Sonnenwärme effektiv genutzt

Dr. Jürgen Weinerth

Innerhalb von sechs Stunden empfängt unsere Erde soviel Sonnenenergie, um den globalen Energiebedarf eines Jahres zu decken. Diese Sonnenenergie nutzen solarthermische Kraftwerke zur Stromerzeugung. Das technisch nutzbare Potenzial solarthermischer Stromerzeugung ist um Dimensionen größer als der weltweite Stromverbrauch. Im Unterschied zu Photovolta-ikanlagen kann ein solarthermisches Kraftwerk nach heutigen Planungen Strom im Bereich von 50 bis 250 Megawatt (MW) produzieren. Wird zusätzlich ein thermischer Speicher (vorzugsweise mit Salzschmelze) integriert, kann Strom sogar nach Sonnenuntergang erzeugt und planbar bereitgestellt werden.

Bei solarthermischen Kraftwerken handelt es sich um einen Sammelbegriff für verschiedene Technologien. So wird zwischen konzentrierenden Systemen, die das Sonnenlicht mit Hilfe von Spiegeln bündeln, wie Parabolrinnen-, Fresnel-, Turmkraftwerken oder Solar-Dishes, und nicht konzentrierenden Anlagen unterschieden. Bei konzentrierenden Systemen wird die gewonnene Wärmeenergie bei Temperaturen weit über 100 °C in der Regel an einen Dampfkreislauf abgegeben. Der Dampf wird dann in einer Turbine zur Stromgewinnung genutzt. Bei den nicht konzentrierenden Systemen werden keine Spiegel eingesetzt; Beispiel hierfür ist ein Aufwindkraftwerk. Hier wird die Luft von der Sonne erwärmt und steigt in einem Schornstein auf. Eine oder mehrere Turbinen erzeugen aus dieser Luftströmung elektrischen Strom.

Solarthermische Kraftwerke weisen eine sehr gute Ökobilanz auf. Auch im Vergleich zu anderen regenerativen Energien ist die Energierückgewinnungszeit mit fünf Monaten gering. Die Parabolrinnen-Technologie hat unter den CSP-Technologien (CSP – Concentrated Solar Power) den geringsten Materialbedarf und zudem einen erheblich geringeren Flächenbedarf als Biomasse, Windenergie und Wasserkraft – von Staudämmen im Hochgebirge abgesehen. Es entsteht kaum Landnutzungskonkurrenz, da sie allein in den Trockenzonen der Erde zwischen 35° nördlicher und südlicher Breite errichtet werden kann. In Parabolrinnenkraftwerken wird das Sonnenlicht über Spiegelanordnungen konzentriert. In dem Brennfleck oder der Brennlinie befindet sich ein Strahlungssammler, ein sogenannter Receiver, der die Flüssigkeit (Salzschmelze oder Wärmeträgeröl) in einem Primärkreislauf erwärmt. Mit dieser Wärme wird in einem Sekundärkreislauf Dampf erzeugt, der dann eine Dampfturbine mit einem Generator antreibt. Eine permanente Stromversorgung kann durch einzelne Kraftwerke nur mit einer Zwischenspeicherung der Wärme erfolgen, mit der die Nacht überbrückt wird. Die sehr gute Wärmespeicherfähigkeit von Salz bietet auch hier eine Lösung, um den Wirkungsgrad dieser Anlage erheblich zu steigern. In Solarturmkraftwerken wird die Sonnenstrahlung durch ein großes Feld einzeln nachgeführter Planspiegel, sogenannte Heliostaten, auf einen Turm fokussiert. Ein dort angebrachter Receiver absorbiert die Strahlungsenergie und gibt die Energie an ein Wärmeträgermedium ab. Der weitere Prozess läuft vergleichbar mit dem Parabolrinnensystem ab.

Salzschmelzen werden bereits seit vielen Jahren vor allem in großtechnischen chemischen Anlagen in einem Temperaturbereich zwischen 180 bis 450 °C zur Wärmeübertragung und -speicherung eingesetzt. Bei besonderen Anwendungen erreichen die Temperaturen auch 560 °C. Dabei erfordert die Herstellung von Pumpen für Hochtemperaturanwendungen ein hohes Maß an Abstimmung zwischen Konstruktion, Werkstoff und intelligenter Anlagentechnik.

