4. Februar 2019
Strom-zu-Wärme-zu-Strom

Ak­tu­el­le Stu­die: Kön­nen so­lar­ther­mi­sche Kraft­wer­ke über­schüs­si­gen Strom aus an­de­ren re­ge­ne­ra­ti­ven Quel­len ef­fi­zi­ent spei­chern?

Solarturmkraftwerk Crescent Dunes in Nevada
So­lar­turm­kraft­werk Cre­scent Du­nes in Ne­va­da
Bild 1/2, Credit: SolarReserve.

Solarturmkraftwerk Crescent Dunes in Nevada

In ei­nem So­lar­kraft­werk kön­nen mit Flüs­sig­salz ge­füll­te Spei­cher­tanks Tem­pe­ra­tu­ren von cir­ca 560 Grad Cel­si­us bis zu 18 Stun­den lang spei­chern. Das Bild zeigt das So­lar­turm­kraft­werk Cre­scent Du­nes in Ne­va­da mit zwei Spei­cher­tanks links und rechts vorm Turm. 
Geplantes Solarturmkraftwerk Redstone in Südafrika
Ge­plan­tes So­lar­turm­kraft­werk Red­sto­ne in Süd­afri­ka
Bild 2/2, Credit: SolarReserve.

Geplantes Solarturmkraftwerk Redstone in Südafrika

Dar­stel­lung des ge­plan­ten So­lar­turm­kraft­werks Red­sto­ne in Süd­afri­ka, das ne­ben zwei großen PV-Kraft­wer­ken ge­baut wer­den soll. In solch ei­ner An­la­ge könn­te die vor­ge­schla­ge­ne Tech­no­lo­gie­er­wei­te­rung zum Ein­satz kom­men: die Wär­me­spei­cher des So­lar­turms könn­ten den Über­schuss­strom der PV-An­la­gen zwi­schen­spei­chern.
  • Sektorenkopplung
  • Solarthermische Kraftwerke
  • Thermische Speicherung von Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen, wie Photovoltaik- und Windstrom

Solarforscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben untersucht, ob es für ein solarthermisches Kraftwerk wirtschaftlich ist, überschüssigen Photovoltaik- und Windstrom in Wärme umzuwandeln und zu speichern. Wärme lässt sich kostengünstiger speichern als Strom und kann bei Bedarf wieder zur Stromerzeugung aus dem Speicher entnommen werden.

Es liegt in der Natur der erneuerbaren Energiequellen Sonne und Wind, dass ihre Intensität schwankt. Intelligente Stromnetze und Energiespeicher zum Ausgleich dieser fluktuierenden Energiebereitstellung sind für eine sichere Stromversorgung aus erneuerbaren Energien unerlässlich.

Speicherlösungen werden zum einen gebraucht, um den Bedarf an Regelleistung zu decken. Damit ist die Leistung gemeint, die Stromversorger zur Deckung von Nachfragespitzen vorhalten müssen. Die zweite wichtige Funktion der Speicher ist die Stabilisierung der Netzspannung. Da Stromnetze keine elektrische Leistung speichern können, muss die entnommene Leistung zu jedem Zeitpunkt genauso hoch sein wie die eingespeiste Menge Strom. Gelangt mehr Strom ins Netz als benötigt oder wird mehr Strom abgerufen als eingespeist, sind Ausgleichsmaßnahmen zur Stabilisierung der Netzspannung erforderlich.

Wärmespeicherung als Reserve für die Stromerzeugung

Die Batteriespeicherung von Überschussstrom ist eine dieser möglichen Maßnahmen. Aktuell gibt es jedoch noch keine ausreichend großen Batterien, die überschüssig produzierten Strom aus Photovoltaik- und Windanlagen zu niedrigen Kosten speichern können. Um Stromangebot und -nachfrage im Gleichgewicht zu halten, drosseln die Betreiber von Photovoltaik- und Windanlagen in Zeiten mit viel Sonne und Wind bei nicht dazu passender Nachfrage die Stromproduktion. Ein Teil des vorhandenen Energiepotentials bleibt somit ungenutzt.

