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Energie-Frage der Woche: Wie nutzt man die Energie der Sonne am besten?

26. Juli 2010, 11.25, Jan Oliver Löfken, 2 Kommentar/e
Eine Leistung von 1367 Watt strahlt die Sonne auf jeden Quadratmeter Erde ab - ohne den Filter der Atmosphäre. Diese - in menschlichen Zeitmaßstäben - unendliche Energiequelle erwärmt unseren Planeten, lässt Pflanzen wachsen und ist der Motor von Wind und Wetter. An äquatornahen, sonnigen Standorten wie der Sahara summiert sich der Energieeintrag der Sonne über das Jahr zu 2000 bis 2500 Kilowattstunden je Quadratmeter. Doch mit welcher Technik lässt sich aus Sonnenlicht am meisten Strom gewinnen?

Den Rekord bei der Umwandlung der Energie des Sonnenlichts in elektrischen Strom halten heute Solarzellen mit Wirkungsgraden von mehr als 40 Prozent. Doch für große Solarkraftwerke sind diese Photovoltaik-Zellen schlicht zu teuer. Handelsübliche Module für große Photovoltaik-Kraftwerken nähern sich erst langsam der 20-Prozent-Schwelle. Mit Wirkungsgraden zwischen 20 und 25 Prozent sind solarthermische Kraftwerke soweit ausgereift, dass weltweit Dutzende dieser Anlagen entstehen oder geplant werden. Auch für die Desertec-Initiative, an deren wissenschaftlichen Grundlagen DLR-Forscher maßgeblich beteiligt sind, sollen Solarthermie-Kraftwerke das Rückgrat der Stromerzeugung in der Sahara bilden. Zudem kann die Sonnenenergie in diesen Kraftwerken als Wärme gespeichert werden. Sie können daher Strom nach Bedarf und auch nach Sonnenuntergang liefern.

Mehr als 100 Gigawatt Leistung mit Solarthermie-Kraftwerken bis 2020

Mehrere Szenarien für die Energieversorgung der Zukunft gehen davon aus, dass in den kommenden zehn Jahren Solarthermie-Kraftwerke mit 100 bis 200 Gigawatt Leistung installiert sein werden. Geplant sind in erster Linie Parabolrinnen-Kraftwerke, in denen gewölbte Spiegel das Sonnenlicht auf eine zentral montierte Absorberröhre fokussieren. Die konzentrierten Sonnenstrahlen heizen dabei ein in den Röhren zirkulierendes Öl auf bis zu 400 Grad Celsius auf. Darauf durchfließt das Öl einen Wärmetauscher und überträgt die Hitze auf Wasser. Der so erzeugte Dampf treibt über eine Turbine einen Generator an.

Parabolrinne auf der Plataforma Solar de Almería. Bild: DLR/Steur. Bild oben: Heliostat eines Turmkraftwerks. Bild: DLR/Steur

Parabolrinne auf der Plataforma Solar de Almería. Bild: DLR/Steur. Bild oben: Heliostat eines Turmkraftwerks. Bild: DLR/Steur.

So weit diese Technik heute schon gereift ist, ausgereizt ist sie noch lange nicht. "Wir arbeiten derzeit daran, komplett von dem vergleichsweise teuren Öl wegzukommen", sagt Christoph Richter vom DLR-Institut für Technische Thermodynamik und Standortleiter der DLR-Solarforschung im südspanischen Almería. Auf der Plataforma Solar de Almería testet er mit seinen Kollegen ein Verfahren, bei dem Wasser direkt in den Absorberröhren verdampft wird und unter Hochdruck zirkuliert. Dabei sind höhere Temperaturen von bis zu 500 Grad möglich. Dies ist ein Weg, um den Wirkungsgrad von Solarkraftwerken weiter zu erhöhen und Solarstrom günstiger zu produzieren. Nach vielversprechenden Ergebnissen planen Richter und Kollegen derzeit eine Testanlage mit fünf Megawatt Leistung.

Wasserstoff aus dem Solarturm

Parallel zu den Parabolrinnen treiben die DLR-Forscher auch das Konzept eines Solarturmkraftwerks weiter voran. In einem solchen werfen Hunderte, in einem Halbkreis angeordnete Spiegel das Sonnenlicht auf einen keramischen Absorberblock, der sich zentral im oberen Turmabschnitt befindet. Mit Temperaturen von mehr als 1000 Grad Celsius lässt sich - analog zum Parabolrinnen-System - wieder Wasserdampf erzeugen, der eine Generatorturbine in Drehung versetzt. "Mit den höheren Temperaturen können Turmkraftwerke höhere Wirkungsgrade erreichen", sagt Richter.

Solarturm-Kraftwerke eignen sich aber nicht nur zur Stromerzeugung. "Mit der großen Hitze der konzentrierten Sonnenstrahlung lässt sich auch Wasserstoff gewinnen", erklärt Richter. So gelang es im Rahmen der EU-Projekte HYDROSOL I und II, Wassermoleküle bei 800 bis 1200 Grad Celsius in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Wirtschaftlich ist dieses Verfahren noch nicht, aber es zeigt einen Weg, um in Zukunft mit Solarthermie-Kraftwerken nicht nur Strom, sondern auch den speicherfähigen Energieträger Wasserstoff zu gewinnen.

