Die konzentrierende Solarthermie (engl. Concentrated Solar Power, CSP bzw. Concentrated Solar Thermal, CST) liefert grünen Strom, grüne Wärme und grünen Wasserstoff. Die Technologie ist ausgereift und verfügt über eine globale Erfolgsbilanz von mehr als drei Jahrzehnten. Weltweit sind mehr als 6,6 Gigawatt Leistung aus CSP-Kraftwerken installiert.
Das primäre Produkt von CSP-Anlagen ist Wärme, die durch die Konzentration von Sonnenlicht gewonnen wird. Diese Wärme kann sehr unterschiedlich genutzt werden.
Die geläufigste Anwendung ist Strom, der in einem solarthermischen Kraftwerk erzeugt wird. Ein CSP-Kraftwerk funktioniert wie ein traditionelles Dampfkraftwerk, das heißt, es produziert Dampf für den Betrieb einer Turbine, die über einen Generator Strom erzeugt.
Die konzentrierende Solarthermie nutzt als Rohstoff das Licht der Sonne. Die Lichtstrahlen werden mit Hilfe von Spiegeln, die sich nach dem Verlauf der Sonne ausrichten gebündelt und auf einen bestimmten Punkt oder auf eine Brennlinie gelenkt. Dadurch wird die Lichtenergie effektiv konzentriert. Diese Konzentration erzeugt Wärme, wie bei einem Brennglas. Daher der Name: Konzentrierende Solarthermie. Die Wärme kann direkt genutzt werden oder über Wärmetauscher einen Wasser-Dampf-Kreislauf versorgen, in dem mittels Dampfturbinen Strom erzeugt wird.
Funktionsweise eines solarthermischen Kraftwerks, hier gezeigt für ein Solarturmkraftwerk
Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum DLR 2021
In der Praxis kommen drei verschiedene Techniken für die Konzentration der Solarstrahlung zum Einsatz:
Drei verschiedene Techniken für die Konzentration der Solarstrahlung: Solartürme, Parabolrinnen, Linear-Fresnel-Systeme.
DCSP
Bei Solarturmkraftwerken lenken Spiegelflächen, die auf zwei Achsen dem Verlauf der Sonne folgen, das Sonnenlicht auf einen zentralen Strahlungsempfänger (Receiver), der hoch auf einem Turm angebracht ist. Ein Medium nimmt dort die Wärme auf. Als Medium wird üblicherweise flüssiges Salz verwendet. Andere Medien mit bislang geringerer kommerzieller Bedeutung sind Luft, Wasser und Thermoöle. Das Medium transportiert die Energie der Sonnenstrahlung in den Wärmespeicher und weiter zum Kraftwerkskreislauf. Die Spiegelflächen, auch Heliostate genannt, sind bis zu 200 Quadratmeter groß. In kommerziellen Kraftwerken sind mehrere tausend Stück davon im Halbkreis oder kreisförmig auf den Solarturm ausgerichtet. Ihre starke Strahlungskonzentration erzeugt am Receiver Oberflächentemperaturen, die das Wärmeträgermedium auf rund 600 °C erwärmen.
Parabolrinnenkraftwerke wurden bisher kommerziell am häufigsten realisiert. Parabolisch geformte Spiegelrinnen, auch Kollektoren genannt, werden hier auf einer Achse mit Hilfe hydraulischer Antriebe dem Lauf der Sonne nachgeführt. Sie fokussieren die Lichtstrahlen im Brennpunkt der Spiegelrinne auf ein Absorberrohr, das im Abstand des hal- ben Spiegelradius längs durch die Rinne verläuft. Die Energie aller einfallenden Lichtstrahlen vereinigt sich in dieser Brenn- linie, wodurch die Lichtenergie effektiv konzentriert wird. In diesem Absorberrohr nimmt ein spezielles Thermoöl oder ein Fluid aus anderem Material die Wärme auf. Ein Pumpen- system leitet die hoch erhitzten Fluide in den Wärmetauscher, der an einen Wasser-Dampfkreislauf angeschlossen ist.
