Energie Blog | 08. November 2010 | von Jan Oliver Löfken | 3 Kommentare

Energie-Frage der Woche: Warum brauchen Solarkraftwerke auch Wasser?

Solarkraftwerke produzieren direkt mit Solarzellen oder indirekt über die Wärme konzentrierter Sonnenstrahlen elektrischen Strom. Um das Sonnenlicht effizient zu nutzen, müssen die beleuchteten Flächen – Solarmodule oder Spiegel – so sauber wie möglich sein. Wasser ist für die regelmäßige Reinigung nötig. Aber mit 70 bis 80 Litern pro 1000 Kilowattstunden Sonnenstrom macht das Putzwasser nur einen geringen Teil des Wasserbedarfs aus. Wofür brauchen Solarkraftwerke denn noch mehr Wasser?

Viel Wasser für Kühlung

Solarthermische Kraftwerke, wie sie in Spanien und den USA in Betrieb sind, kommen ohne eine effiziente Kühlung nicht aus. Der auf mehrere hundert Grad aufgeheizte Wasserdampf durchströmt eine Turbine und versetzt sie in Drehung, damit ein angeschlossener Generator Strom erzeugen kann. Der Wirkungsgrad dieses Prozesses (Clausius-Rankine Kreisprozess) ist umso höher, je geringer der Druck hinter der Turbine ist, denn dann entsteht eine Art Sog, die den Dampf schneller durch die Turbine strömen lässt. Ingenieure senken den Druck, indem sie den Dampf hinter der Turbine kühlen, zu Wasser kondensieren und damit sein Volumen verkleinern. Der Druck des Dampfes am Eintritt der Turbine liegt etwa bei 100 bar und der Druck am Austritt bei unter 0.1 bar. 

Andasol 1: Das spanische Solarkraftwerk arbeitet mit Nasskühlung und verfügt über 500.000 Quadratmeter Spiegelfläche. Bild: Solar Millennium AG. 

Andasol 1: Das spanische Solarkraftwerk arbeitet mit Nasskühlung und verfügt über 500.000 Quadratmeter Spiegelfläche. Bild: Solar Millennium AG.

Trockenkühlung für Wüstenkraftwerke

Mit Hilfe von Kühltürmen wird die Kondensationswärme in Kohle- und Kernkraftwerken an die Umgebung abgeführt. Ein typisches Solarthermiekraftwerk braucht für die Erzeugung von 1000 Kilowattstunden etwa 3800 Liter Wasser, wenn es einen Nasskühlturm einsetzt. In den Anlagen im südspanischen Andalusien kann dieser Wasserbedarf über Flüsse oder die existierende Wasserleitungen gedeckt werden. In der Wüste dagegen wäre der Aufbau einer solchen Infrastruktur wenn überhaupt möglich, dann sehr aufwendig.

Forscher vom DLR-Institut für Technische Thermodynamik suchen sowohl in Köln, in Stuttgart als auch am Solarforschungszentrum der Plataforma di Solar in Spanien nach einer eleganten Lösung dieses Problems und analysieren die Auswirkungen der Trockenkühlung auf solarthermische Kraftwerke, die so über 90 Prozent weniger Wasser benötigen. Mit einer permanenten Luftströmung kann der Wasserdampf gekühlt und kondensiert werden. Der Luftkühler besteht dazu aus Hunderten von Lamellen, über die die Wärme an die zirkulierende Außenluft, von einem Ventilator in Strömung versetzt, abgegeben werden kann. Für verschiedene Standorte von Marokko bis zu den Vereinigten Arabischen Emiraten bewerteten die DLR-Forscher die Einsatzbedingungen für eine solche Trockenkühlung.

Obwohl die Installation dieser Kühltechnik teurer ist und die Kraftwerke nicht ganz die Wirkungsgrade von Anlagen mit klassischer Wasserkühlung erreichen, stellt sie einen wichtigen Schritt hin zu ausgedehnten Solarthermie-Kraftwerken in der Wüste dar. Derzeit schätzen die DLR-Forscher die Erzeugungskosten für diesen Solarstrom noch auf drei bis zehn Prozent höher. Dennoch wird diese Trockenkühlung für Wüstenstromprojekte, wie sie beim Wüstenstromprojekt  DESERTEC geplant sind, unverzichtbar sein.

