Konzentrierende Solarthermieanlagen (CSP) erzeugen Strom und Wärme für verschiedene Branchen wie Meerwasserentsalzung, Erdölförderung und mehr. Das US-Energieministerium (Department of Energy Solar Technologies Office, SETO) fördert die CSP-Forschung, um die Leistung zu steigern, Kosten zu senken und die Zuverlässigkeit zu erhöhen. In den letzten zehn Jahren sind die Stromkosten für CSP-Anlagen dank verbesserter Systeme und des verstärkten Einsatzes von Wärmespeichern um über 5 % gesunken, was eine kontinuierliche Solarstromversorgung ermöglicht. SETO strebt eine weitere Senkung der CSP-Ausgaben auf 0.05 US-Dollar pro Kilowattstunde für Grundlastkraftwerke mit einer Wärmespeicherkapazität von mindestens 12 Stunden an.
Konzentrierende Solarthermieanlagen werden typischerweise in Großprojekten , sogenannten CSP-Kraftwerken im Versorgungsmaßstab, eingesetzt und bieten verschiedene Konfigurationen. Solarturmkraftwerke positionieren Spiegel kreisförmig um einen zentralen Turm, der als Receiver dient.
Konfiguration eines konzentrierenden solarthermischen Kraftwerks
Konzentrierende Solarthermieanlagen (CSP) nutzen Sonnenenergie zur Stromerzeugung, indem sie Sonnenlicht in Turbinenstrom umwandeln . Diese Basistechnologien können auch zur Wärmeversorgung verschiedener Industriezweige eingesetzt werden, beispielsweise zur Mineralverarbeitung, Wasserentsalzung, Lebensmittelverarbeitung, Erdölförderung und chemischen Produktion.
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Funktionsweise von CSP
Die Funktionsweise von konzentrierender Solarthermie (CSP) beruht auf der Bündelung der Sonnenenergie durch Spiegel auf einen Receiver, wodurch diese in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme wird in Dampf umgewandelt, der eine Turbine antreibt und so elektrische Energie erzeugt. Dank ihrer Speicherkapazität eignet sich CSP für die Nutzung erneuerbarer Energien und speichert Strom für Zeiten mit geringer Sonneneinstrahlung.
CSP-Systeme können mit anderen Energiequellen kombiniert werden und so Hybridkraftwerke bilden. Sie können mit Wärmekraftwerken kombiniert werden, die Brennstoffe wie Kohle, Erdgas oder Biokraftstoffe verwenden.
Es gibt vier CSP-Technologien:
- Parabolspiegelsysteme: Parabolschüsseln konzentrieren das Sonnenlicht auf einen Receiver mit Nachführsystem und erzeugen so hohe Temperaturen, die für Solarreaktoren geeignet sind.
- Parabolrinnensysteme: Gebogene Reflektoren konzentrieren die Sonnenenergie auf ein Receiverrohr, das Thermoöl enthält, und erhitzen es zur Stromerzeugung.
- Power Tower Systeme: Spiegel oder Heliostaten verfolgen und fokussieren das Sonnenlicht auf einen Empfänger auf einem Turm und erhitzen Flüssigkeit, oft geschmolzenes Salz, um Dampf für eine Turbine zu erzeugen.
- Lineare Fresnel-Systeme: Reihen flacher Spiegel auf dem Boden reflektieren das Sonnenlicht zu einem Empfängerrohr, ähnlich wie Trog- und Turmsysteme, mit der Möglichkeit einer Speicherintegration.
PV vs. CSP
Der Hauptunterschied zwischen Photovoltaik und konzentrierter Solarenergie liegt in der Art und Weise, wie sie elektrische Energie erzeugen.
Konzentrierende Solarthermieanlagen nutzen verschiedene Spiegelkonfigurationen, um die Sonnenenergie einzufangen und eine Wärmekraftmaschine zur Stromerzeugung anzutreiben. Photovoltaik-Solarmodule hingegen nutzen das Sonnenlicht direkt und wandeln es in Elektrizität um.
Im Gegensatz zu CSP absorbieren PV-Zellen Licht und regen dadurch Elektronen zur Stromerzeugung an. Dieser Gleichstrom (DC) wird dann aufgefangen und mithilfe von Wechselrichtern in Wechselstrom (AC) umgewandelt, der dann im Stromnetz verteilt wird.
CSP-Systeme zeichnen sich durch ihre hervorragende Energiespeicherung mittels thermischer Energiespeichertechnologien (TES) aus und ermöglichen so die Stromerzeugung auch ohne Sonnenlicht. PV-Systeme hingegen können keine thermische Energie speichern, da sie auf direktes Sonnenlicht und nicht auf Wärme angewiesen sind. Daher sind CSP-Systeme hinsichtlich Energiespeicherung und Gesamteffizienz überlegen.
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Vor- und Nachteile von CSP
Die Vorteile von CSP sind:
- Es handelt sich um eine erneuerbare, nachhaltige Energiequelle, die reduziert seinen CO2-Fußabdruck. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen nutzt CSP die natürlichen Ressourcen der Erde, was der Umwelt zugutekommt und Klimawechsel.
- CSP sorgt für eine konsistente Stromversorgung im Vergleich zu Solar-PV und Wind dank der Energiespeicherung in geschmolzenen Salzen, was Zuverlässigkeit gewährleistet.
- Die einfache Integration in bestehende Kraftwerke, auch solche mit fossilen Brennstoffen, führt zu geringere Betriebskosten als Alternativen auf Kernenergie- und Kohlenwasserstoffbasis.
- CSP, kombiniert mit anderen Energiequellen, verbessert die Netzsicherheit und deckt den zukünftigen Strombedarf. Darüber hinaus unterstützt es die Ölförderung, indem es Dampf erzeugt, um Schweröl zu konzentrieren und so das Pumpen zu erleichtern.
- CSP bietet das Potenzial, als tragbare Energieform, wie in Studien gesehen Erforschung seiner Verwendung zur kostengünstigen Erzeugung von Wasserstoff für den Transport.
Konzentrierte Solarthermie bietet zwar zahlreiche Vorteile, ist aber auch mit Herausforderungen verbunden.
- Standortabhängigkeit, da große Landflächen wie Solar-PV und Windkraft benötigt werden, ist die Durchführbarkeit in besiedelten Regionen begrenzt.
- Wasserintensive Betriebsabläufe für den Antrieb von Turbinen und die Kühlung von Reaktoren erhöhen Umweltbelange, wobei Meerwasser potenzielle Probleme durch Sonneneinstrahlung mit sich bringt.
- CSP-Anlagen können aufgrund des Lichts Tiere anlocken, was für einige Arten eine Gefahr darstellt.
- Die Technik ist teuer im Betrieb, da Wärmespeichermaterialien teuer und schwer zu beschaffen sind. Geschmolzenes Salz, eine häufig verwendete Wahl, weist betriebliche Einschränkungen auf
- Die Konkurrenz durch Photovoltaik und Kernenergie behindert die Entwicklung von CSP und birgt angesichts der Durchbrüche bei anderen Energiequellen die Gefahr der Veralterung.
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