mini|Solarwärmekraftwerk PS10 bei Sevilla, Spanien mini|Sonnenwärmekraftwerk Ivanpah, Kalifornien, USA mini|Andasol, Spanien mini|Khi Solar One in SüdafrikaSiehe englischen Artikel Khi Solar One
Ein Sonnenwärmekraftwerk oder Solarwärmekraftwerk (auch solarthermisches Kraftwerk) ist ein Kraftwerk, das die Wärme der Sonne als primäre Energiequelle verwendet, entweder durch Absorption von deren Strahlung oder durch Nutzung warmer Luft. Solarwärmekraftwerke sind insbesondere abzugrenzen von der Photovoltaik, die die Strahlung der Sonne direkt in elektrischen Strom wandelt.
Solarkraftwerke, die die Direktstrahlung der Sonne mit Reflektoren (Spiegeln) auf eine kleine Fläche bündeln, werden im Englischen auch CSP systems (von Concentrated Solar Power) genannt. Sie erreichen eine kürzere energetische AmortisationszeitMichael Dale: A Comparative Analysis of Energy Costs of Photovoltaic, Solar Thermal, and Wind Electricity Generation Technologies. Applied Science 2013, doi:10.3390/app3020325. und je nach Bauart auch höhere Wirkungsgrade als Photovoltaikanlagen, haben jedoch höhere Betriebs- und Wartungskosten und erfordern eine bestimmte Mindestgröße. Sie sind nur in sonnenreichen Regionen der Erde mit hoher direkter Sonneneinstrahlung wirtschaftlich einsetzbar.
Sonnenwärmekraftwerke hatten zunächst niedrigere spezifische Investitionskosten pro installiertes Kilowatt als Photovoltaikanlagen; durch den sehr starken Preisrückgang bei Solarmodulen ab 2011 haben mittlerweile aber Photovoltaikanlagen niedrigere Stromgestehungskosten.
Solarthermische Kraftwerke mit Strahlungsbündelung (CSP, concentrated solar power) Diese Kraftwerke verwenden fokussierende Reflektorflächen, um das einfallende Sonnenlicht auf eine kleine Fläche zu bündeln. Das dort befindliche Bauteil heißt „Absorber“, ähnlich einem Sonnenkollektor. Die Reflektoren oder der Absorber werden der Sonne nachgeführt. Solarfarmkraftwerke sammeln die Wärme in vielen über die Fläche verteilten Absorbern, während in Solarturmkraftwerken und Paraboloidkraftwerken die Strahlung der Sonne mit „Punktkonzentratoren“ auf einen Brennpunkt (bzw. eine kleine Fläche) gebündelt wird. Dieser Art der Energiegewinnung wird in verschiedenen Studien, unter anderem des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und von der Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC), großes Potential für eine wirtschaftliche Energiegewinnung in Wüstengebieten Nord-Afrikas und im Nahen Osten sowie im ariden Süden Europas (Spanien, Italien usw.) zugesprochen. Hierbei stehen diese Konzepte im Zusammenhang mit einem verlustarmen Stromtransport nach Europa bzw. Mitteleuropa.
Wasserdampferzeugende Systeme eignen sich zur Unterstützung und damit Brennstoffeinsparung in konventionellen Dampfkraftwerken. In den reinen Solarkraftwerken gleichen Wärmespeicher die schwankende Sonneneinstrahlung aus, alternativ können hier andere Energieträger die Wärmeerzeugung in einstrahlungsschwachen Zeiten unterstützen. Dies passiert beispielsweise in Österreich, wo solarthermische Anlagen schon weit verbreitet sind. Man kombiniert Sonnenkollektor, Bioheizwerk und konventionelle Ersatz- oder Spitzenenergiekraftwerke. Da die Solarthermie im Frühjahr und Herbst nur wenig Energie und im Winter fast gar keine Energie liefert, schaltet man in dieser Zeit andere Kraftwerke ergänzend dazu, um die Installation ganzjährig nutzen zu können. Den gleichen Zweck können alternativ auch saisonale Wärmespeicher erfüllen, bei gleichzeitiger Überdimensionierung der Anlage in den Sommermonaten.
Solarfarmkraftwerke Das Kollektorfeld eines Solarfarmkraftwerkes besteht aus vielen parallel geschalteten Parabolrinnen- oder Fresnel-Kollektoren, so genannten Linienkonzentratoren. Die Zusammenschaltung von Paraboloidanlagen zu einem großen Kollektorfeld ist möglich, gegenüber Linienkonzentratoren jedoch sehr aufwändig. Parabolrinnenanlagen werden bereits kommerziell betrieben.
