Solarthermie

Inhalt:

• Technische Beschreibung
  • Flachkollektoren
  • Vakuumröhrenkollektoren
  • Parabolrinnenkollektoren
• Anwendungsgebiete im Alltag

• Solarthermische Kraftwerke
  • Solarturm-Kraftwerk
  • Fallwindkraftwerk
  • Parabolrinnenkraftwerk
  • Paraboloidkraftwerk
  • Solarteichkraftwerke
  • Forschung und weitere Verfahren
• Förderungsmaßnahmen
  • Teil 1: Forschung und Entwicklung
  • Teil 2: Aktuelle Nutzung
  • Teil 3: Konkrete Zahlen

Technische Beschreibung

Die Sonne gibt durch die im inneren ablaufende Kernfusion eine unglaublich hohe Menge an Strahlungsenergie ab. Diese Sonnenstrahlung wird durch die sich um die Erde befindliche Atmosphäre gedämpft. Die gesamte Strahlungsleistung der Sonne, die pro Quadratmeter auf die Erde einfällt, wird durch die Solarkonstante beschrieben. Sie beträgt im Mittel:

E = 1367 W / m²

Die gezielte Nutzung dieser einfallenden Sonnenenergie in Form von elektromagnetischen Wellen geschieht gezielt über so genannte Sonnenkollektoren. Die grundlegende Funktionsweise beruht auf der Übertragung der einstrahlenden Sonnenergie E = h*f, wobei das Plancksche Wirkungsquantum h und die Frequenz f die Energie der Photonen (Lichtteilchen) bestimmen, auf ein Wärme übertragendes Medium. Somit wird die Photonenenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Ein helfendes Verfahren ist die Fokussierung von Lichtstrahlen durch Brenn- bzw. Hohlspiegel, wodurch eine größere Lichtintensität erzielt werden kann.

Man unterscheidet drei Arten von Kollektoren:

• Das Hauptmerkmal der  Flachkollektoren  liegt in der flachen, zentralen Ausrichtung der Kollektoren zur Sonne. Sie arbeiten durchschnittlich bei einer Arbeitstemperatur von ca. 80 °C. Hier wird Licht weder gebündelt noch auf einen Punkt konzentriert. In diesen Kollektoren wird meist ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch (Verhältnis 60:40) als Wärmeträgermedium verwendet. Durch den Zusatz von 40 Prozent Propylenglykol wird ein Frostschutz bis -23 °C und darunter ein Gefrieren ohne Volumenzunahme (keine Frostsprengung) erreicht, sowie eine Siedetemperatur, die je nach Druck 150 °C und mehr betragen kann. Bei höheren Temperaturen gehen viele Kollektoren in Stillstand und liefern keine Energie mehr. Die jährlich nutzbare Wärmeenergie, die ein Solarkollektor von 6 m² im privaten Wohnungsbau liefert, liegt bei circa 2.100 Kilowattstunden (circa 350 kWh/m²). Größere Kollektorflächen haben tendenziell niedrigere Nutzungsgrade, da der Wärmebedarf im Sommer oft nicht mit dem Angebot mitwächst. Die größere Fläche wird jedoch in den sonnenärmeren Zeiten benötigt.

• Vakuumröhrenkollektoren  sind im einfachen Schaubild zwei ineinander gebaute Glasröhren. Zwischen diesen Glasröhren befindet sich ein Vakuum, welches eine Transmission des Lichts zum Absorber (Wärmeübertragsmedium meist Wasser-Glycol-Gemisch) zulässt, aber einen Wärmeverlust durch Konvektion verhindert. Diese Kollektoren können auch als Flachkollektoren verbaut werden (eher selten) und arbeiten bei einer Betriebstemperatur von ca. 150 °C. Nachteil ist die aufwendige Bauweise und die höhere Anfälligkeit des evakuierten Zwischenraumes.