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. 

Bild oben: Parabolspiegel mit Absorberrohr. Bild: DLR.

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Über den Autor

Der Energiejournalist Jan Oliver Löfken schreibt unter anderem für Technologie Review, Wissenschaft aktuell, Tagesspiegel, Berliner Zeitung und das P.M. Magazin. Derzeit diskutiert er im DLR-Energieblog aktuelle Themen rund um die Energiewende. zur Autorenseite

Kommentare

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Martin Schütze
11. November 2010 um 14:44 Uhr

In dem Artikel wird die Trockenkühlung für Wüstenkraftwerke als etwas so Besonderes und noch zu Untersuchendes dargestellt. Die Trockenkühlung hinter Dampfturbinen ist im industriellen Sektor schon seit Jahrzehnten oft eingesetzt, der THTR in Hamm-Üntrop (den es nicht mehr gibt) war vor zwei Jahrzehnten bereits mit einem Trockenkühlturm ausgestattet (Seilnetzkonstruktion) und noch davor hatte die MAN 600-MW-Kraftwerke in trockenen Gegenden Südafrikas bereits mit Trockenkühlern (ich glaube sogar mit Direktkondensation) ausgestattet.
Ihre Sätze:
"... Art Sog, die den Dampf schneller durch die Turbine strömen lässt. Ingenieure senken den Druck, indem sie den Dampf hinter der Turbine kühlen und damit sein Volumen verkleinern." tun jedem Ingenieur, der nur etwas von Thermnodynamik versteht, weh! Es geht nicht um ein schnelleres Durchströmen der Turbine, sondern um die Nutzung eines größeren Energiegefälles (Enthalpiegefälle). Und das wird um so größer, je niedriger der Enddruck ist. Ihre Angabe von 0,1 bar (absoluter Druck) ist vollkommen korrekt. Bei diesem Druck wird der Dampf dann kondensiert. Das geschieht dann bei etwas weniger als 50°C. Die Aussage, daß das Volumen sich dadurch verkleinert ist vollkommen falsch und auch nicht das Ziel der Übung - im Gegenteil, je tiefer der Kondensationsdruck (und damit auch die Temperatur) liegt, desto größer wird das Volumen. Das ist auch der Grund, warum Dampfturbinen zum Ende hin immer größer werden - das Dampfvolumen wir mit zunehmender Entspannung immer größer.
Sehr geehrter Herr Löfken, ich finde die Aktion mit der Energiefrage der Woche sehr gut und nutze sie gerne - dadurch erhalte ich regelmäßig Informationen über aktuelle Entwicklungen in diesem Sektor. Und das DLR ist hier natürlich eine sehr kompetente Quelle.
Allerdings denke ich, daß dann auch die publizistische Darstellung der Inhalte fachlich-wissenschaftlich korrekt sein sollte. Ihre Veröffentlichungen lesen sicher nicht nur Laien, sondern auch Fachleute, die bei obigen Formulierunge zusammenzucken.
Mir geht es nicht darum, Ihnen am Zeug zu flicken oder Sie in Ihrer Ehre zu kränken - es geht hier einfach um die gute Außendarstellung des DLR.
Wenn Sie zur Prüfung solcher Sachverhalte keinen direkten internen Ansprechpartner finden, kann ich Ihnen gerne anbieten, solche Texte Korrektur zu lesen.
Mit freundlichen Grüßen Martin Schütze

Jan Oliver Löfken
12. November 2010 um 14:48 Uhr

Sehr geehrter Herr Schütze, vielen Dank für Ihre Erläuterungen und die näheren Erläuterungen. Offenbar bin ich bei der Vereinfachung bei diesem Thema für Ihr Verständnis etwas weit gegangen. Auch sollte nicht der Eindruck entstehen, dass es etwas völlig Neues sei. Das ist den DLR-Forschern und mir vollkommen bewusst und daher hatte ich die anderen Kraftwerkstypen auch erwähnt. Sollte ein anderer Eindruck entstanden sein, entschuldigen Sie dies bitte. Doch Details wie in Ihrem Beitrag bereichern diesen Blog auf alle Fälle. Besten Gruß. J.O.Löfken