Solarenergie-Innovation Das Solarturmkraftwerk sinnvoll weitergedacht

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Sonnenwärmekraftwerke können einen entscheidenden Beitrag zum Umstieg auf erneuerbare Energien darstellen, allerdings gab’s bei sogenannten Solarturmkraftwerken bislang Einschränkungen. Ein neuer Designansatz will die Nachteile aushebeln und in Vorteile verwandeln.

Auf der Suche nach erneuerbaren, umweltverträglichen Energien sind Wissenschaftler bereits auf Ideen gekommen, bei denen sich manch einer vielleicht gefragt hat, ob das Konzept wirklich von Anfang bis Ende durchdacht wurde. Dieser Gedanke kann beim ursprünglichen Entwurf Solarturmkraftwerks aufkommen. Ein Solarturmkraftwerk ist ein Dampfkraftwerk, dessen Dampf solar erzeugt wird, statt mit fossilen Ressourcen in der Brennkammer.

Kurz erklärt: Bei Sonnenschein werden zahlreiche – hunderte bis zehntausende, je nach Größe des Kraftwerks – Heliostaten, eine Spiegelvorrichtung, automatisch so ausgerichtet, dass das einfallende Sonnenlicht auf einen zentralen Receiver an der Spitze eines Turms. Dort werden mehrere tausend Grad Celsius erreicht, was übrigens auch in Solarschmelzöfen genutzt wird. Im Falle des Solarturmkraftwerks wird die Wärme im Receiver über eine Turbine zur Stromerzeugung genutzt. 

Das Wärmeträgermedium im Receiver, meistens flüssiges Nitratsalz, Wasserdampf oder Heißluft, erzeugt Dampf, der wiederum die Turbine antreibt und danach abgekühlt wird. Ein solches Solarturmkraftwerk steht etwa auf dem Gelände des Solar-Instituts Jülich. Interessant ist dabei, dass solche Kraftwerke auch für die Herstellung von Wasserstoff genutzt werden könnten. 

Es wird heiß im Solarturm

Solarturmkraftwerke können seit ihrer ersten Konstruktion im Jahr 1982 inzwischen auf wirtschaftliche Weise Solarstrom zur Verfügung stellen. Im Vergleich zu dem Platz, den ein Solarturmkraftwerk einnehmen kann, ist die Leistung jedoch häufig gering, denn schließlich ist das Konzept auf die Einstrahlung der Sonne angewiesen.

Entsprechend wurde die erste Anlage in Spanien errichtet. Das größte Kraftwerk dieser Art steht in der Mojave-Wüste in Kalifornien an der Grenze zu Nevada, das Ivanpah Solar Electric Generating System. 173.500 Heliostaten fokussieren auf drei Feldern die Sonnenstrahlung auf ihre jeweiligen Solartürme und liefern eine Nennleistung von 392 MW.

Das ist Berichten zufolge genug Energie für rund 140.000 Haushalte und bis zu seiner 30-jährigen Lebensdauer soll die Anlage 13,5 Millionen Kohlenstoffdioxid einsparen, die Abgase von zwei Millionen Autos. Aber vielleicht kann es effizienter gehen?

Fortschritt und Flexibilität für mehr Effizienz

Es gibt inzwischen einige Konzepte, die das Solarturmkraftwerk unabhängiger vom Sonneneinfall machen sollen. Der Bau des Solarturmkraftwerks in Jülich, das seit der Übernahme durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Jahr 2011 hauptsächlich für die Forschung eingesetzt wird, wurde ohnehin kritisiert, weil Deutschland nicht unbedingt für die hohe Menge an Sonnenschein bekannt ist.

