Solarthermische Stromerzeugung

Mohamed Shaalan

Abb.: Grundkonfiguration solarthermischer Kraftwerke:

ein konventionelles Kraftwerk wird alternativ mit Sonnenenergie und Brennstoff betrieben

Ø Einführung:

Solarthermische Kraftwerken, sind Anlagen, die Solarstrahlung in die Wärme wandeln, diese dann in einem thermodynamischen Kreisprozess nutzen und damit elektrische Energie bereitstellen.

· Typen der solarthermischen Anlagen :-

a) Konzentrierende Solarthermischen Anlagen :

Sie sind die Anlagen, die das Sonnenlicht konzentrieren und der letzte Schritt der Energiewandlung Weitgehen wie bei mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken abläuft, d.h. Heißes Gas oder Dampf wird verwendet, um eine Turbine, einen Stirlingmotor, oder allgemein eine Wärme-Kraftmaschine zu betreiben, welche wieder um einen Generator antreibt, der die letztlich gewollte elektrische Energie bereitstellt.

o Unter den konzentrierenden Systemen werden die Anlagen wie folgenden zusammengefasst :-

1) Punktkonzentrierende Anlagen,

- Turm-Solarkraftwerk,

- Dich/ Stirling. bzw. Dish/Brayton-Systeme.

2) Linienkonzentrierende Anlagen,

- Parabolrinnen Kraftwerk,

- Farmkraftwerk.

b) nicht konzentrierende Solarthermischen Anlagen :

- Aufwindkraftwerke,

- Solarteiche.

· Kennzahlen und bisherige realisierte unterschiedlichen solarthermischen Stromerzeugungsanlagen:

Tabelle: Kennzahlen ausgewählter solarthermischer Stromerzeugungstechniken (nach Kaltschmitt) :

^a Größte bisher realisierte Anlage 10 MW; ^b durch Zusammenschalten vieler Einzelanlagen zu einer Farm; ^c größte bisher realisierte Anlage 80 MW; ^d bisher nur Versuchsanlage mit 50 kW, ^e Um Wandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie, Jahresmittelwert vom Standort abhängig; ^f stark Abhängig von Volllaststundenzahl bzw. solarem Vielfachen ; ^g + erfolgreicher Betrieb von Demonstrationsanlagen, ++ kommerzielle Anlagen in Betrieb; KW Kraftwerk

Ø Grundlagen der Energiewandlung :

Abb.: Energiewandlungskette bei der solarthermischen Stromerzeugung ( nach Kaltschmitt )

- Sammeln der solaren Strahlung mit helfe eines Kollektors,

- Konzentrieren der Strahlung auf einen Strahlungsempfänger (Receiver),

- Umwandeln der Strahlungsenergie in Wärme im Receiver,

- Transport der thermischen Energie zur Energiewandler Einheit.

- Umwandeln der thermischen Energie in mechanischen Energie mit Helfe einer Wärme-Kraft-Maschine ( Z.B. Dampfturbine, Stirlingmotor),

- Umwandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie durch einen Generator.

Ø Arten der Solarkraftwerken :-

1) Turm-Solarkraftwerke .

Bei solarthermischen Turmkraftwerken reflektieren die Spiegel, so genannte Heliostaten, die direkte Solarstrahlung auf einen zentral an die Spitze eines Turms (Strahlungsempfänger). Dort wird die Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt und an ein Wärmetransport fluid (Z.B. Luft, flüssiges Salz, Wasser/Dampf) übertragen. Diese Wärme wird verwendet, um eine Turbine und damit einen Generator über einen konventionellen Dampfprozess anzutreiben.

Um konstante Dampfparameter und einen konstanten Dampfmassenstrom auch bei schwankender Solar Einstrahlung zu gewährleisten, kann entweder eine Wärmespeicher in dem System integriert oder eine Zufeuerung mit fossilen Energieträger realisieren werden.

o Ein Turm-Solarkraftwerk besteht aus den folgenden Systemkomponenten :-

- Heliostatenfeld (Spiegelfeld) mit vielen einzelnen Heliostaten,

- Strahlungsempfänger auf einem Turm,

- Wärmeträgerkreislauf mit Turbosatz ( Dampferzeuger, Turbine und Generator) und Kondensator,

- Steuerung und Regelung,

- Energiespeicher und/ oder Zusatzfeuerung auf dem Basis fossiler Energieträger.

A) Komponenten :-

1- Heliostatenfeld :

Das Heliostatenfeld besteht aus einer Vielzahl (mehrere hundert bis einige tausend) von einzelnen Heliostaten.

Heliostaten sind Spiegel, die durch ihre zweiachsige Nachführung immer so ausgerichtet werden, dass die das Sonnenlicht auf einem definierten Punkt im Raum (Receiver) konzentrieren.