• Parabolrinnenkollektoren  nutzen die Fokussierung der Lichtstrahlen auf eine zentral verlaufende absorbierende Wärmeleitung (Wärmeübertragsmedium meist Thermoöl oder Dampf). Anzumerken ist hier die deutlich höher liegende Arbeitstemperatur zwischen 200 und 500 °C. Daher verwendet man Öle zur Übertragung der Wärmeenergie.

Ziel ist somit ein gezieltes Absorbieren möglichst aller auf dem Kollektor auftreffenden Sonnenergie.

Probleme stellen die Reflexionen der Strahlung (kompliziert durch schrägen Lichteinfall) durch Materialien und Techniken dar. Zudem muss ein Verlust der umgewandelten Wärmeenergie im Übertragungsmedium unterdrückt werden, was durch Dämmung oder Vakuum erreicht werden kann.

Der Quotient aus der gewonnen Wärmeenergie und der auf dem Kollektor eintreffenden Strahlungsenergie ist der Wirkungsgrad. Dieser beträgt bei aktuellem Stand der Forschung zwischen 60 und 75 % (nur der Kollektor).

Anwendungsgebiete im Alltag

Im Folgenden kann man eine Unterscheidung zwischen passiver und aktiver Nutzung von Solarthermie im Eigenheim untersuchen. Zur Erwärmung eines Hauses können z. B. besonders große Fenster Richtung Süden oder eine wärmespeichernde Solarwand dienen. In Verbindung mit einer guten Wärmedämmung und der passive Nutzung der solaren Einstrahlung vermindert sich der Bedarf an zusätzlicher Heizungsenergie stark. Eine durchdachte passive Nutzung der Sonnenenergie ermöglicht es auch in Mitteleuropa, beim Bau von Passivhäusern völlig auf eine “aktive” Heizungsanlage zu verzichten. Das wohl typischste Beispiel für passive Nutzung der Sonnenstrahlung ist der Wintergarten. Da moderne Bürogebäude (beispielsweise in Frankfurt/Main: Commerzbank-Tower, Post Tower) heute oft eine verglaste Außenwand aufweisen, ist das vorrangige Problem dort ein Zuviel an Sonnenwärme. Hier können Spezialgläser helfen, welche die thermischen Strahlen der hoch stehenden Mittagssonne abblocken, aber transparent für eine im Winter oder in den Abendstunden niedrig am Horizont stehende Sonne sind. Oftmals ist auch ein Atrium mit Springbrunnen in der Mitte des Gebäudes, von unten über mehrere Stockwerke reichend, vorhanden, um eine kühlende natürliche Thermik zu erhalten (siehe auch Patio). Die direkte Nutzung der Solarenergie in thermischen Solaranlagen (aktive Nutzung) geschieht über die oben beschriebenen Sonnenkollektoren. Diese können entweder zur Heizungsunterstützung und/oder zur Warmwasserbereitung verwendet werden. Modell 1 verdeutlicht den systematischen Aufbau einer Kombination aus Heizungsunterstützung und Warmwasserbereitung in Verbindung mit einem alternativen Heizsystem (Pellet, Öl, …). Dieses alternative Heizsystem wird dann benötigt, wenn die Kombination aus guter Wärmedämmung und vielen Sonnenstunden nicht ausreicht, um durchgängig die angestrebten Heiztemperaturen zu erreichen. Hierbei spielt die aktuelle Problematik der Speicherung von thermischer Energie über längere Zeit eine große Rolle.

