Konzepte der Sonnenwärmenutzung

Quelle: Wikimedia: United States Department of Energy: http://www.nrel.gov/solar/parabolic_trough.html

Die Sonne schreibt keine Rechnung! Um ihre Energie zu nutzen, gibt es dabei unterschiedliche Möglichkeiten. Zum Beispiel in Form von solarthermischen Kraftwerken. Davon gibt es zwei verschiedene Arten: Kraftwerke mit und ohne Strahlungsbündelung. Doch wie arbeiten sie und wo liegen die Unterschiede der beiden Kraftwerksarten?

Solarthermische Kraftwerke, die mit einer Strahlungsbündelung arbeiten, konzentrieren die Sonneneinstrahlung, die auf die nachgeführten Spiegel und Reflektoren auftreffen. Bei Solarkraftwerken, die ohne eine Strahlungsbündelung arbeiten, wird die Einstrahlung der Sonne über die gesamte Fläche genutzt. Wie funktioniert das nun im Einzelnen?

Solarkraftwerke mit Strahlungsbündelung

Bei dieser Art von Kraftwerken nimmt ein wärmeleitendes Arbeitsmedium thermische Energie auf und nutzt diese, um eine Turbine anzutreiben, die dann Strom erzeugt. Unterschiedliche Typen solcher Kraftwerke, wie Parabolrinnensysteme, Solarturmkraftwerke, Paraboloidkraftwerke und Fresnel-Kollektoranlagen, werden bereits kommerziell betrieben oder befinden sich in der Testphase. Für Kraftwerke mit Strahlungsbündelung werden dabei fokussierende Reflektorflächen oder Absorber, etwa Spiegel, benutzt, um eine konzentrierte Bündelung der Sonnenenergie zu ermöglichen. In der Regel werden sie der Sonne nachgeführt und sammeln die Strahlen auf einer groß angelegten Fläche ein (Solarfarmkraftwerke). Solarturmkraftwerke und Paraboloidkraftwerke kommen ohne einen solch großen Flächenbedarf aus. Sie fangen die Sonnenstrahlen ein und bündeln sie durch Punktkonzentratoren auf nur einen Brennpunkt, der auf einen Receiver gelenkt wird. Beim Paraboloidkraftwerk beispielsweise befindet sich im Receiver eine Stirlingeinheit. Er absorbiert die eingefangene Strahlung und gibt sie an den Stirling-Motor ab. Hier befindet sich ein abgeschlossener Kolbenraum, der mit Arbeitsgas, meistens Luft oder Helium, gefüllt ist. Durch die zugeführte Hochtemperaturwärme wird das Arbeitsgas abwechselnd erhitzt und gekühlt, woraus letztendlich ein viertaktiger Arbeitsablauf entsteht. Über ein Kurbelgetriebe wird dabei mechanische Energie erzeugt, die wiederum über einen Generator elektrische Energie bereitstellt.

Solarkraftwerke ohne Strahlungsbündelung

Für Solarkraftwerke, die ohne Strahlungsbündelung auskommen, also die gesamte einfallende Sonneneinstrahlung, ob Direkt- oder Diffusstrahlung, nutzen, gibt es zwei Systeme. Nachgeführte Reflektoren nutzen sie jedoch beide nicht und auch in punkto Wirkungsgrad glänzen sie nicht gerade mit imposanten Zahlen. Bei den Solarkraftwerken ohne Strahlungsbündelung unterscheidet man zwischen Solarteichkraftwerken und Aufwindkraftwerken.

Die Solarteichkraftwerke machen sich die Absorbtionskraft von Salzseen zunutzen, dessen thermische Energie dann in einem Turbinen-Generator-Block zur Erzeugung von Strom verwendet wird. Der Wirkungsgrad, den ein solches Kraftwerk erreicht, liegt bei maximal 15 Prozent. Aus thermodynamischen Gründen ist ein höherer Wirkungsgrad auch gar nicht möglich. Entsprechend gering ist aber auch der Investitionsaufwand für ein Solarteichkraftwerk, was den geringen Wirkungsgrad wieder relativiert.

Aufwindkraftwerke nutzen die Luft aus, die unter einem großflächigen Dach aus Glas oder Kunststoff von der Sonne erwärmt wird. Die erwärmte Luft steigt dann in einen Kamin auf, der mit Hilfe von Turbinen aus diesem Aufwind elektrischen Strom produziert. Aufwindkraftwerke sind stark von Dauer und Stärke der Sonneneinstrahlung abhängig, aber auch von der Größe der Kollektorfläche und der Höhe des Kamins. Je größer die Dimensionen, desto größer ist auch die Leistung. Allerdings steigen hierdurch auch die Investitionskosten, wobei der, auf die Einstrahlungsenergie der Sonne bezogene Wirkungsgrad relativ gering ist und bei rund einem Prozent liegt. Solche Anlagen arbeiten daher nur in Gegenden mit sehr starker Sonneneinstrahlung tatsächlich wirtschaftlich.

Judith Schomaker

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