Das Heliostatenfeld verursacht über die Hälfte der Kosten des solaren Anlagenteils. Deshalb wurden und werden große Anstrengungen unternommen, Heliostaten mit guter optischer Qualität, hoher Zuverlässigkeit, langer Lebensdauer und gleichzeitig niedrigen flächenspezifischen kosten zu entwickeln.

2- Strahlungsempfänger (Receiver) :

Receiver von Turm-Solarkraftwerken dienen dazu, die von Heliostatenfeld umgelenkte und konzentrierte Strahlungsenergie in Wärme umzuwandeln. Derartige Receiver können nach dem verwendeten Wärmeträgerfluid (Luft, Salz, Wasser/ Dampf oder Flüssigmetall) und der Receivergeometrie (ebene, Hohlraum, zylindrische oder Kegelförmige Rundum -Receiver) unterteilt werden. Heute favorisierte Wärmeträgermedien sind Luft und Salzschmelzen.

Abb.: Funktionsprinzip eines offenen volumetrischen Luftreceivers

nach dem Phoebus -Prinzip

B) Anlagen :-

1- Solar One :

Solar One, eine Turm- Solarkraftwerk mit 10 MW elektrischer Leistung in der kalifornischen Mojawe -Wüste (USA), wurde von 1982 bis 1988 betreiben.

Als Wärmeträgermedium im Receiver wurde hier Wasser eingesetzt.

Bei der Anlage zeigen sich Probleme, den Betrieb bei Wolkendurchgängen aufrechten zu erhalten. Es wird elektrische Leistung ab einer Tagessumme der Direktstrahlung von etwa 4 bis 5 kWh/(m²d) abgegeben. Mit steigender Direktstrahlung nimmt die abgegebene elektrische Leistung zu. Die Schwelle, ab der elektrische Leistung abgegeben wird, wird weitgehend durch die Wasser-Dampf-Rohrreceiver-Technologie bestimmt. Dieser Schwellenwert kann durch die Verwendung von Salzschmelzen gesenkt werden.

2- Solar Two :

Mit dem Ziel, die bei der Anlage Solar One aufgetretenen Probleme zu lösen, wurde das Kraftwerk zur Anlage Solar Two umgebaut.

Als Wärmeträger- und Wärmespeichermedium wurde nun eine Salzschmelze aus 40% Kalium und 60% Natriumnitrat eingesetzt.

o Prinzip des Kraftwerks Solar Two:

Abb.: Prinzipskizze eines Turm-Solarkraftwerkes

mit einer Salzschmelze als Wärmeträger- und Speichermedium ( nach Kaltschmitt )

Salz wird aus einem „kalten“ Salzspeicher auf dem Turm und dort durch den Receiver gepumpt, wo es sich erwärmt. Es gelangt dann in den „heißen“ Tank. Von dort aus wird bei Bedarf Salz (und damit Energie) entnommen und durch einem Dampferzeuger geleitet, der Frischdampf für einen konventionellen Dampfturbinen-Kreisprozess erzeugt. Das im Dampferzeuger abgekühlte Salz gelangt anschließend in den „kalten“ Salzspeicher.

Grundsätzlich lässt sich mit diesem Konzept nicht nur tagsüber, sondern bei entsprechender Größe des Energiespeichers und des Solarfeldes auch 24 Stunden am Tag Strom bereitstellen.

Solar Two produziert eine elektrische Leistung von 10 MW, die durch den in der Anlage vorhandenen Energiespeicher bis zu drei Stunden nach Sonnenuntergang aufrechterhalten werden kann.

3- Phoebus/TSA/PS10 :

Phoebus/TSA/PS10 ist ein Kraftwerkskonzept mit einem offenen volumetrischen Luftreceiver, durch den heiße Luft bereitgestellt wird. Die Heißluft strömt anschließend durch einen Dampferzeuger, in dem überhitzter Dampf bereitgestellt wird, der dann zum Antrieb der Turbine (und damit des Generators) eingesetzt werden kann.

Abb.: Schaltung eines offenen volumetrischen Receivers nach dem Phoebus –Prinzip

mit Kanalbrenner zur Zufeuerung fossiler Brennstoffe (nach Kaltschmitt)

Ein erdgasbefeuerter Kanalbrenner zwischen Receiver und Dampferzeuger führt der Luft zusätzliche Wärme zu, wenn die Sonnenstrahlung zur Erzeugung der gewünschten Dampfmenge nicht ausreicht.

Von 1993 bis 1997 wurde ein derartiger Kreislauf mit einer thermischen Leistung von 3 MW ständig betrieben.