Treffen nun Sonnenstrahlen auf den Kollektor, geben sie fast 80 % ihrer Energie an den Absorber ab. Die erwärmte Solarflüssigkeit wird mit einer drehzahlgeregelten Umwälzpumpe in den unteren Wärmetauscher des Speichers gepumpt. Dort gibt sie ihre Wärme an das relativ kältere Pufferwasser des Heizkreises im Speicher ab. Das Trinkwasser und das Pufferwasser im oberen Bereich des Kessels erwärmen sich dadurch, steigen im Speicher nach oben und können dann beispielsweise zum Duschen, Baden und im gesamten Haushalt als Heizenergie verwendet werden. Eine Temperaturdifferenz-Regelung setzt die Pumpe im Solarkreis nur dann in Gang, wenn die Kollektortemperatur über der Speichertemperatur liegt. Die besten Solarerträge lassen sich bei einer Kollektorneigung von 35 bis 50 Grad und einer Süd-, Südwest- oder Südostausrichtung erzielen. Dachflächen, auf die zum Beispiel durch Bäume oft Schatten fällt, sind ungeeignet. Bei der Montage unterscheidet man zwischen Aufdach-, Indach-, Flachdach- und Wandmontage.

Solarthermische Kraftwerke

Da die Ressourcen der fossilen Brennstoffe in naher Zukunft erschöpft sein werden, muss man andere Wege finden, um die benötigte elektrische Energie bereit zu stellen. Solarthermie ist hier ein immer häufiger auftauchender Begriff, da (wie bereits oben erwähnt) die Sonne ein immerwährender Energielieferant ist, der nur richtig genutzt werden muss. Bei der allgemeinen Solarthermie nutzt man die aus der Sonne gewonnene Wärme; um aus diesem Effekt elektrische Energie zu gewinnen, muss man spezielle Verfahren in der Kraftwerkstechnologie anwenden. In solarthermischen Kraftwerken wird Sonnenlicht durch Spiegelsysteme auf einen Absorber gebündelt und die dort erzeugte Wärme mit Hilfe konventioneller Technik (z.B. Dampfturbinen) zur Stromproduktion genutzt. Je nach Art des fokussierenden Spiegelsystems werden Rinnenkraftwerke, Turmkraftwerke und Dish-Anlagen unterschieden.

Diese werden im Folgenden vorgestellt:

Solarturm-Kraftwerk

Um einen ca. 50 bis 150 Meter hohen Turm ist ein Feld aus Heliostaten (Brennspiegeln) angeordnet, die computergesteuert der Sonne nachgeführt, und deren reflektierte Strahlen auf einen an der Spitze des Turmes angebrachten Absorber („Receiver“) gebündelt werden. Durch diesen fließt ein Wärmemedium, das sich durch die gebündelte Solarenergie auf bis zu 1000 °C aufheizen lässt. Über ein Wärmetauschersystem wird die erzeugte Wärmeenergie zur Erzeugung von Dampf verwendet, der wie in einem bereits bekannten Kraftwerkssystem eine, an einen Generator gekoppelte, Turbine antreibt und somit el. Energie erzeugt.

Derzeit existieren verschiedene technologische Ansätze, die auf unterschiedlichen Wärmeträgermedien (Luft, Wasser/Dampf oder Salzschmelzen) und Receivern (Rohrbündelwärmetauscher, atmosphärische oder druckaufgeladene volumetrische Strukturen) aufbauen.

Das derzeit größte Solarturm-Kraftwerk „Solar Two“ steht in der Mojave-Wüste in Kalifornien/USA und liefert eine Leistung von ca. 10 MW. Eine derartige Versuchs- und Demonstrationsanlage wird zurzeit in Jülich in Zusammenarbeit mit der FH Aachen errichtet und soll bis Ende 2008 fertig gestellt sein. Hier soll erforscht werden, ob am Standort Deutschland eine solche Technologie sinnvoll ist.

