Ein Speicher voller Sonne

Solarthermiekraftwerke wandeln die Energie der Sonne in elektrische Energie um. Das große Plus: Mit Wärmespeichern liefern sie auch dann Strom, wenn die Sonne nicht scheint. Von einer umweltfreundlichen Technologie, der Experten eine große Zukunft voraussagen.

Hunderttausende Spiegel glitzern in der Wüstensonne. 800 Reihen bilden sie, jeweils hunderte Meter lang. In Ouarzazate im Süden Marokkos entsteht eine Stromfabrik der Superlative: Das Sonnenwärmekraftwerk soll das größte der Welt werden, so groß wie etwa 4.000 Fußballplätze. Seit Inbetriebnahme im Februar 2016 produziert die erste Ausbaustufe Noor I – auf Arabisch „Licht“ – mit einer Nennleistung von 160 Megawatt (MW) Strom. Genug für 350.000 marokkanische Haushalte. Noor I ist erst der Anfang: Das auf insgesamt vier Kraftwerke ausgelegte Vorzeigeprojekt soll bis Ende 2017 eine Kapazität von 500 MW liefern.

Strom aus der Wüste

„Solarwärmekraftwerke konzentrieren Sonnenlicht, um hohe Temperaturen zu erzeugen. So können sie in sonnenreichen Regionen in großen Mengen umweltfreundlichen Strom aus erneuerbarer Quelle liefern“, erklärt Professor Robert Pitz-Paal, Direktor des Instituts für Solarforschung am Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR). Konzentrierende Solarthermie, beziehungsweise Concentrating Solar Power (CSP), eignet sich am besten für Länder mit hoher Sonnenintensität. Der marokkanische Solarpark liegt perfekt: Die Sonneneinstrahlung erreicht in der Gegend um Ouarzazate eine Intensität von mehr als 2.500 Kilowattstunden (kWh) pro Quadratmeter und Jahr – einer der höchsten Werte weltweit.

Interview mit Professor Pitz-Paal, Direktor des Instituts für Solarforschung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Was ist konzentrierende Solarthermie (Concentrating Solar Power, CSP) und was fasziniert Sie daran?

Fast jeder kennt Photovoltaik oder Windkraft, aber nur wenige konzentrierende Solarthermie. Woran liegt das?

Welche Forschungsschwerpunkte werden gesetzt?

Standort von Noor: Die marokkanische Stromfabrik der Superlative liegt in einer der sonnenreichsten Regionen der Welt.

Noor-I-Anlage: Die erste Stufe der weltgrößten Solaranlage wurde 2016 in Marokko nahe der Sahara eingeweiht.

Konzentrierte Sonnenkraft

537.000 computergesteuerte Parabolspiegel richten sich in der Noor-I-Anlage wie Sonnenblumen ständig zur Sonne hin aus. Sie bündeln die Lichtstrahlen der Sonne und wandeln sie in Wärmeenergie um. Über zehn Meter ragen die leicht gebogenen Spiegel in die Höhe. In ihrer Mitte verlaufen Rohrleitungen, in denen ein Thermoöl zirkuliert. Die synthetische Flüssigkeit, die auf bis zu 393 Grad Celsius erhitzt werden kann, wird zum Kraftwerk geleitet, dem Zentrum der gigantischen Spiegelfläche. Dort wird Wasserdampf erzeugt, der die riesige Kraftwerksturbine antreibt. Damit der Strom auch nach Sonnenuntergang zur Verfügung steht, wurden große Wärmespeicher installiert. Dadurch können Solarwärmekraftwerke im erneuerbaren Energiemix einen entscheidenden Vorteil bieten: Strom kann rund um die Uhr genutzt werden.

Mehr als eine Million Haushalte werden mit Strom versorgt: Nach der Fertigstellung der kompletten Anlage werden sich die Parabolspiegelreihen über eine Fläche von 30 Quadratkilometern ziehen.

Prinzip Sonnenblume: Die computergesteuerten Parabolspiegel richten sich ständig zur Sonne hin aus.

Volle Leistung auch nachts

Die Wärmespeicher von Noor I bestehen aus zwei riesigen Stahltanks: „Darin befindet sich eine spezielle Salzmischung aus Kalium- und Natriumnitrat, die bei Temperaturen von etwa 240 Grad Celsius flüssig wird“, erklärt Dr. Matthias Hinrichs, Manager Solar Business und New Business Development Inorganics bei BASF. Das Chemieunternehmen konzentriert sich bei den Speichersalzen auf die Herstellung von hochreinen synthetischen Natriumsalzen – schon seit über 90 Jahren. Durch die Abgabe der Wärme aus dem Speicher kann die volle Leistung der CSP-Kraftwerke auch über Nacht aufrechterhalten werden. Für die Salzmischungen in den Speichertanks werden gewaltige Mengen benötigt: Rund 27.000 Tonnen Natriumnitrat produzierte BASF in Ludwigshafen allein für die Anlage in Marokko.