Anders als Photovoltaik- und Windanlagen gewinnen solarthermische Kraftwerke den Strom nicht direkt aus der Solarstrahlung sondern konzentrieren zunächst mit speziellen Solarspiegeln die auftreffende Solarstrahlung, um sie in Wärme umzuwandeln. In einem Solarturmkraftwerk entstehen dabei Temperaturen von bis zu 1.000° Grad Celsius. Erst im Kraftwerksteil der Anlage wird die Wärme mittels einer Turbine und eines Generators in elektrische Energie umgewandelt.

Ist im Kraftwerk ein thermischer Speicher integriert, kann dieser einen Teil der für die Stromerzeugung solarthermisch erzeugten Hochtemperaturwärme für bis zu 18 Stunden speichern. Das solarthermische Kraftwerk kann damit auch zeitversetzt von der Verfügbarkeit der erneuerbaren Energiequelle die Nachfrage nach Strom bedienen oder die Wärme als Regelenergie zum Ausgleich von Leistungsschwankungen im Stromnetz bereithalten. Aufgrund der fluktuierenden Solarstrahlung und schwankender Stromnachfrage sind die Wärmespeicher der Solarkraftwerke nicht durchgängig ausgelastet.

Freie Kapazitäten im Wärmespeicher nutzen

An den Standorten von solarthermischen Kraftwerken bestehen meist auch sehr gute Bedingungen für Photovoltaik- oder Windanlagen. DLR-Solarforscher suchten eine Antwort auf die naheliegende Frage: Ist es für ein solarthermisches Kraftwerk aus technischer und ökonomischer Sicht sinnvoll, freie Kapazitäten in bereits vorhandenen thermischen Speichern mit Wärmeenergie aus überschüssigem PV- und Windstrom zu beladen?

Dazu simulierten die Wissenschaftler verschiedene Kraftwerksszenarien mit integriertem Salzspeicher und daran angeschlossenen elektrischen Heizern zur Umwandlung von überschüssiger Elektrizität in Wärme. Es zeigte sich, dass die Variation der Solarfeldgröße, Speicherkapazität und der Anzahl der eingesetzten Heizer das Systemlayout und die resultierenden Stromgestehungskosten in unterschiedlichem Maße beeinflussen.

Kostenvorteil für solarthermische Kraftwerke von bis zu 25 Prozent möglich

Ob sich das Ganze lohnt, hängt stark davon ab, zu welchen Kosten das Solarturmkraftwerk den Überschussstrom beziehen kann. Ist er billiger als 3,5 Euro-Cent pro Kilowattstunde, sinken die durchschnittlichen Stromerzeugungskosten des Solarkraftwerks durch die "Strom-zu-Wärme"-Aufnahme in den Salzspeicher. Steht er sogar kostenlos zur Verfügung, kann das Solarturmkraftwerk den Strom um bis zu 25 Prozent günstiger ins Stromnetz einspeisen als ein vergleichbares Kraftwerk ohne "Strom-zu-Wärme-zu-Strom" Komponente.

Interessant an dieser Technologie ist, dass bestehende solarthermische Kraftwerke mit Hochtemperaturspeicher, zum Beispiel in Spanien, mit überschaubarem Aufwand für die Umwandlung von Strom-zu-Wärme-zu-Strom nachgerüstet werden können. Bei der Planung eines zukünftigen solarthermischen Kraftwerks kann die Technologieerweiterung von Anfang an integriert und passend zum Kraftwerk optimiert werden.

Die techno-ökonomische Studie wurde im Rahmen des DLR-Strategieprojekts IsEn erstellt, das im Januar 2017 startete. Das IsEn-Projekt wird vom DLR-Institut für Technische Thermodynamik koordiniert. Daran beteiligt sind Wissenschaftler der Disziplinen Systemverfahrenstechnik, elektrochemische Energietechnik und thermische Prozesstechnik aus den DLR-Instituten für Technische Thermodynamik, Antriebstechnik, Solarforschung und Flugsystemtechnik. Sie untersuchen in unterschiedlichen Teilprojekten die sogenannten "Power-to-X-to-Power-Speicher". Diese wandeln elektrische Energie in thermische, mechanische oder chemische Energie um und können sie zeitversetzt wieder in elektrische Energie zurückwandeln. Energieverluste bei der Energieumwandlung zu minimieren ist eines der wesentlichen Ziele der Forscher.

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