Fallwindkraftwerk

Im Unterschied zum o. g. Solarturm benötigen Fallwindkraftwerke keine Sonnenkollektoren am Boden, die die Sonnenenergie auf einen bestimmten Punkt konzentrieren. Bei diesem Prinzip wird lediglich ein hoher Kamin verwendet, in dessen oberem Teil Wasser eingesprüht wird. Das verdunstende Wasser entzieht der Luft Wärme, diese kühlt sich um etwa 12 °C gegenüber der Außenluft ab und fällt innerhalb des Kamins mit Geschwindigkeiten bis 20 m/sec nach unten. Am Fuß des Kamins ist wie beim Solarturm-KW eine, mit einem Generator gekoppelte, Turbine installiert, die durch den künstlich erzeugten Wind angetrieben wird. Die besten und stetigsten Bedingungen für diesen Kraftwerkstyp finden sich im Bereich der Rossbreiten, da hier das ganze Jahr trockene und warme Luft zur Verfügung steht. Aufgrund der indirekten Sonnennutzung funktioniert die Technologie auch nachts. Türme mit etwa 1200 m Höhe und 400 m Durchmesser sollen an geeigneten Standorten Leistungen von bis zu 900 MW erreichen oder eine Netto-Leistung von ca. 600 MW zu ungefähr 2/3 des Jahres bereitstellen können. Fallwindkraftwerke kämen damit auf eine Leistung und Betriebsdauer, die mit konventionellen fossilen und atomaren Kraftwerken vergleichbar ist. Der Wirkungsgrad erreicht zwar nur etwa 2,5 %, ist aber aufgrund der „unendlichen“ und kostenlosen Ressource „warme Luft“ unerheblich. Etwa 1/3 der erzeugten Bruttoelektrizität wird als Pumpenergie benötigt, um das zu verdampfende Wasser auf die Spitze des Kamins zu transportieren. Da sich der Wirkungsgrad bei kleineren Anlagen deutlich verschlechtert, führt dies dazu, dass nur große Anlagen wirtschaftlich tragfähig erscheinen. Fallwindkraftwerke existieren derzeit nur als Konzept. Eine Realisierung wird in Israel vorangetrieben, scheitert aber im Moment an fehlenden finanziellen Ressourcen.

Parabolrinnenkraftwerk

Hier werden Hohlspiegel genutzt, um die Sonnenstrahlung auf einen Punkt zu konzentrieren und damit um ein Vielfaches zu verstärken. Spiegel mit parabelförmigem Querschnitt sind hierfür besonders geeignet, weil sie auch noch die Randstrahlung auf die Mitte fokussieren können. Werden die Spiegel in Form einer Rinne konstruiert, kann die Sonnenstrahlung, um etwa das Vierzigfache konzentriert, auf ein Absorberrohr mit wärmeleitender Flüssigkeit gelenkt werden. Zur Erhöhung der Leistung sind die Parabolrinnen in Nord-Süd-Richtung angeordnet und können durch eine verstellbare Längsachse im Tagesverlauf der Sonne von Ost nach West nachgeführt werden. Die Wärmeleitflüssigkeit wird in ihrem zirkulierenden System bis auf 400 °C erhitzt und produziert über Turbine und Generator Strom. Eine bekannte großtechnische Anlage ist das Parabolrinnenkraftwerk in der kalifornischen Mojave-Wüste. Es hat insgesamt 2,3 Mio. Quadratmeter Spiegelfläche und erzeugt 354 Megawatt el. Leistung. Ähnliche Großanlagen sind unter anderem auf Kreta, in Ägypten und Indien geplant. Eine Weiterentwicklung der Parabolrinnen sind so genannte Fresnel-Spiegel-Kollektoren. Bei ihnen wird das Sonnenlicht über mehrere zu ebener Erde angeordneten parallele, ungewölbte Spiegelstreifen (nach dem Prinzip einer Fresnel-Linse) auf ein Absorberrohr gebündelt. Die Streifen werden einachsig nachgeführt. Ein zusätzlicher Sekundärspiegel hinter dem Rohr lenkt die Strahlung auf die Brennlinie. Dieses Konzept befindet sich derzeit in der praktischen Erprobungsphase.