Sonnenenergie auch bei Nacht: In den zwei riesigen Stahltanks von Noor I speichert eine spezielle Salzmischung aus Kalium- und Natriumnitrat die Wärme.

Natriumnitrat von höchster Reinheit: In solarthermischen Kraftwerken speichert das geschmolzene Salz von BASF Sonnenenergie, die bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Mikroskopische Aufnahme, Vergrößerung 320:1 (bei 12 cm Bildbreite).

Neue Investitionen und Job-Boom?

Laut der Studie „Solar Thermal Electricity – Global Outlook 2016“ leisten Länder wie Marokko damit einen wichtigen Beitrag, um den Ausstoß von Treibhausgasen zu vermindern: Bereits 2020 könnten die Länder, die im Sonnengürtel der Erde liegen – also zwischen dem 40. nördlichen und 40. südlichen Breitengrad – durch konzentrierende Solarwärme 32 Millionen Tonnen CO₂ einsparen. Aktuell belegen Spanien und die USA in Sachen CSP-Kapazität die Spitzenplätze. Doch andere Länder ziehen nach: China will bis 2020 Solarwärmekraftwerke mit einer Gesamtkapazität von 10 Gigawatt (GW) in Betrieb nehmen und Saudi-Arabien plant bis 2032 eine CSP-Kapazität von 25 GW. Nach Ansicht der Studie, die von SolarPACES, einem Technologieprogramm der Internationalen Energieagentur (IEA), Greenpeace und dem europäischen Industrieverband Solarthermische Stromerzeugung (ESTELA) in Auftrag gegeben wurde, würde zudem der Einsatz der klimaneutralen Energiequelle in diesen Ländern im selben Jahr für Investitionen in Höhe von 16 Milliarden € sorgen und in Zukunft 70.000 neue Arbeitsplätze schaffen.

Prinzip Solarthermie

Wärmeenergie aus Sonnenkraft

Sie ist Milliarden Jahre alt und immer noch voller Kraft: die Sonne. Technologien wie Photovoltaik und Solarthermie nutzen den erdnahen Stern als nahezu unerschöpfliche Energiequelle. Während bei der Photovoltaik Solarzellen das Sonnenlicht direkt in Elektrizität umwandeln, wird bei der Solarthermie Wärmeenergie erzeugt. In privaten Haushalten sorgt Solarthermie vor allem für warmes Wasser und wohltemperierte Räume. Mit konzentrierender Solarwärme hingegen, auch CSP (Concentrating Solar Power) abgekürzt, kann in großem Stil Strom erzeugt werden: Ein Solarwärmekraftwerk wie Noor I in Marokko hat eine Kapazität von 160 Megawatt (MW) und liefert Strom für 350.000 Haushalte. Tausende Spiegel bündeln das Sonnenlicht und erwärmen eine Flüssigkeit. Die Wärmequelle wiederum erhitzt Wasser zu Dampf, bevor dieser durch einen Generator Strom erzeugt. Um die Sonnenstrahlen zu bündeln, kommen vier verschiedene Kollektorentypen zum Einsatz:

Bei Parabolrinnenkraftwerken wird die Sonnenstrahlung auf ein Rohr im Fokus des Spiegels konzentriert. Die Wärmeenergie im Rohr wird weitergeleitet.

Parabolrinnen-Kollektoren

Große, rinnenförmige Spiegel reflektieren die Sonnenstrahlung auf einen Wärmeübertrager (Receiver).

Ebenso wie Parabolrinnen fokussieren auch Fresnel-Kollektoren die direkte Solarstrahlung auf eine Brennlinie, um ein Receiver-Rohr zu erwärmen. Sie sind jedoch flach angeordnet.

Fresnel-Kollektoren

Schmale, flache Spiegelstreifen sind so angeordnet, dass sie die gleiche Funktion erfüllen können.

In Dish-Stirling-Anlagen wird die Sonnenstrahlung durch einen schüsselförmigen Spiegel auf einen Punkt konzentriert. Die dort konzentrierte Wärmeenergie wird mit einem Stirlingmotor in mechanische Energie umgewandelt.

Dish-Kollektoren

Zusammenhängende paraboloidförmige Spiegel konzentrieren die Sonnenstrahlen auf einen Punkt.

An der Turmspitze dieses Kraftwerks entstehen Temperaturen bis über 1000 Grad Celsius, die zur Stromerzeugung genutzt werden können.

Heliostate

Tausende Spiegel lenken bei sogenannten Turmkraftwerken die Sonnenstrahlen auf einen zentralen Empfänger an der Spitze eines Turms.

Voraussetzung für einen hohen Ertrag ist eine direkte Sonneneinstrahlung, die es vor allem im Sonnengürtel der Erde gibt. In Ländern wie Spanien, den USA, in Nahost und Nordafrika stehen und entstehen besonders viele CSP-Anlagen. Die Energie, die die konzentrierende Solarthermie einfängt, lässt sich dabei mit großen thermischen Speichern aus flüssigem Salz, das die gewonnene Wärme vorhält, noch steigern – für Zeiten, in denen die Sonne nicht scheint.