Die Versuchsergebnisse zeigen das sehr gute Zusammenspiel der Komponenten sowie eine geringe thermische Trägheit eines derartigen Systems, die ein schnelles Anfahren ermöglicht. Der einfache Aufbau und der unproblematische Wärmeträger Luft zeichnen diese Technik zusätzlich aus.

4- Aktuelle Entwicklung :

a) Phoebus/TSA/PS10 :

Aufgrund der guten Erfahrungen mit dem Phoebus/TSA/PS10-System wird von einem von Spanien Geführten europäischen Konsortium der Bau und Betrieb einer 10 MW-Anlage mit dem Namen PS10 in Südwestspanien geplant.

b) Solar Tres ( Drei ) :

Hier wird aufgebaut auf dem Know-How aus Bau und Betrieb der Anlage Solar Two (Salz als Wärmeträger und Wärmespeichermedium).Entsprechend heißt dieses Projekt „Solar Tres“ (spanisch für „Solar Drei“).

Dieses Turm-Solarkraftwerk mit Flüssigsalz-Rohrreceiver, das ebenfalls eine elektrische Leistung von 10 MW aufweisen soll, wird auch auf einen ausschließlichen Solar betrieb ausgelegt.

c) Solgate :

Zusätzlich ist ein weiteres Projekt, das Solgate-Projekt, in der Planung.

Diese Pilotanlage eines Turm-Solarkraftwerks mit geschlossenem volumetrischem Receiver mit Sekundärkonzentrator und keramischem Absorber soll bei einer elektrischen Nennleistung von 250 kW im Hybridbetrieb (d.h. kombinierter Betrieb mit Erdgas und Solar) betrieben werden.

2) Dish/Stirling und Dish/Brayton-Systeme :-

Dish/Stirling und Dish/Brayton-Systeme sind punktkonzentrierende solarthermische Stromerzeugungsanlagen.

o Sie bestehen im Wesentlichen aus drei Komponenten :

a- einem parabolische gekrümmten Konzentrator (Dish),

b- einer Receiver,

c- einer Wärmekraftmaschine (Stirlingmotor bzw. Gasturbine) mit angeschlossenem Generator.

o Funktion Prinzip :

Der Parabolkonzentrator wird zweiachsig der Sonne nachgeführt, so dass er die direkte Solarstrahlung auf einen Receiver reflektiert. Die im Receiver in Wärme umgewandelte Strahlungsenergie wird einer Stirlingmaschine oder einer Gasturbine zugeführt, die als Wärme-Kraft-Maschine die Wandlung in mechanische Energie vornimmt. Direkt an der Stirlingmaschine bzw. der Gasturbine ist ein Generator gekoppelt, der die mechanische Energie in die letztlich gewollte elektrische Energie überführt.

Beide Systeme können parallel oder alternativ zusätzlich zur solaren Beheizung mit einem Gasbrenner (Z.B. mit Erdgas oder Biogas) beheizt werden.

A) Komponenten :-

1- Parabolkonzentrator (Dish) :-

Der parabolisch gekrümmte Hohlspiegel (Dish) konzentriert das Sonnenlicht in einem Brennfleck.

Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems wird entscheidend von Konzentrationsverhältnis beeinflusst, das bei heute üblichen Konzentratoren zwischen 1500 und 4000 liegt.

Für einen hohen Systemwirkungsgrad ist ein hohes Konzentrationsverhältnis förderlich.

2- Nachführung :

Die punktkonzentrierenden Parabol-Konzentratoren müssen kontinuierlich über zwei

Achsen dem Lauf der Sonne nachgeführt werden, damit die Sonnenstrahlen immer parallel zur Konzentratorachse einfallen.

3- Receiver :

Der Receiver ist das Bindglied zwischen dem Parabol-konzentrator und der Wärme-Kraft-Maschine.

Seine Aufgabe ist es, einen möglichst hohen Anteil der vom Konzentrator reflektierten Strahlungsenergie zu absorbieren und diese in Form von Wärme an das Arbeitsgas der Wärme-Kraft-Maschine zu übertragen.

Hier treten die höchsten Temperaturen des Systems auf. Derzeit übliche Betriebstemperaturen liegen im Bereich von 600 bis 800 ^oC für das Arbeitsmedium. Die auftretende Drücke im Receivern bewegen sich für Stirlingmaschinen zwischen 40 und 200 bar und für Gasturbinen bei einigen bar.

Abb.: Rohrreceiver für einen solarbetriebenen Stirlingmotor

( nach Kaltschmitt )

4- Wärme-Kraft-Maschine :

Die bereitgestellte thermische Energie kann dann mit Hilfe einer Wärme-Kraft-Maschine in elektrische Energie umgewandelt werden. Hierzu können der Stirlingmotor und der Gasturbine zu Einsatz kommen.

a) Stirlingmotor :-

Der Stirlingmotor gehört zu der Gruppe der Heißgas-Maschinen und arbeitet mit einem geschossenen System, d.h. im Arbeitsspiel wird immer dasselbe Arbeitsgas benutzt.

