Entstehung/Erfindung/Vorgeschichte
Solarkraftwerke, auch solarthermische Kraftwerke genannt, verwenden im Unterschied zu Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, Sonnenwärme als Primärenergie. Entweder durch direkte oder gebündelte Sonnenstrahlung wird Wasser erwärmt, bis der entstehende Dampf auf Turbinen geleitet werden kann, die wiederum Stromgeneratoren antreiben.
Die verschiedenen Typen von Solarkraftwerken werden im folgenden erklärt.
Funktionsprinzip / Technik
Solarthermische Kraftwerke, die das direkt einstrahlende Sonnenlicht bündeln, konzentrieren den Lichteinfall mittels Reflektoren oder Sonnenkollektoren (Absorbern), die sich nach der Sonne ausrichten.
Bei Solarfarmen stehen verteilt auf großen Feldern parallel geschaltete Sonnenkollektoren, die das Sonnenlicht einfangen. Im Kollektorfeld wird entweder Wasserdampf direkt durch die Sonnenwärme oder indirekt durch über Thermoöl, das durch Sonnenlicht erhitzt, erzeugt. Der Wasserdampf wird dann, wie bei konventionellen Kraftwerken auch, zentral auf die Turbine geführt.
Die Kollektoren der Solarfarmen werden wiederum in Parabolrinnenkollektoren und Fresnel-Kollektoren unterschieden.
Die Parabolinnenkollektoren können bis zu 150 m groß sein. Sie bestehen aus nach innen gewölbten Spiegeln, die das Sonnenlicht auf ein Kollektorrohr bündeln, wo es in Wärmeenergie umgesetzt wird, die auf das Medium (Wasser oder Thermoöl) übertragen wird. Die Kollektoren sind in Nord-Süd-Achse ausgerichtet und folgen dem Lauf der Sonne täglich von Ost nach West.
Bei Fresnel-Kollektoren sind flache Spiegelstreifen – wie bei einer Fresnel-Linse –nebeneinander auf dem Boden angeordnet. Die Streifen sind einzeln steuerbar und werden auch jeweils nach er Sonne ausgerichtet. Das gebündelte Sonnenlicht wird auch hier wieder auf ein Absorberrohr gerichtet.
Auch Solarturmkraftwerke sind zumeist Dampfkraftwerke, die den Dampf aus solarer Energie erzeugen. Bei diesem Kraftwerkstyp findet man anstatt der herkömmlichen, fossil befeuerten eine solare Brennkammer auf einem Turm.
Die wird erhitzt, wenn sich bei Sonnenschein hunderte von Spiegeln automatisch so ausrichten, dass sie das Licht auf den Absorber reflektieren. Dadurch entstehen Temperaturen bis zu mehreren 1000 °C, mit denen als Medium entweder Wasserdampf, Heißluft oder flüssiges Nitratsalz erhitzt wird. da man mit diesem Verfahren fast jede beliebige Temperatur erzeugen kann, wird auch bei Solarschmelzöfen verwendet. Der Wirkungsgrad dieser Art von Solarkraftwerken ist wesentlich höher als der der Solarfarmen.
Paraboloidkraftwerke sammeln das Sonnenlicht mit großen Paraboloidspiegeln, die in zwei Achsen drehbar sind. Mit einem Durchmesser von 3 m bis 25 m sind sie sehr kompakt. Jeder Spiegel kann bis zu 50 kW erzeugen.
In Dish-Stirling-Anlagen ist ein Stirlingmotor nachgeschaltet, der die Wärmeenergie sofort in mechanische umwandelt. Diese Kraftwerke eignen sich sehr gut für die Energieversorgung in ablegenden Landstrichen. Auch kann man die einzelnen Module nach Bedarf zu großen Anlagen zusammenschalten. Wirtschaftlich reichen die Paraboloidkraftwerke aber nicht an die Solarfarmen oder Turmkraftwerke heran.
Solarthermische Kraftwerke ohne Bündelung hingegen haben keine nachgeführten Kollektoren. Sie nutzen die Gesamtstrahlung der Sonne zum Beispiel in Solarteich- oder Thermikkraftwerken.
Bei den Solarteichkraftwerken übernehmen flache Salzseen sowohl die Funktion der Sonnenkollektoren als auch die eines Wärmespeichers. Und das funktioniert so:
Weil das Wasser am Grund salzhaltiger ist als in den oberen Schichten hat es eine größere Dichte. Sonnenstrahlen heizen dieses Wasser bis auf 90°C auf. Das erwärmte Wasser kann jedoch aufgrund der unterschiedlichen Dichte nicht aufsteigen und wird somit am Grund gespeichert. Um dieses Wasser jedoch zum Antrieb von Turbinen zu nutzen, muss mit einem Medium gearbeitet werden, dass bei niedrigen Temperaturen verdampft, zum Beispiel Ammoniak. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen ist sehr gering aber sie bedürfen kaum einer Wartung. Trotzdem ist diese Technologie für Drittweltländer interessant, weil so ohne großen Aufwand brachliegende Flächen in heißen, unfruchtbaren Regionen zur Energiegewinnung genutzt werden können.
