"Solarthermische Kraftwerke - Beitrag der Chemie"

Felix Major

Neben der Windkraft und der Photovoltaik stellen vor allem solarthermische Kraftwerke eine wichtige Technologie dar, um künftig elektrischen Strom in großen Mengen aus erneuerbaren Energien zur Verfügung zu stellen. Solarthermische Kraftwerke nutzen hochkonzentrierende Spiegelsysteme zur Umwandlung von direkter Solarstrahlung in Wärme, mit der eine konventionelle Dampfturbine zur Stromerzeugung angetrieben wird. Unter direkter Solarstrahlung versteht man das Sonnenlicht, welches nicht durch Wolken oder Staub in der Atmosphäre abgelenkt wird, sondern die Erdoberfläche weitgehend ungestört erreicht.
Das Bündeln der direkten Solarstrahlung wird auch als "Concentrated Solar Power" (CSP) bezeichnet - dieses Konzept ist nicht neu, sondern seit über einem Jahrhundert bekannt und wird bereits seit dem Einknicken des Ölpreises Mitte der 80er-Jahre wirtschaftlich genutzt. Die ersten groß angelegten solarthermischen Kraftwerke wurden in der kalifornischen Mojave-Wüste errichtet und haben sich seitdem im Betrieb bewährt. Typische Regionen für den Einsatz von solarthermischen Kraftwerken sind Gebiete mit ähnlich hoher oder sogar noch höherer direkter Solarstrahlung, wie z.B. Südspanien, Nordafrika, Australien oder der Nahe und Mittlere Osten. In unseren Breiten erschweren der hohe Anteil an diffuser Strahlung sowie die insgesamt niedrigere Einstrahlung den wirtschaftlichen Einsatz dieser Technologie.
Von den heute zur Verfügung stehenden CSP-Technologien (Parabolrinnen-, Solarturm-, Fresnel- und Dish-Stirling-Anlagen) sind die Parabolrinnenanlagen die einzigen langjährig kommerziell erprobten Kraftwerke. Daher stellen sie heute die Mehrzahl an gebauten und projektierten Solarkraftwerken mit einer üblichen elektrischen Leistung von 50 Megawatt (projektiert ist aber auch ein Kraftwerk mit einer Leistung von 280 MW). Es wird jedoch erwartet, dass die anderen Technologien, allen voran die Solartürme, weiterentwickelt werden und in Zukunft auch einen relevanten Beitrag zur Stromerzeugung mittels CSP liefern werden.

Abbildung 1:Parabolrinnenkraftwerk in Kalifornien/USA, Kramer Junction (Quelle: Wikipedia)

Prinzip eines Parabolrinnenkraftwerkes

Das Schema eines Parabolrinnenkraftwerks ist in Abbildung 2 dargestellt. Das Kernstück des Kraftwerks ist das Solarfeld, welches aus vielen parallel angeordneten Reihen von Solarkollektoren besteht, die in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sind. Im Tagesverlauf werden die Kollektoren entsprechend des Sonnenverlaufs von Osten nach Westen nachgeführt. Die Reflektoren bestehen aus parabolisch geformten Spiegeln, die das Sonnenlicht auf ein in der Kollektor-Brennlinie liegendes Absorberrohr bündeln. Durch dieses Rohr zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf ein Wärmeträgermedium, meistens ein temperaturbeständiges, synthetisches Öl, das auf bis zu 400 °C erhitzt wird. An dieser Stelle kommt eine eutektische Mischung der organischen Verbindungen Diphenyl (26.5 Gew.-%) und Diphenyloxid (73.5 Gew.-%) zum Einsatz, welche über einen niedrigen Schmelzpunkt (12 °C) und einen vergleichsweise hohen Siedepunkt (ca. 258 °C) verfügt. Diese Eigenschaften sind vor allem deshalb wichtig, weil man zum einen ein Erstarren in den Rohren, z.B. in kalten Nächten, verhindern und zum anderen einen möglichst geringen Betriebsdruck bei der Maximaltemperatur (ca. 11 bar bei 400 °C) realisieren möchte. - Nach dem Erhitzen des Öls im Solarfeld wird es zum Kraftwerksblock gepumpt, wo es durch Wärmetauscher fließt, um Heißdampf zu erzeugen. Dieser Dampf wird dann in Analogie zu konventionellen Kraftwerken in einem klassischen Dampfkreislauf zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet. Wie herkömmliche Kraftwerke auch, bedürfen solarthermische Kraftwerke einer Kühlung am "kalten" Ende des Dampfturbinenprozesses. Diese wird üblicherweise durch Kühlung mit Kühlwasser erreicht, sofern Wasser zur Verfügung steht. Alternativen zur nassen Kühlung, z.B. eine trockene Kühlung mittels Luft oder Hybridkühlverfahren, werden derzeit für Standorte ohne ausreichende Mengen an Kühlwasser weiterentwickelt.