Die Absorberrohre sind das Herzstück der Kollektoren: Eine optisch selektiv wirkende Beschichtung auf dem Rohr absorbiert das sichtbare Licht und hemmt gleichzeitig die Ab- strahlung von Wärme. Das Absorberrohr ist von einem etwas größeren Glasrohr umgeben, und ähnlich wie bei einer Thermoskanne gibt es zwischen den beiden Rohren ein Vakuum. Dadurch werden die Wärmeverluste durch Abstrahlung er- heblich reduziert.
Die Kollektoren sind bis zu sieben Meter breit und bis zu 200 Meter lang. Die heute kommerziell eingesetzten Thermoöle in den Receivern erlauben eine Betriebstemperatur bis 430 °C. Es werden zurzeit neue Medien erforscht und erprobt, die schadlos höhere Temperaturen aufnehmen können, z. B. Flüssigsalze mit bis zu 600 °C Betriebstemperatur.
Fresnel-Kollektoren funktionieren ähnlich wie Parabolrin- nen. Der konzentrierende Spiegel ist hierbei jedoch in lang- gestreckte, einzelne Facetten zerlegt, die sich ebenfalls nach dem Stand der Sonne richten. Sie befinden sich in einigem Abstand horizontal angeordnet über dem Boden. Das Absorberrohr ist oberhalb der Spiegel angebracht. Die Gestelle, von denen sie gehalten werden, sind ortsfest installiert. Diese Bauart ist sehr robust und kann deshalb hohen Windlasten widerstehen; außerdem sind kleine Bauweisen möglich, was auch die Aufstellung auf Flachdächern erlaubt. Die spezielle Kollektorgeometrie zieht einen geringeren optischen Wir- kungsgrad nach sich, der aber durch niedrigere Kollektorkosten kompensiert wird.
Eine wichtige Komponente solarthermischer Kraftwerke ist der integrierte thermische Speicher. CSP ist in der Lage, Energie aus der Sonnenstrahlung zunächst in thermische Energie umzuwandeln. Diese Wärme kann man, je nach genutztem Wärmetransfermedium (Heat Transfer Fluid HTF) entweder speichern oder auch direkt zur Wärme- oder Stromerzeugung nutzbar machen. Die thermische Energiespeicherung ermöglicht damit eine Nutzung der Sonneneinstrahlung an 24 Stunden am Tag. CSP lässt gleichsam die Sonne auch nachts scheinen. Die Wärme der Sonne macht’s möglich.
Funktionsweise eines integrierten CSP-PV-Hybridkraftwerks
TSK Flagsol Engineering GmbH
Zunehmend bedeutsam werden Hybridkraftwerke, in denen solarthermische Kraftwerke mit PV oder anderen Technologien gekoppelt werden: Während der Sonnen-stunden liefern PV-Kraftwerke günstigen Solarstrom. Gleichzeitig speisen CSP-Kraftwerke die Wärme in thermische Speicher ein. Nach Sonnenuntergang steht diese dann für die Stromerzeugung bereit. Durch die Kombination der beiden Solartechnologien kann regelbarer und preisgünstiger Grünstrom erzeugt werden.
Konzentrierende Kollektorsysteme produzieren regelbare Wärme zwischen 50 und etwa 430 °C Betriebstemperatur. In dieser Spanne können die Anlagen selbst in Deutschland grüne Prozesswärme sowie Nah- und Fernwärme bereitstellen. Dank Integration von Wärmespeichern kann ein hoher solarer Deckungsgrad von bis zu 65 – 75% erreicht werden. Die Hybridisierung einer solarthermischen Anlage ermöglicht die ganzjährige Bereitstellung von erneuerbarer Wärme.
Um Wasserstoff zu einem bedeutenden Faktor von Energie- und Wärmewende zu machen, muss zu seiner Produktion erneuerbarer Strom zu geringsten Kosten zur Verfügung stehen. Die Umwandlungs-wirkungsgrade müssen möglichst hoch sein und die Anlagen für Stromerzeugung und Elektrolyse müssen möglichst rund um die Uhr ausgelastet werden. Hier kann die CSP mit ihrer Möglichkeit, günstige Energie 24/7 zu liefern, einen entscheidenden Beitrag leisten.
Der Beitrag von CSP zur Wasserstoffproduktion
Modifizierte Darstellung nach Herbert Smith Freehills