Im Kollektorfeld wird ein Wärmeträgermedium erhitzt, entweder Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf. Bei Thermoölanlagen sind Temperaturen von bis zu 390 °C erreichbar, die in einem Wärmeübertrager zur Dampferzeugung genutzt werden. Die Direktdampferzeugung (DISS = Direct Solar Steam) kommt ohne solche Wärmeübertrager aus, da der überhitzte Wasserdampf direkt in den Absorberrohren erzeugt wird. Damit sind Temperaturen von über 500 °C möglich.
Der Wasserdampf wird anschließend wie in einem Dampfkraftwerk einer zentral angeordneten Dampfturbine zugeführt, die an einen Generator gekoppelt ist. Die heute verwendeten Turbinen sind speziell auf die besonderen Einsatzbedingungen in Sonnenwärmekraftwerken angepasst. Ein möglichst hoher Wirkungsgrad ermöglicht ein kleineres Solarfeld bei gleichbleibender Leistung des Kraftwerks. Das senkt die Investitionskosten und macht so den erzeugten Strom rentabler. Der Tag-/Nachtzyklus und wechselnde Wetterverhältnisse erfordern zudem sehr kurze Anfahrzeiten der Dampfturbine. Aus diesen Gründen werden in Sonnenwärmekraftwerken meist zweigehäusige Dampfturbinen mit Zwischenüberhitzung eingesetzt. Dabei wird der Abdampf der Hochdruckturbine vor dem Eintritt in die nachgeschaltete Niederdruckturbine bei konstantem Druck in einen Zwischenüberhitzer im Dampfkessel geleitet, wo er erneut überhitzt wird. Der Dampfkreislauf arbeitet auf diese Weise mit einer höheren Durchschnittstemperatur als ein nicht zwischenüberhitzter Kreislauf. Das erhöht den Wirkungsgrad, denn die Turbine erbringt bei gleicher Wärmezufuhr im Kessel eine höhere Leistung. Ebenso verringern sich der Feuchtigkeitsgehalt in der Niederdruckturbine und die sonst übliche, durch Wassertropfen verursachte Korrosion. Die Zwischenüberhitzung des Dampfes erhöht so Wirkungsgrad und Lebensdauer der Turbine. Ein spezielles Gehäusedesign schützt die Dampfturbine vor zu starkem Auskühlen bei Nacht und trägt neben dem geringen Gewicht des Rotors zu einer kurzen Anfahrtszeit bei. Damit die Dampfturbine möglichst effektiv arbeiten kann, muss der Dampf bei tiefer Temperatur kondensiert werden. Der höchste Wirkungsgrad wird mit Hilfe von Wasserkühlung erreicht, wie z. B. im Falle von Andasol. Für den Fall, dass – wie in vielen Wüstengebieten – kein Kühlwasser in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht, können auf Kosten des Wirkungsgrades Trockenkühlsysteme eingesetzt werden.M. Mohr, P. Svoboda, H. Unger: Praxis solarthermischer Kraftwerke. Springer, 1998, ISBN 3-540-65973-0. (PDF; 894 kB) Report to Congress, U.S. Department of Energy (englisch)
Als besonderer Vorteil dieses Kraftwerkstyps wurde die konventionelle, relativ leicht verfügbare Technik angesehen.
Aufgrund der steigenden Energiekosten wuchs zeitweise auch das Interesse an kleineren Anlagen, die eine dezentrale Versorgung ermöglichen. Durch die Kopplung von Strom-, Prozesswärme-, Kälteerzeugung und Speichertechnologien wurden auch solche Systeme zwischenzeitlich für wirtschaftlich gehalten.Plattform für kleine und mittlere Solarthermische Kraftwerke
Parabolrinnenkraftwerke
mini|Parabolrinnenkraftwerk in Kramer Junction, Kalifornien, USA mini|Funktionsprinzip Parabolrinnenkollektor
Technik Parabolrinnenkollektoren bestehen aus gewölbten Spiegeln, die das Sonnenlicht auf ein in der Brennlinie verlaufendes Absorberrohr bündeln. Die Länge solcher Kollektoren liegt je nach Bautyp zwischen 20 und 150 Metern. In den Absorberrohren wird die konzentrierte Sonnenstrahlung in Wärme umgesetzt und an ein zirkulierendes Wärmeträgermedium abgegeben. Die Parabolrinnen werden aus Kostengründen meist nur einachsig der Sonne nachgeführt. Sie sind deshalb in Nord-Süd-Richtung angeordnet und werden nur nach der Höhe des Sonnenstandes im Tagesverlauf nachgeführt bzw. „gekippt“.