DLR-Solarforschung am Standort Almería

Die DLR-Energiefrage der Woche im Wissenschaftsjahr "Die Zukunft der Energie"

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das Wissenschaftsjahr 2010 unter das Motto "Die Zukunft der Energie" gestellt. Aus diesem Anlass beantwortet der Wissenschaftsjournalist Jan Oliver Löfken in diesem Jahr jede Woche eine Frage zum Thema Energie in diesem Blog. Haben Sie Fragen, wie unsere Energieversorgung in Zukunft aussehen könnte? Oder wollen Sie wissen, wie beispielsweise ein Wellenkraftwerk funktioniert und wie effizient damit Strom erzeugt werden kann? Dann schicken Sie uns Ihre Fragen. Wissenschaftsjournalist Jan Oliver Löfken recherchiert die Antworten und veröffentlicht sie jede Woche in diesem Blog. 


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Kommentare
  • Von Peter am 06.08.2010
    Sehr geehrte Redaktion, mich wundert wie stark das DLR auf Solarthermie setzt. Windenergie aus der Passatwindküste ist billiger u. sofort verfügbar, die Technologie ausgereift u. braucht kein Kühlmedium. Von allen mir bekannten Optionen erscheinen mir die Szenarien von Dr. Czisch die mit Abstand elegantesten Wege zur regenerativen E-Energie.
  • Von Franz Trieb, Systemanalyse beim DLR-Institut für Technische Thermodynamik am 30.08.2010
    1. Wir haben genügend Windstrompotenziale in Europa. Was uns in Mitteleuropa fehlt sind nach Bedarf regelbare, gut speicherbare erneuerbare Energiequellen wie eben der Strom aus solarthermischen Kraftwerken. Trotzdem ist die installierte Windleistung in unserem Szenario größer als die der Solarkraftwerke. Selbst die PV Leistung ist größer als der CSP Import aus MENA. CSP Importe sind ein kleiner, aber regelbarer und damit wertvoller Anteil unserer Versorgung. Sich angesichts des Klimawandels auf Wasserkraft und Windenergie einzuschränken halte ich nicht für elegant, sondern für gefährlich. Die uns bekannten Potenziale der Passatwinde haben wir in unseren MENA-Szenarien genutzt, aber vor allem lokal, nicht für den Export. In MENA gibt es wenig Pumpspeicherpotenziale, was eine Vergleichmäßigung des Windangebots erschwert. Deshalb ist dort der Einsatz von Windkraft in unseren Szenarien geringer als der von Sonnenenergie. 2. Diversität von Versorgungsquellen ist ein Nachhaltigkeitsziel an sich, nicht der Ausschluss von Sonnenenergie oder anderen Optionen aus Kostengründen. 3. Windstrom ist vieleicht billig aber - weil nicht nach Bedarf abrufbar und nicht immer verfügbar - auch weniger wert. Ausserdem brauchen die stark wachsenden Ökonomien in Nordafrika selbst auch kostengünstige Windenergie für ihre eigene Entwicklung. Sonne ist dort im Überfluss vorhanden, Wind aber schon deutlich weniger und wird aber auch vor Ort gebraucht. 4. Wir haben in den DLR Studien als Zielfunktion keine Billiglösung gesucht, sondern eine qualitativ hochwertige, nachhaltige und robuste Lösung. Ein Teil der Qualität ergibt sich aus der Diversität des Portfolios. Das weiss jeder (gute) Fonds-Manager. Vielfalt erhöht die Stabilität und verringert das Risiko. In der Regel ist Qualität langfristig volkswirtschaftlich sogar auch kostengünstiger als Billiglösungen, die den Großteil der Kosten auf die Gesellschaft abwälzen. 5. Eine Kostenminimierung durchzuführen in einer Zukunft, deren Rahmenbedingungen nicht bekannt sind, ist m.E. zwar eine nette mathematische Übung, aber wenig belastbar. Man sollte solche "Optimierungen" nicht überbewerten, sie sind vor allem kein Optimum im Sinne von Nachhaltigkeit. Bestenfalls, wenn die Kostenannahmen stimmen sollten, was reiner Zufall wäre weil sich die Kosten dauernd ändern, wäre das Ergebnis ein Kostenminimum, nichts weiter. Kosten sind nicht alles, und Billiglösungen sind sogar Teil des gegenwärtigen Übels unserer Versorgung. Der freiwillige Verzicht auf verfügbare Optionen aus Kostengründen hat mit Eleganz nichts zu tun, sondern mit Einschränkung. 6. Es wird manchmal angenommen, Solarkraftwerke verbräuchten Wasser. Tun sie aber nur wenn welches verfügbar ist. Sonst werden sie wie auch andere Dampfkraftwerke in der Wüste mit Luft gekühlt. 7. Hätte die deutsche Regierung nicht in den frühen 90er Jahren ein 350 MW Windenergieförderprogramm durchgeführt und anschließend das EEG, und hätte die kalifornische Regierung nicht gleichzeitig die solarthermischen Kraftwerke gestoppt, dann wären die Kostenverhältnisse heute genau andersrum und dann würde heute mit denselben Argumenten gegen Wind und pro Solarkraftwerke argumentiert, was diese Argumente nicht besser macht. Es ist wichtig, eine Vielfalt von Quellen entgegen existierende Kostenhürden zu erschließen. Es ist falsch, aus vorgeschobenen Kostengründen auf diese Vielfalt zu verzichten und nach der billigsten Lösung zu rufen. Wir haben mit unserem Szenario einen ausgewogenen und konsistenten Mix aufgezeigt, der die angelegten Nachhaltigkeitskriterien erfüllt und sowohl technisch als auch wirtschaftlich machbar ist. Und wir haben vor allem Schritt für Schritt den Weg dorthin gezeigt. Nicht mehr und nicht weniger.