Der Energiezufuhr erfolgt im Unterschied zu Otto- oder Dieselmotoren durch eine äußere Wärmezufuhr, dieser Funktion macht den Stirlingmotor auch für Solarbetrieb geeignet.

o Arbeitsprinzip des Stirlingmotors :-

Das grundlegende Prinzip des Stirlingmotors besteht auf dem Effekt, dass ein Gas bei einer Temperaturänderung eine entsprechende Volumenänderungsarbeit verrichtet. Der Arbeitsprozess wird durch isotherme Verdichtung des Kalten und isotherme Entspannung des heißen Mediums bei Wärmezufuhr bei konstantem kleinen und Wärmeabfuhr bei konstantem großen Volumen (isochor) dargestellt. Eine periodische Temperaturänderung (und damit ein kontinuierlicher Betrieb) kann dabei erreicht werden, indem das Arbeitsgas zwischen einem Raum mit konstant hoher Temperatur und einem Raum mit konstant niedriger Temperatur hin- und herbewegt wird.

Abb.: Arbeitsweise eines Stirlingmotors

Wird der Kompressionskolben zur geschlossenen Seite bewegen, Strömt das kalte Arbeitsgas durch den Regenerator in den warmen Raum. Dabei gibt der Regenerator isochor die zuvor aufgenommene Wärme an das Arbeitsgas ab „isochor Heiztakt (1)“. Es wird dadurch auf die Temperatur des warmen Raums aufgewärmt und der Regenerator kühlt sich auf die Temperatur des kalten Raums ab. Das sich im warmen Raum befindende Arbeitsgas dehnt sich nun isotherm aus und nimmt dabei Wärme von dem warmen Raum auf „isothermer Expansionstakt (2) “. Durch das expandierende Arbeitsgas wird der Arbeitskolben zur offenen Seite hin bewegt und verrichtet dabei Arbeit. Durchläuft der Arbeitskolben den unteren Totpunkt und wird nun zur geschlossenen Seite hin bewegt, muss das heiße Arbeitsgas durch den Regenerator in den kalten Raum. Dabei wird isochor Wärme von Arbeitsgas an den Regenerator abgegeben „isochorer Kühlkalte (3)“. Das Gas kühlt sich auf die Temperatur des kalten Raums ab und der Regenerator wird auf die Temperatur des warmen Raums erwärmt. Das Arbeitsgas wird anschließend isotherm komprimiert und gibt die dabei entstehende Wärme an den kalten Raum ab „isothermer Kompressionstakt (4)“.

Die für Dish/Stirling-Systeme eingesetzten Maschinen arbeiten mit Helium oder Wasserstoff als Arbeitsgas bei Temperatur von 600 bis 800 ^oC.

b) Gasturbine :-

Der Brayton Prozess wird in einer Gasturbine realisiert. Die komprimierte Luft (Z.B. 3 bar) wird in einem Wärmeübertrager (Rekuperator) auf rund 650 oC vorgeheizt und in Receiver durch die konzentrierte Solarstrahlung weiter auf etwa 900 oC erwärmt. Anschließend strömt das Heißgas durch eine Brennkammer, (hier kann die Luft bei ungenügender Solarstrahlung mit Helfe fossiler Energieträger zusätzlich erhitzt werden).

Nun wird die heiße Luft in einer zweistufigen Turbine entspannt, deren erste Stufe den Kompressor und deren zweite Stufe über ein Getriebe den Generator antreibt. Nach dem Verlassen der Turbine wird das Abgas zur Wärmerückgewinnung durch den Rekuperator geleitet.

Abb.: Funktionsschema des solaren Brayton- Prozesses

Industriell gefertigte Gasturbinen werden derzeit mit Leistungen zwischen 500 kW und 300 MW angeboten.

5- Steuerung und Regelung :

Dish-Systeme werden computergesteuert dem Lauf der Sonne nachgeführt.

B) Anlagen :-

In den letzten Jahren wurden insgesamt sechs Arten von Dish/Stirling-Prototypen entwickelt, die Teilweise zu mehreren Einheiten gebaut und getestet wurden.

Tabelle: Solarthermische Versuchs- und Pilotanlagen ( nach Kaltschmitt ) :

3) Parabolrinnen-Kraftwerke :

Parabolrinnen-Kraftwerke gehören zu den Linien fokussierenden solarthermischen Stromerzeugungsanlagen.