Dabei gibt es in dem Solarturm einen Wärmespeicher, der Schwankungen im Leistungsangebot der Sonneneinstrahlung ausgleicht, damit die Stromerzeugung im Kraftwerk unabhängiger von der Einstrahlung und verbrauchsorientierter vonstattengeht. Oder kurz gefasst: Der Speicher treibt die Turbine an, wenn die Sonne mal nicht strahlt. Gleichzeitig, so die Forschenden des Solar-Instituts Jülich, das an die FH Aachen angeschlossen ist, lassen sich in der Anlage neben Strom auch Wärme und Wasserstoff herstellen. Auch könne man (laut Wikipedia) das Kraftwerk in Überbrückungsphasen mit Biomasse betreiben.

Forschungen für mehr Effizienz eines Solarturmkraftwerks beschäftigen auch Mitarbeitende der School of Engineering Technology an der Al Hussein Technical University in Amman, Jordanien und des Chemical Engineering Departments der Qatar University. Emad Abdelsalam, Fares Almomani und Shadwa Ibrahim haben im August 2023 ein Konzept für ein Zwillingsturm-Design für ein Solarturmkraftwerk vorgelegt, das Ende November bei Science Direct veröffentlicht wurde.

Der Zwillingsturm für Dauerbetrieb

Vorab gesagt: Der Aufbau eines Solarturmkraftwerks nimmt Jahre in Anspruch und ist zudem recht kostspielig. So eine Anlage wird nicht eben im Handumdrehen errichtet und so stützen sich die Untersuchungen und Ergebnisse des Forscherteams aus Jordanien und Katar vornehmlich auf mathematische Simulationen. „Traditionelle Solarturmkraftwerke arbeiten nur tagsüber, da sie von Sonnenstrahlung abhängig sind, um Elektrizität zu erzeugen. Daher sind Energieproduktivität, Effizienz und Leistung begrenzt“, so die Forschenden.

Der Ansatz des Teams, um die Produktivität eines solchen Kraftwerks zu erhöhen, ist die Kombination eines traditionellen solares Aufwindsystem durch Kombination mit einer Abwindtechnologie in einer Anlage, das Twin-Technology Solar System oder kurz TTSS. Der Aufbau umfasst zwei konzentrische innere und äußere Solartürme, Turbinen, Wasserberieselung und einen Kollektor.

„Der innere Turm funktioniert wie ein herkömmliches solares Aufwindsystem, bei dem die Luft unter dem Kollektor durch die Sonneneinstrahlung erwärmt und dann durch die Drucksäule in den Schornstein befördert wird“, erklärt das Team. „Der äußere Turm hingegen erzeugt einen Abwind, indem er Wasser auf die heiße Umgebungsluft an der Spitze des Turms sprüht. Die heiße Luft nimmt das Wasser sofort auf und sinkt den Turm hinab, um mit den Turbinen am unteren Ende zu interagieren und Strom zu erzeugen. Dieser Modus ist unabhängig von der Sonneneinstrahlung und kann Tag und Nacht betrieben werden.“ So soll das TTSS zur Tag- und zur Nachtzeit Energie generieren.

Mehr Leistung prognostiziert

Das mathematische Modell zur Anlage wurde auf der Grundlage der Energie- und Massenbilanzgleichungen entwickelt. Demzufolge würde das TTSS mehr als 750.000 kWh im Jahr produzieren, was 2,14-mal mehr als die Leistung eines „normalen“ Aufwindsystems wäre. Das würde wiederum einer Einsparung von knapp 700 Tonnen CO₂ entsprechen.

Weitere Forschungen sollen in Zukunft herausfinden, ob sich die Effizienz des Solarturmkraftwerks mit anderen Technologien weiter erhöhen lässt. Der Haken an der Sache: Ein Solarturmkraftwerk braucht am Ende des Tages immer noch viel Platz und funktioniert in trockenen, heißen Regionen immer noch am besten. 

Die besten Standorte für solche Anlagen wären in abgelegenen Gegenden, doch dort muss oft erst die Infrastruktur angelegt werden. So heißt es, dass Bright Source Energy, einer der Betreiber und Inhaber von Ivanpah Expansionspläne hat, Genehmigungsvorgänge sich allerdings in die Länge zögen. (sb)

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