Eines der neuen solarthermischen Kraftwerke, das sogenannte Archimede-Projekt, wird in Sizilien als Demonstrationsanlage gebaut. Dieses Projekt wurde von einem Konsortium bestehend aus dem italienischen Energiekonzern ENEL und ENEA, der italienischen nationalen Forschungs- und Entwicklungseinrichtung für neue Technologien, Energie und Umwelt, entwickelt. Im März 2007 haben ENEL und ENEA einen Vertrag zum Bau der Archimede-Demonstrationsanlage in Priolo Gargallo unterzeichnet. Der Start der Energieproduktion ist für Ende 2009 geplant. Laut den Planungsdaten kann die Anlage 5 MW Solarstrom erzeugen, was einer Einsparung von ca. 7300 t CO2 gegenüber herkömmlichen Kraftwerken entspricht.

Im Juli 2007 hat Friatec – Division Rheinhütte Pumpen den Auftrag zur Lieferung von sechs bis zu 8 m langen Vertikalpumpen zur Förderung von Salzschmelze bei 550 °C erhalten. Die vertikalen Tauchpumpen GVSO, die in dieser zukunftsträchtigen Hochtemperaturanwendung zum Einsatz kommen, werden aus hochwertigen Edelstählen mit speziellem mediumgeschmiertem Gleitlagerkonzept geliefert. Die Pumpen haben sich schon seit Jahren in traditionellen Salzschmelzeanwendungen bewährt. Mit 20 Baugrößen mit bis zu fünf Stufen, Förderleistungen bis 2000 m³/h und Tauchtiefen bis 17 000 mm, bietet dieser Pumpentyp maximale Flexibilität bei der Planung. Auf Anfrage fertigt die Division Rheinhütte Pumpen auch die Baugröße 450/500 mit bis zu 3000 m³/h.

Die Vertikalpumpe wird in ein- oder mehrstufiger Bauart zur Förderung von chemisch aggressiven, auch heißen und verunreinigten Flüssigkeiten, Schmelzen sowie verflüssigten Gasen hergestellt. Die Fördertemperatur der Medien kann von -160 bis +550 °C reichen. Weitere Vorteile bietet de Pumpe durch das mediumgeschmierte Gleitlagerkonzept. Dieses wird speziell auf das Medium und die Bedürfnisse (z.B. Fremdschmierung) entwickelt und abgestimmt. Zudem ist die Pumpe servicefreundlich konzipiert. Ein Austausch der Wälzlagerung kann nach Erreichen der nominellen Lagerlebensdauer über das separate Lagergehäuse in eingebautem Zustand erfolgen. Der Druckflansch ist über die Aufsetzplatte hinaus verlängert, was den Ausbau der Pumpe ohne Demontage der Druckleitung ermöglicht. Mit geschlossenem Laufrad und kompaktem Doppelspiralgehäuse ausgeführt, fördern die Tauchpumpen aggressive, auch verunreinigte Flüssigkeiten und Schmelzen wie Schwefelsäure aller Konzentrationen, flüssigen Schwefel, PSA, Teer und Salzschmelzen.

Online-Info www.cav.de/1009456

Nach Voraussagen der Internationalen Energie Agentur (IEA) wird der globale Energiebedarf bis 2030 um mehr als 50 % steigen. Diese Entwicklung bedeutet eine weitere Gefährdung der Versorgungssicherheit und der Umwelt sowie steigende Energiepreise. Somit nimmt auch das Interesse an erneuerbaren Energien in immer mehr Ländern zu. Solarthermische Kraftwerke sind meistens auf die zentrale Stromerzeugung ausgelegt und sind deshalb überwiegend Großanlagen mit einer Leistung von 50 bis 250 MW.

Die ersten Solarkraftwerke der neuesten Generation sind in den letzten zwei Jahren in den USA und in Spanien ans Netz gegangen, die Inbetriebnahme der Archimede-Testanlage in Italien steht kurz bevor, über weitere konkrete Projekte in den USA, Spanien und Australien laufen momentan detaillierte technische Gespräche. Bewährt sich die Technologie und ist man in der Lage, die Investitionskosten für die Gesamtanlagen weiter zu senken, so hat der Solarstrom das Potenzial, mittel- und langfristig fossil befeuerte Kraftwerke abzulösen.

Das Projekt Desertec – Solarstrom aus der Sahara ist ein weiterer großer ehrgeiziger Schritt, Europa teilweise mit Solarstrom aus der Wüste zu versorgen.