Bei diesen solarthermischen Stromerzeugungs-Technologie konzentriert die reflektierende Oberfläche einer parabolisch gekrümmten Spiegelfläche das Sonnenlicht auf ein entlang der Brennlinie einer Parabel absorberroher.

Abb.: Funktionsprinzip der Strahlungssammlung bei einer Parabolrinnen

Das darin befindliche Wärmeträgermedium wird durch die konzentrierte Solarstrahlung erhitzt und durch Rohre zu einem Dampferzeuger gepumpt, dem eine Dampfturbine mit Generator machgeschaltet ist.

Der Großteil des derzeit erzeugten Solarthermischen Stroms wird in derartigen Parabolrinnen-Anlagen produziert.

Die in der Mojave-Wüste Kaliforniens errichteten neuen SEGS-Anlagen (Solar Electricity Generation Systems) haben eine elektrische Gesamtnennleistung von 354 MW.

A) Komponenten :-

Parabolrinnen-Kraftwerke setzen sich ebenfalls im Wesentlichen aus den Systemkomponenten Kollektor und dem konventionellen Kraftwerksteil zusammen.

1- Kollektor und Absorber :

Es handelt sich bei den Kollektoren um einachsig gekrümmte Parabolrinnen (parabolic troughs), sie müssen auch einachsig der Sonne nachgeführt werden.

Jede Kollektoreinheit verfügt über einen Sonnensensor, der zusammen mit einer Stelleinheit die Lage des Kollektors regelt.

Für die Kollektoren werden Weißglasspiegel mit sehr niedrigem Eisenanteil verwendet. Das Glas ist rückseitig mit einer Silberschicht verspiegelt und mit einer Epoxy-Farbschicht gegen Wetterungseinflüsse geschützt. Keramikscheiben mit eingelassenen Gewindemuttern sind als Halterung auf die Spiegelrückseite aufgeklebt.

Ja nach Ausrichtung der Kollektoren ist die Leistung im Jahresverlauf nicht konstant.

Die einzelnen Kollektoren werden zu mehrere hundert Meter langen parallelen Strängen zusammengeschaltet.

Diese Kollektoren reflektieren das eintreffende direkte Sonnenlicht auf eine Brennlinie.

Hier befindet sich das Absorberroher, in dem die Umwandlung in Wärme und die Übertragung diese Energie an ein Wärmeträgermedium realisiert wird. Vor allem wegen der über Umfang und Länge nicht gleichmäßigen Wärmezufuhr ist das Absorberroher hohen thermomechanischen Belastungen ausgesetzt. Um Verluste durch Wärmeabstrahlung zu minimieren, werden die metallischen Absorberrohre in evakuierte und selektiv beschichtete Glasrohre montiert (d.h. die von außen kommende kürzwellige Sonnenenergie möglichst gut aufnimmt und die längewellige Wärmeenergie des Absorbers nur Sehlicht abgibt).

Als Wärmeträger wird ein synthetisches Thermoöl eingesetzt, dessen Temperaturobergrenze durch optischen Verhältnisse und die chemische Stabilität auf etwa 400 ^oC beschränkt ist. Mit Helfe dieses Thermoöls wird Solarenergie zum konventionellen Kraftwerksteil transportiert.

2- konventionellen Kraftwerksteil :

Bei den Farm-Solaranlagen kommt ähnlich wie bei den Turm-Solarkraftwerken für die Umwandlung der solaren Wärme in elektrische Energie im Wesentlichen konventionelle Kraftwerkstechnik zum Einsatz.

Bei den SEGS-Anlagen werden beispielsweise Turbinen mit und ohne Zwischenüberhitzung eingesetzt. Bei den mit einer Thermoöltemperatur von 390 ^oC arbeitenden neueren SEGS-Anlagen wird durch eine derartige Zwischenüberhitzung der Wirkungsgrad der Turbine im Ausschließlichen Solarbetrieb von 30,6 auf 37,7% gesteigert.

B) Anlagen :

Abb.: Funktionsprinzip einer Farm-Solaranlage ( nach Kaltschmitt )

Der Kollektorkreis arbeitet mit synthetischem Thermoöl, das bis über 400 ^oC und bei einem geringen Überdruck von etwa 5 bar flüssig bleibt und nicht verdampft. Der gesamte Kollektorkreislauf und die Absorberrohre werden dabei für einen kleinen Volumenstrom bei einem geringen Druckverlust ausgelegt.

Der Nachteil des eingesetzten synthetischen Öls liegt in der hohen Viskosität bei niedrigen Temperaturen. Außerdem erstarrt das verwendete Thermoöl bei etwa 12 ^oC.

Der Transport dieses Wärmeträgermediums erfolgt mit durch Pumpen.

