erreicht in seinem Brennpunkt Temperaturen bis 4000°C. Der Hohlspiegel, der dem Sonnenofen von Odeillo derart enorme Leistungen und Temperaturen ermöglicht, ist ein haushohes Gebilde. Er setzt sich aus 9500 Einzelelementen zusammen und hat eine Brennweite von 18 m.

Es wäre technisch kaum möglich, ein solches Ungetüm präzise dem wechselnden Stand der Sonne anzupassen. Deshalb empfängt der Sonnenofen das Licht nicht direkt, sondern über 63 Fangspiegel. Der Hohlspiegel selbst ist exakt nach Norden ausgerichtet. Die Fangspiegel sind nach Süden hin montiert. Ihre Gesamtfläche beträgt 2 835 m2. Sie werden einzeln dem Stand der Sonne nachgeführt und lenken eine Solarleistung von 2450 kW auf den 2000 m2 großen Hohlspiegel. Der Brennpunkt im Zentrum des Hohlspiegels hat eine Fläche von nur 625 cm2. Daraus ergibt sich eine flächenmäßige Konzentration der Sonnenstrahlung um den Faktor 37700. In der Praxis treten allerdings Verluste durch Streuung und Absorption auf. Der tatsächliche Konzentrationsfaktor der eingestrahlten Sonnenenergie liegt deshalb "nur" bei 20000. Bei einer Sonneneinstrahlung von 800 Watt pro m2 auf die 2835 m2 große Fangspiegelfläche wird so im Brennpunkt des Sonnenofens eine Leistung von 1 MW (1000 KW) gemessen.

Andere leistungsfähige Sonnenöfen gibt es in Spanien (Plataforma de Almeria, 60 kW), in den USA (Golden/Colorado; Albuquerque/New Mexico, 16 kW), in Israel (Rehovot, 16 kW) und in Rußland (u. a. Taschkent, 1000 kW). Kleinere Öfen werden weltweit in verschiedenen wissenschaftlichen Institutionen genutzt, in Deutschland zum Beispiel in Stuttgart, München und (zukünftig) Köln. Solche Anlagen dienen z.B. für Versuche im Bereich der Werkstoffprüfung.