Thermikkraftwerke, auch Aufwindkraftkraftwerke genannt, machen sich die Tatsache zu Nutze, dass warme Luft nach oben steigt. Unter einen flachen Glasdach wird Luft durch Sonneneinstrahlung erwärmt und strömt zu einem Kamin in der Mitte der Anlage. Die aufsteigende warme Luft treibt Turbinen an, die an einen Generator zur Stromerzeugung gekoppelt sind. Solche Kraftwerke sind sehr einfach zu erstellen, doch leider hat eine solche, auf dem Kamineffekt basierende Anlage nur einen Wirkungsgrad von höchstens 1 %.
Bisher nur in der Theorie existieren Fallwindkraftwerke. Quasi als Umkehrung zu den Aufwindkraftwerken soll hier der Luft auf der Spitze eines hohen Turm durch Berieselung mit Wasser Energie entzogen werden. Die Verdunstungskälte und das Gewicht des Wassers würden die Luft abkühlen und nach unten fallen lassen, was dann wiederum Turbinen antreiben soll. Wie bei den Aufwindkraftwerken müsste jedoch der Turm eine Höhe von mehr als 1000 m haben, damit nennenswerte Leistung mit diesen Kraftwerken produziert werden kann.
aktuelle Anwendungsbeispiele
Naturgemäß sind Solarkraftwerke nur in sonnenreichen Regionen einsetzbar. In Almeria in Spanien wurde 1980 eine Demonstrationsanlage mit 500 kW elektrischer Leistung errichtet. Am Rande der Wüste Desierto de Tabernas sind auf 100 ha 20000 m² Spiegelfläche auf Parabolrinnenkollektoren installiert.
Das größte Solarkraftwerk Europas wird seit 2006 in Andalusien gebaut. Es soll nach Fertigstellung 50 MW erzeugen.
In Australien unterstützen Fresnel-Kollektoranlagen seit 2004 die Dampferzeugung in einem Kohlekraftwerk. Die Anlage liegt rund 250 km nordwestlich von Sydney und soll einmal 15 MWh erzeugen. Dazu werden die Sonnenstrahlen durch ein 1800 m² großes Spiegelfeld gebündelt. Durch direkte Erhitzung wird dort bis zu 285°C heißer Dampf erzeugt.
Aber auch in Deutschland versucht man es mit der Solarenergie:
in Jülich wurde im Juli 2006 mit der Errichtung eines solarthermischen Demonstrations- und Versuchskraftwerks begonnen. Bereits 2008 soll die Anlage 1,5 MW Leistung erbringen. Durch einen neuartigen Wärmespeicher will man das Kraftwerk unabhängiger von der Sonneneinstrahlung machen. Auch soll das Kraftwerk mit Biomasse betrieben werden können, wenn die Sonne gar nicht scheinen will.
Vorteile / Nachteile
Grundsätzlich sind Solarkraftwerke nur da wirtschaftlich sinnvoll, wo in ausreichendem Maße Sonnenlicht zur Verfügung steht. Da steht diese Energie aber bekanntlich unendlich zur Verfügung. Einfache und damit auch preisgünstige Technologien haben einen geringen Wirkungsgrad. Will oder muss man mehr Energie erzeugen, braucht man Anlagen von gewisser Größe und Komplexität, was auch wieder höhere Wartungskosten bedeutet.
Von allen bisher vorgestellten Arten zur Energieerzeugung ist diese jedoch ohne Frage die umweltverträglichste.
Übrigens
Schon im Jahre 1912 wurde Solarenergie genutzt. In Ägypten wurden damals Parabolrinnen zur Dampferzeugung eingesetzt. Die Kollektoren hatten eine Länge von über 60 m und eine Gesamtfläche von 1200 m². Sie erzeugten den nötiogen Dampf für eine 45 kW-Motorpumpe.
Auch die Deutschen experimentieren mit der Energie aus der Sonne. Der Deutsche Reichtstag hatte 1916 für eine Demonstrationsanlage in Deutsch-Südwest-Afrika 200.000 Reichsmark bewilligt. Jedoch vereitelte der Erste Weltkrieg die Fertigstellung.
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