Das Thermoöl gibt die solare Wärme direkt oder über einen Speicher an einen Dampferzeuger ab.

o Die Wärmeabgabe über einen Speicher bzw. der Einsatz einer Zusatzheizung auf der Basis fossiler Energieträger hat folgende Vorteile :-

- Der Arbeitskreis wird mit Wärme von konstantem Temperaturniveau laufen und unabhängig von kurzzeitigen Sonnenscheinschwankungen.

- Der Kollektorkühlkreislauf und der Arbeitsmittelkreislauf können unabhängig voneinander und damit einfacher geregelt werden.

- Der Speicher bzw. die Zusatzheizung auf Basis fossiler Energieträger erhöhen die Versorgungssicherheit.

o Nachteilig sind besondere bei einem Speicher der höhere anlagentechnische Aufwand und damit die entsprechenden Kosten.

o Im Dampferzeuger wird aus der solaren Wärme Dampf erzeugt, mit dem in einem konventionellen Dampfkreislauf über eine Turbine und einen Generator elektrische Energie bereitstellt werden kann. Bei den letzten realisierten Anlagen dieses Typs tritt beispielsweise der überhitzte Wasserdampf mit rund 100 bar und 371 ^oC in den Hochdruckteil der Turbine.

4) Aufwindkraftwerke :

Das Aufwindkraftwerk ist eine nichtkonzentrierende solarthermische Stromerzeugungs-Anlage.

Funktion Prinzip :-

Abb.: Funktionsprinzip des Aufwindkraftwerks

Bei einer derartigen Anlage erwärmt sich der Boden unter einem Gasdach durch die direkte und diffuse Strahlung. Aufgrund des Treibhauseffekts und der konvektiven Wärmeabgabe des Bodens erwärmt sich die Luft unter dem Glasdach und strömt zur mitte der Anlage, wo sie infolge der Dichteverringerung durch die Erwärmung in einer Turmröhre aufsteigt (Kaminwirkung). Die Umwandlung dieser in den infolge der Solarstrahlung bewegten Luftmassen enthaltenen Energie erfolgt mit Hilfe einer Axialturbine am Fuß der Turmröhre in Bewegungsenergie der Turbine und danach über einen Generator in elektrischen Strom.

A) Komponenten :

1- Kollektor :

Die warme Luft für das Aufwindkraftwerk wird in einem einfachen Luftkollektor erzeugt, der aus einem Glas- oder Kunststoffdach besteht.

In Unterschied zu den solarthermischen Parabolrinnen- und Turmkraftwerken kann dieser Kollektor sowohl die direkte als auch die indirekte Solarstrahlung nutzen, allerdings ist der Systemwirkungsgrad um eine Größenordnung niedriger.

Der Kollektorboden wirkt dabei als natürlicher Wärmespeicher. Er nimmt im Tagesverlauf einen Teil der Strahlungsenergie auf und gibt ihn am Abend und der Nacht wieder ab. Dadurch werden nicht nur mögliche Einstrahlungsschwankungen Z.B. durch wechselnde Bewölkung ausgeglichen, sondern auch ein Teil der Stromproduktion in die Abend- und Nachtstunden verlegt.

Abb.: Leistungscharakteristik eines Aufwindkraftwerks als Funktion

des Kollektor –Wasserspeichers ( nach Kaltschmitt )

Am Abend sinkende Umgebungstemperaturen begünstigen diesen Effekt weiter, da die treibende Kraft des Kraftwerks die Temperaturdifferenz zwischen der warmen Luft im Inneren der Kaminröhre und der kühleren Umgebungsluft ist. Das Vergrößern der Wärmespeicherkapazität durch Integration eines einfachen Wasserspeichers in den Kollektor führt dazu, dass ein Aufwindkraftwerk im Grundlastbetrieb gefahren werden kann.

Eine Anpassung der Stromerzeugung an Strahlungsangebot oder auch Stromnachfrage ist ebenfalls durch eine Verstellung der Turbinenschaufeln möglich.

Solche thermischen Speicher können in Form wassergefüllter Folienschläuche ausgeführt werden, die auf dem Boden unter dem Glasdachkollektor ausgelegt werden. Diese werden einmal gefüllt und dann bleiben verschlossen, so dass keine Verdunstungsverluste auftreten.

o Eine derartige Wärmespeicherung in wassergefüllten Schläuchen ist deshalb besonders vielversprechend, weil :

- der Wärmeübergandskoeffizient zwischen den Schläuchen und dem Wasser schon bei geringer Strömungsgeschwindigkeit des Wassers (Z.B. durch natürliche Konvektion) viel größer ist als der von schwarzer Folie ins Erdreich und,

- Die Wärmekapazität von Wasser etwa fünfmal so groß ist wie die des Erdbodens.