Abbildung 2: Schema eines Parabolrinnenkraftwerkes

Ein wesentlicher Vorteil von solarthermischen Kraftwerken im Vergleich zu anderen Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien ist die Möglichkeit, die absorbierte Sonnenenergie in Form von Wärme zu speichern. Hierbei wird ein Teil der im Solarfeld erzeugten Wärme nicht an den Dampfkreislauf abgegeben, sondern in einem sensiblen Wärmespeicher gespeichert (sensible Wärme = fühlbare Wärme). Dieses Prinzip ähnelt sehr dem Prinzip einer Thermoskanne, nur mit dem Unterschied, dass in einem solarthermischen Kraftwerk Wärme auf einem Temperaturniveau von ca. 390 °C gespeichert wird. Dieses wird durch den Einsatz einer flüssigen Salzmischung, bestehend aus 60 Gew.-% Natriumnitrat und 40 Gew.-% Kaliumnitrat (Schmelzpunkt: ca. 238 °C), realisiert. Der Wärmespeicher wird dadurch geladen, dass die flüssige Salzmischung tagsüber von einem "kalten" Tank (ca. 290 °C) durch einen an das Solarfeld angekoppelten Wärmetauscher in einen "heißen" Tank (ca. 390 °C) gepumpt wird. Für ein Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 50 Megawatt sind rund 28.500 Tonnen der Salzmischung erforderlich, um die Kraftwerksturbine für etwa 7.5 Stunden weiter betreiben zu können. Auf diese Weise kann ein Betrieb auch nach Sonnenuntergang oder bei Wolkendurchgang gewährleistet werden und die jährlichen Betriebsstunden unter Volllast können nahezu verdoppelt werden. Allerdings muß das Solarfeld eines Kraftwerks mit Speicher deutlich größer ausgelegt werden als ein entsprechendes Kraftwerk ohne Speicher, da gleichzeitig der Speicher geladen und die Turbine unter Volllast betrieben werden muß. Ausgewählte technische Daten zu den Parabolrinnenkraftwerken Andasol 1-3, die in der spanischen Provinz Granada gebaut wurden bzw. derzeit im Bau sind, sind in Tabelle 1 dargestellt.

Lage 
StandortProvinz Granada, Spanien; 1.100 m über NN
Jährliche Direktnormal-Strahlung2.136 kWh/m2·a
Geländeca. 195 Hektar (1.300 m × 1.500 m)
Solarfeld 
Solarfeldgröße510.120 m2
Anzahl der Parabolspiegel209.664 Spiegel
Anzahl der Absorberrohre22.464 Rohre, jeweils 4 m lang
Wirkungsgrad Solarfeldca. 70 % Spitzenwirkungsgrad; ca. 50 % Jahresmittel
Wärmespeicher28.500 t NaNO3/KNO3 (60:40) für 7,5 Volllast-Stunden
Kraftwerksleistung 
Turbinenleistung49,9 MW
Jährliche Betriebsstundenca. 3.500 Volllaststunden
Prognostizierte Brutto-Strommengeca. 180 GWh
Wirkungsgrad Gesamtanlageca. 28 % Spitzenwirkungsgrad; ca. 15 % Jahresmittel
Geschätzte LebenserwartungMindestens 40 Jahre
Tabelle 1: Angaben zu Parabolrinnenkraftwerken vom Typ Andasol (Quelle: Solar Millenium AG, 2008)

Beiträge der Chemie im Bereich CSP - heute und morgen

Bereits heute werden viele Parabolrinnenkraftwerke mit einem thermischen Wärmespeicher geplant und gebaut. Wie bereits oben erwähnt, wird für die Wärmespeicherung eine Mischung aus Natrium- und Kaliumnitrat als Medium verwendet, welche sich durch sehr gute thermochemische Eigenschaften auszeichnet und bis zu Temperaturen von ca. 550 °C chemisch stabil ist.
Bei BASF werden seit Jahrzehnten analoge Salzmischungen in sogenannten Salzbadreaktoren (Reaktoren mit Flüssigsalz zum Wärmetransport) in technischen Verfahren, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Acrylsäure, verwendet. Hierbei hat sich herausgestellt, dass sehr geringe Korrosionsraten an den eingesetzten Werkstoffen beobachtet wurden, wenn synthetische Nitratsalze eingesetzt wurden. Daher kann BASF mit dem auf synthetischem Wege hergestellten Natriumnitrat dazu beitragen, die Flüssigsalzspeicher in solarthermischen Kraftwerken für lange Zeit sicher zu betreiben.
Die Effizienz künftiger Parabolrinnenkraftwerke kann vor allem dadurch gesteigert werden, dass eine Alternative zum heute verwendeten Wärmeträgeröl eingesetzt wird, welches aufgrund beginnender thermischer Zersetzung nur bis maximal 400 °C eingesetzt werden kann. Eine Erhöhung der Betriebstemperatur bedingt unmittelbar einen höheren Wirkungsgrad der gesamten CSP-Anlage und trägt dazu bei, dass die Stromerzeugung mit solarthermischen Anlagen in Zukunft mit konventioneller Stromerzeugung wirtschaftlich konkurrieren kann.

Schlauer Fuchs

Unser Schlauer Fuchs diese Woche ist Hans K. aus Stuttgart. Zur Frage:

Wie viele Tonnen einer im Beitrag erwähnten Salzmischung sind für ein solarthermisches Kraftwerk von 50 Megawatt erforderlich, um die Kraftswerksturbine für etwa 7,5 Stunden weiter betreiben zu können?

Schickte er uns die erste richtige Antwort.
Bitte sehen Sie bis zur Veröffentlichung des nächsten Beitrags mit einer neuen Frage von einer E-Mail-Antwort an schlauerfuchs@gdch.de ab.


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Dr. Felix Major
Chemicals Research and Engineering
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