Momentan arbeiten Wissenschaftler des MIT an einem Prototyp, der die Effizienz von Parabolrinnenkraftwerken maßgeblich verbessern könnte. Das Hybrid-System-Konzept sieht vor, neben thermischer auch elektrische Energie in den Absorberleitungen zu erzeugen. Die Absorberleitungen bestehen bei diesem Entwurf aus drei in sich geschachtelten konzentrischen Röhren mit unterschiedlicher Funktionalität. Die innerste Röhre dient dem Wärmeabtransport und ist nur teilweise mit Flüssigkeit gefüllt, das restliche Volumen nimmt Dampf ein. Der Dampf kondensiert innerhalb des Systems an einer angeschlossenen Kondensatorenfläche und die bei der Phasenumwandlung entstehende Flüssigkeit schließt den Flüssigkeitskreislauf. Dieses System benötigt theoretisch keine Pumpen und die gewonnene Wärmeenergie kann an der Kondensatorfläche mittels Kopplung anderen Prozesssystemen zugeführt werden. Die mittlere Röhre dient als Absorberfläche für die Sonnenenergie und ist mit der inneren Röhre über ein thermoelektrisches Material in Form von „Beinen“ verbunden. Der große Temperaturgradient zwischen den Röhren führt durch den Seebeck-Effekt zu einer Potenzialdifferenz, welche die Nutzung von elektrischer Energie ermöglicht. Zwischen der mittleren und äußeren Röhre verhindert ein Vakuum, dass die an der Absorberfläche entstehende Wärme an die Umgebung abgeben wird.Nancy W. Stauffer: Harnessing solar energy. 13. Dezember 2012.M. Simon: . 17. Dezember 2012.
Geschichte Die Geschichte der Solarthermiekraftwerke reicht bis in die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts zurück, als Erfinder wie William Adams, Augustin Mouchot, Alessandro Battaglia oder John Ericsson verschiedene Anlagen zur Sonnenenergiekonversion wie Solarkocher, solarbetriebene Destillationsapparate, Kältemaschinen und Kessel für solarbetriebene Dampfmaschinen bauten.Garcia et al., Performance model for parabolic trough solar thermal power plants with thermal storage: Comparison to operating plant data. In: Solar Energy 85, (2011), 2443–2460, S. 2443, doi:10.1016/j.solener.2011.07.002.
Am 1. September 1907 erteilte das kaiserliche Patentamt die Patent-Urkunde Nr. 231294 an die deutschen Ingenieure Wilhelm Maier aus Aalen und Adolf Remshardt aus Stuttgart für eine Vorrichtung zur unmittelbaren Verwendung der Sonnenwärme zur Dampferzeugung.
1912 wurden schließlich Parabolrinnen zur Dampferzeugung für eine 45-kW-Dampfmotorpumpe in Maadi/Ägypten von Frank Shuman und Charles Boys eingesetzt. Die fünf Kollektorreihen hatten eine Länge von 65 m, eine Aperturweite von 4 m und eine Gesamtaperturfläche von 1.200 m². Die Nachführung erfolgte automatisch mit Hilfe eines Thermostaten. Auch eine gewisse Speicherung der Wärme für den Nachtbetrieb war bereits möglich. Der Preis betrug damals 31.200 Mark. Die Anlage lieferte „bei zehnstündiger Arbeitszeit pro Tag Dampf für 50 Pferdekräfte“.Hans Herzberg: Die Sonnenkraftmaschine, ein ideale Kraftmaschine für die Tropen. In: Kolonie und Heimat (1914), Ausgabe Nr. 35, S. 5.
1916 hatte der Deutsche Reichstag 200.000 Reichsmark für eine Parabolrinnen-Demonstration in Deutsch-Südwest-Afrika bewilligt. Durch den Ersten Weltkrieg und das aufkommende Erdölzeitalter kam es jedoch nicht zu einer Umsetzung.
Zwischen 1977 und 1982 wurden Parabolrinnen-Prozesswärme-Demonstrationsanlagen in den USA installiert.
1981 wurde in Europa eine Demonstrationsanlage mit 500 kW elektrischer Leistung auf der Plataforma Solar de Almería in Betrieb genommen.