2- Turmröhre :

Der Turm stellt die eigentliche Wärmekraftmaschine des Aufwindkraftwerkes dar. Der Wirkungsgrad des Kraftwerks bezüglich der Umwandlung von Wärme in kinetische Energie ist dabei eine direkte Funktion der Turmhöhe, die von den Windturbinen genutzte Druckdifferenz hängt nämlich linear von der Turmhöhe ab. Für die abgegebene elektrische Leistung ist also die Turmhöhe mitentscheidend.

Für eine Anlage der 100 bzw. 200 MW-Klasse wird von einer Turmhöhe von rund 1000 m ausgegangen.

3- Turbine :

Grundsätzlich werden zwei Hauptvarianten der Integration der Turbine in den Turm unterschieden. Zum einen kann eine einzelne Turbine (oder mehrere) mit vertikaler Achse in den Turmschat eingebaut werden. Zum anderen können auch mehrere Turbinen mit horizontaler Achse am Umfang des Turmfußes montiert werden.

B) Anlagen :

Folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Daten für die ausgeführte Pilotanlage in Manzanares in Spanien und zwei projektierte kommerzielle Kraftwerke.

Tabelle: Daten verschiedener Aufwindkraftwerke ( nach Kaltschmitt ) :

Die Funktionsweise eines derartigen Aufwindkraftwerks wurde während des Betriebs einer 50 kW Pilotanlage in Manzanares, Spanien, demonstriert.

Die Stromerzeugung solchen Anlagen steigt proportional mit der eingestrahlten Sonnenenergie an. Der solarelektrische Wirkungsgrad derartiger Anlagen liegt zwischen 0,1 und 1 %.

5) Solarteich-Kraftwerke :-

Bei Solarteichen handelt es sich um Anlagen zur solarthermischen Wärme- und Stromeinstellung.

Als Kollektor und Wärmespeicher dient ein mit Sole (Salz/Wasser-Flüssigkeit) gefülltes Becken. Vom Grund dieses sogenannten Solarteichs wird die Wärme entnommen und einer Wärmekraftmaschine zugeführt, die einen Generator antreibt und dadurch elektrische Energie bereitstellt.

Funktion Prinzip :-

Abb.: Anlagenschema eines Solarteiches

Das Wasser absorbiert ähnlich wie der Absorber eines üblichen Solarkollektors die eintreffende direkte und diffuse Solarstrahlung und erwärmt sich infolgedessen. Die Salzkonzentration wird so eingestellt, dass sie zum Grund hin stark zunimmt. Dadurch werden die natürliche Konvektion und der damit verbundene Wärmeverlust an der Oberfläche infolge Verdampfung, Konvektion und Strahlung wirksam unterdrückt. Aus der Speicherzone am Grund kann daher Wärme bei etwa 80 bis 90 ^oC entnommen werden. Mit Hilfe geeigneter thermodynamischer Kreisprozesse (Z.B. organischer Rankine-Prozess) kann die Wärme dann zur Stromerzeugung genutzt werden.

A) Komponenten :

1- Teichkollektor :

Beim Teichkollektor handelt es sich um natürliche oder künstlich angelegte Seen, Teiche oder Becken, die durch Wasserschichtung infolge unterschiedlichen Salzgehaltes wie ein solarthermischer Kollektor wirken, die der Sonnenstrahlung zugewandten Schichten relativ geringern Salzgehalts werden zur Unterdrückung von Wellen oft mit Kunststoffgittern oder Kunstnetzen versehen. Diese obere Durchmischungszone eines derartigen Teichkollektors ist üblicherweise ca. 0,5 m dick. Die sich daran anschließende Übergangszone hat eine Dicke von etwa 1,0 bis 2,0 m und die untere Speicherzone von 1,5 bis 5 m.

Wenn in einem gewöhnlichen Teich oder See die tieferen Wasserschichten von der Sonne erwärmt werden, steigt das erwärmte Wasser zur Oberfläche auf, es weist eine geringere Dichte als kälteres Wasser auf.

An der Wasseroberfläche wird dann die von der Sonne zugeführte Wärme an die Atmosphäre abgegeben. Dadurch entspricht die Wassertemperatur im Mittel meist in etwa der Umgebungstemperatur. In einem Solarteich wird diese Wärmeabgabe an die Atmosphäre durch in den tieferen Wasserschichten gelöstes Salz verhindert. Durch das im Wasser gelöste Salz ist die Dichte des Wassers am Boden des Teichs so groß, dass es nicht an die Oberfläche aufsteigen kann, selbst wenn es von der Sonne aufgeheizt wird.

Die Salzkonzentration muss deshalb gezielt so eingestellt werden, dass sie mit der Tiefe zunimmt.

