Die Kraft der Sonne bündeln

Wie überdimensionale Rasier- oder Kosmetikspiegel sehen diese Spiegel aus. Sie bündeln das Sonnenlicht an einem Punkt – und dort sitzt ein Motor, der völlig umweltfreundlich Sonnenstrom produziert. Bild: DLR
Wie überdimensionale Rasier- oder Kosmetikspiegel sehen diese Spiegel aus. Sie bündeln das Sonnenlicht an einem Punkt – und dort sitzt ein Motor, der völlig umweltfreundlich Sonnenstrom produziert. Bild: DLR

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Vielleicht hast du auch schon einmal versucht, mit einer Lupe das Licht der Sonne auf einen möglichst kleinen Punkt zu bündeln. Dabei wird so viel Energie auf einer winzigen Fläche konzentriert, dass dadurch Papier zu brennen beginnt. Genau nach diesem Prinzip funktionieren moderne Solarkraftwerke: Sie nutzen die Kraft der Sonne – vor allem zur Stromerzeugung. Und da die Sonnenenergie sauber und unerschöpflich ist, wird sie in Zukunft immer wichtiger. Dafür müssen wir aber noch weiter forschen.

Diese Aufnahme der Sonne lässt die gewaltige Energie ahnen, die der Stern ausstrahlt. Bild: ESA, NASA
Diese Aufnahme der Sonne lässt die gewaltige Energie ahnen, die der Stern ausstrahlt. Bild: ESA, NASA

Gleich mal zu Beginn ein ziemlich eindrucksvoller Vergleich: Jeder Quadratmeter der Sonnenoberfläche gibt ungefähr so viel Energie ab, wie eine Million Glühbirnen zum Leuchten benötigen. Von der gewaltigen „Kraft“ der Sonne gelangt zwar nur ein Bruchteil tatsächlich auf die Erde. Doch schon das würde ausreichen, um den Energiebedarf der ganzen Welt zu decken.

Dass Sonnenlicht durch Spiegel konzentriert werden kann, wissen die Menschen schon seit langem. Bereits im Altertum gab es dazu viele Beispiele – aber die lassen wir mal beiseite: Schließlich geht es hier um die Zukunft und nicht um die Vergangenheit. Und genau an der Zukunft arbeiten die Ingenieure des DLR und vieler anderer Einrichtungen, wenn sie sich mit der sogenannten „Solarthermie“ befassen.

Spieglein, Spieglein im Kraftwerk ...

Der Begriff „Solarthermie“ setzt sich aus den beiden Wörtern „solar“ für Sonne und „thermie“ für Wärme zusammen – bedeutet also „Sonnenwärme“. Diese Wärme nutzt man in solarthermischen Kraftwerken: Dort wird sie aus der „Kraft“ der Sonne gewonnen. Doch es geht ja nicht um Wärme, sondern um Strom. Wie funktioniert das also mit der Stromerzeugung? Erst einmal fangen draußen im Freien große Spiegel das Sonnenlicht ein – sie konzentrieren es. So sorgen die Spiegel für Hitze – eben wie ein Brennglas. Die Hitze wird ins Innere des Kraftwerks geleitet, wo sie Wasser verdampfen lässt. Jetzt haben wir also Dampf – und damit kann man eine Turbine antreiben. Und wenn sich eine Turbine mit hoher Geschwindigkeit dreht, sind wir nur noch einen Schritt vom Strom entfernt: Denn die Turbine setzt einen Generator in Gang, der – wie ein Dynamo beim Fahrrad – den Strom erzeugt.

Was im Inneren des Solarkraftwerks passiert, ähnelt den Abläufen in normalen Kohlekraftwerken. Nur liefert hier eben die Sonne die Energie – und nicht die Kohle. Der große Vorteil: Bei der Solarthermie entstehen keinerlei Abgase, während Kohlekraftwerke bekanntlich das klimaschädliche Kohlendioxid – kurz CO2 – produzieren. Und natürlich ist die Sonnenenergie unerschöpflich, während Kohle wie auch Öl und Erdgas eines Tages verbraucht sein werden.