Abb.: Dichte- ( Links ) und Temperaturgradient ( rechts ) eines Solarteiches

Dadurch stellt sich eine zunächst stabile Wasserschichtung ein. Die Sonnenenergie die als Licht am Teichboden ankommt und dort in Wärme umgewandelt wird, bleibt dort „gefangen“. Die obere, nahezu salzlose Wasserschicht wirkt dabei nur als transparente, wärmeisolierende Abdeckung der wärmeabsorbierenden und wärmespeichernden tieferen Wasserschichten.

Damit die Schichtung des Solarteichs stabil bleibt, darf die Temperaturzunahme mit der Tiefe (Temperaturgradient) nicht größer sein als die Zunahme der Dichte (d.h. des Salzgehalts) mit der Tiefe. Deshalb müssen die relevanten Parameter kontinuierlich überwacht werden, um bei Bedarf rechtzeitig entsprechende Maßnahmen (Wärmeentnahme, Salzzufuhr) ergreifen zu können.

2- Wärmeübertrager :

o Grundsätzlich stehen zwei Verfahren zur Wärmeentnahme aus dem Solarteich zur Verfügen :

- Mit Rohrbündel-Wärmeübertragern, durch die das Arbeitsfluid der Wärmekraft-Maschine strömt, kann beispielsweise der heißen Speicherzone Wärme entzogen werden.

- Der Wärmeübertrager kann auch außerhalb des Solarteichs installiert werden. Hier wird die heiße Sole dann mittels eines Ansaugdiffusors aus der Speicherzone abgepumpt, die abgekühlte Sole, die den Wärmeübertrager verlässt, wird dann über einen weitern Diffusor dem Teich in etwas größerer Tiefe wieder zugeführt.

3- Wärme-Kraft-Maschine :

Zur Wandlung der thermischen Solarenergie in mechanische und weiter in elektrische Energie werden üblicherweise ORC-Systeme eingesetzt. Dies sind Dampfturbinenprozesse, in denen ein niedrigsiedendes Kreislaufmittel meist organischen Ursprungs eingesetzt wird.

Die damit erreichbaren Wirkungsgrade liegen bei rund 1% bezogen auf die eingestrahlte Sonnenenergie.

4- Steuerung und Regelung :-

Damit der Solarteich funktioniert, muss die Solarstrahlung die Speicherzone erreichen. Daraus muss ein ausreichendes Transmissionsvermögen der darüber liegenden Wasserschichten gegeben sein, dies sicher zu stellen ist eine ständige Aufgabe beim Betrieb eines Solarteichs.

Durch Diffusion erfolgt zudem ein ständiger Ausgleich der Salzkonzentration im Solarteich. Wellenbewegungen durch Wind verstärken diesen Ausgleich im oberflächennahen Bereich. Deshalb muss ständig Salz aus den oberflächennahen Wasserschichten entnommen und tiefen Zonen wieder zugeführt werden. Dazu wird Oberflächenwasser in separaten flachen Becken (Salinen) verdampft. Das zurückbleibende Salz wird dann den tieferen Zonen wieder zugeführt.

Wird bei solarer Einstrahlung nicht genügend Wärme aus dem Speicherbereich des Solarteichs entnommen, kann die Erwärmung der tieferen Wasserschichten zu Instabilitäten der Schichtung führen. Dies hätte die Zerstörung der für das Funktionieren des Solarteichs unbedingt erforderlichen Gradientenzone zur Folge.

Damit muss während des Betriebs eines Solarteichs der Transmissionsgrad, der Salzgehalt und die Temperatur regelmäßig überwacht werden. Dazu ist jeweils der Verlauf dieser Größen von der Wasseroberfläche bis zum Grund zu messen, damit bestimmt werden kann, wie viel Wärme dem Teich wo entnommen werden kann bzw. muss, welche Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der jeweils erforderlichen Salzkonzentration erforderlich sind, und welche Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Wasserqualität erforderlich sind.

C) Anlagen :

Ausgeführt sind Solarteich-Kraftwerke mit elektrische Leistungen von wenigen zehn kW bis zu wenigen MW u.a. in Texas, Australien, Israel und Indien. Die solarelektrischen Wirkungsgrade sind mit rund einem Prozent klein.

Folgende Tabelle zeigt typische Beispiele derartiger Anlagen:

Tabelle : Daten verschiedener Solarteich-Kraftwerke ( nach Kaltschmitt ) :

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Literatur:

· Khartchenko,Nikolai. V.:Thermische Solaranlagen. Springer-Verlag, 1995,

· Kaltschmitt, M.;Wiese, A.;Streicher(Hrsg.), W.: Erneuerbare Energien. Springer-Verlag, 2003