Hier seht ihr das Funktionsprinzip eines Solarturm-Kraftwerks. Grafik: DLR
Hier seht ihr das Funktionsprinzip eines Solarturm-Kraftwerks. Grafik: DLR

Von runden, flachen und „schüsseligen” Sammlern

Für die verschiedenen Solarkraftwerke werden auch unterschiedliche Arten von Spiegeln benötigt – aber alle sollen das Sonnenlicht einfangen und konzentrieren. Bild: DLR, Markus-Steur.de
Für die verschiedenen Solarkraftwerke werden auch unterschiedliche Arten von Spiegeln benötigt – aber alle sollen das Sonnenlicht einfangen und konzentrieren. Bild: DLR, Markus-Steur.de

Es gibt verschiedene Verfahren, um die Sonnenenergie „einzufangen”. Die Spiegel, die eingesetzt werden, nennt man Kollektoren. „Kollektor” bedeutet „Sammler”. Diese Spiegel „sammeln” also die Sonnenstrahlen. Es gibt flache, eckige, runde sowie gewölbte Spiegel und sogar manche, die wie Ufos oder wie überdimensionale Teller aussehen. Natürlich haben sie alle gemeinsam, dass sie zur Sonne ausgerichtet sind. Dafür sind sie beweglich – denn sie müssen ja der Sonne folgen.

Für alle, die es genau wissen wollen, hier die drei wichtigsten Typen von Spiegeln und Solarkraftwerken:

Ein Parabolrinnen-Kraftwerk setzt Spiegel ein, die länglich geformt und gebogen sind: fast wie überdimensionale Dachrinnen. Hier wird das Licht in der Mitte der Rinne gebündelt, wo ein Rohr mit einem speziellen Öl verläuft. Das Öl erhitzt sich und führt die Wärme ins Innere des Kraftwerks, wo Wasser in Dampf verwandelt wird und so schließlich die Turbinen und Generatoren angetrieben werden.

Flache Spiegel findet man dagegen bei einem Solarturm-Kraftwerk. „Heliostate” – wie man diese Spiegel nennt – befinden sich um einen hohen Turm herum und reflektieren das Sonnenlicht auf einen einzigen Punkt: an die Spitze des Turms. Denn dort befindet sich der sogenannte „Receiver” – zu Deutsch der „Empfänger“. Er saugt die Umgebungsluft an und erhitzt sie auf bis zu 1.000 Grad. Diese heiße Luft erzeugt wiederum den Wasserdampf – und den Rest kennt ihr ja schon. Ein Computer steuert die Heliostate dabei so, dass sie immer die Sonne auf den Receiver abbilden.

Zuletzt wären da noch die Dish-Stirling-Kraftwerke zu nennen. Seltsamer Name für eine seltsame Konstruktion. „Dish” ist das englische Wort für Schüssel – und die hier eingesetzten Kollektoren sehen tatsächlich wie riesige Schüsseln aus: wie zu groß geratene Kosmetik- oder Rasierspiegel. Auch sie sammeln die Sonnenstrahlen und bündeln sie an einem einzigen Punkt: dem Brennpunkt. Genau da – also nicht im Inneren eines Kraftwerks, sondern direkt am Spiegel selbst – befindet sich ein besonderer Motor, der den Strom erzeugt. Und das ist ein sogenannter Stirling-Motor, was also auch den Namen der Anlagen erklärt.

Energie aus dem Sonnengürtel

Im Süden Spaniens liegt die Plataforma Solar de Almería, Europas größtes Testzentrum für Solartechnik. Bild: DLR, Markus-Steur.de
Im Süden Spaniens liegt die Plataforma Solar de Almería, Europas größtes Testzentrum für Solartechnik. Bild: DLR, Markus-Steur.de

Solarthermische Kraftwerke sollte man nicht unbedingt da errichten, wo es häufig regnet – sondern eben eher in südlichen Ländern. Zum Beispiel im sonnigen Spanien: Hier befindet sich die Plataforma Solar de Almería, Europas größtes Testzentrum für Solartechnik. Es ist eine außergewöhnliche Anlage, auf der die oben beschriebenen Techniken untersucht werden. Bei über 3.000 Sonnenstunden im Jahr kann man hier hervorragend verschiedene Verfahren prüfen und neue Methoden entwickeln.

Methoden, die vielleicht schon bald noch ein wenig südlicher – nämlich in der Sahara – zur Anwendung kommen könnten. Denn dort will man ein riesiges Projekt verwirklichen, das sauberen Strom aus der Wüste zur Verfügung stellen soll: Desertec – so der Name des Vorhabens. So könnte dort „sauberer Sonnenstrom“ für Nordafrika und auch für Europa erzeugt werden. Der Startschuss für dieses große und auch großartige „Wüstenprojekt” ist schon gefallen.