Paraboloidkraftwerk (Dish)

In einem Paraboloidkraftwerk konzentriert ein zweiachsig der Sonne nach geführter Parabolspiegel die Sonnenenergie direkt auf einen Absorber, der im Brennpunkt des Spiegels installiert ist. Das Arbeitsgas (Helium, Luft) darin erhitzt sich auf bis zu 900 °C und treibt einen Stirlingmotor oder eine Gasturbine neben dem Absorber an. Der Stirling-Motor setzt die thermische Energie direkt in mechanische Arbeit um. Solche Anlagen erreichen die höchsten Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Bei einem Experiment in Frankreich mit einem Parabolspiegel von 8,5 m Durchmesser (Fläche 56,7 m²) wurde eine Nettoleistung von 9,2 kW erzielt, was einem Wirkungsgrad von 16 % entspricht. Die Module eignen sich zur dezentralen Energieversorgung in abgelegenen Regionen und erlauben es, beliebig viele dieser Module zu einem großen Solarkraftwerk zusammenzuschalten. Damit kann ein Leistungsbereich bis zu einigen Megawatt abgedeckt werden.

Solarteichkraftwerke

In Solarteichkraftwerken bilden flache Salzseen eine Kombination von Solarkollektor und Wärmespeicher. Das Wasser am Grund ist viel salzhaltiger und daher dichter als an der Oberfläche. Wird Sonnenstrahlung in den tieferen Schichten absorbiert, heizen sich diese auf 85 bis 90 °C auf. Aufgrund des durch den unterschiedlichen Salzgehalt bestehenden Dichtegradienten kann das erwärmte Wasser nicht aufsteigen, es findet keine Konvektion statt und die Wärme wird in der unteren Wasserschicht gespeichert. Die gespeicherte Wärme kann zur Stromerzeugung in einem Turbinen-Generator-Block verwendet werden und steht bei entsprechender Auslegung 24 Stunden pro Tag zur Verfügung.

Forschung und weitere Verfahren

Neben dem Endprodukt elektrischer Strom besteht noch die Möglichkeit, die thermische Energie in der Solarchemie zu nutzen. Ein für die solare Wasserstoffwirtschaft wichtiges Forschungsergebnis ist die kürzlich am DLR gelungene thermische Spaltung von Wasserdampf in Wasserstoff (siehe auch Wasserstoffherstellung). Mit Hilfe eines Katalysators konnte die für diesen Vorgang benötigte Temperatur von einigen tausend Grad Celsius auf unter 1400 °C gesenkt werden.

Förderungsmaßnahmen

Teil 1: Forschung und Entwicklung

Um den Markt der aufstrebenden regenerativen Energietechnik im eigenen Land zu unterstützen, hat das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (kurz BMU) umfangreiche Förderungsmaßnahmen eingerichtet. In dem sich neu entwickelnden Weltmarkt für solarthermische Kraftwerke haben deutsche Firmen dank der mit BMU-Förderung entwickelnden Technologien hervorragende Chancen. Die ersten Kraftwerke in Nevada und Spanien wurden mit maßgeblicher deutscher Beteiligung realisiert. Allein im Jahr 2007 wurde vom BMU ein Fördervolumen von 5,9 Mio. Euro neu bewilligt, zusätzlich zu der Unterstützung von weiteren 5,9 Mio. Euro, die in bereits laufende Projekte fließen. Ab dem Jahr 2008 wird die Förderung für erneuerbare Energien im Wärmemarkt mit neuen Schwerpunkten fortgesetzt. Für das so genannte Markanreizprogramm stehen insgesamt bis zu 350 Millionen Euro zur Verfügung. Das sind deutlich mehr als in den Jahren zuvor. Als Teil des integrierten Energie- und Klimaprogramms der Bundesregierung hat das BMU eine neue Förderrichtlinie für das Marktanreizprogramm erlassen, die unbefristet ab 2008 gelten soll. Ab 2009 stehen für das Programm bis zu 500 Millionen Euro zur Verfügung. Die Mittelaufstockung erfolgt aus Erlösen durch die Versteigerung von Emissionszertifikaten. Ein zentrales Ziel der Förderung nach diesen Richtlinien ist es, durch Investitionsanreize den Absatz von Technologien der erneuerbaren Energien im Wärmemarkt zu stärken und so zur Senkung deren Kosten und zur Verbesserung von deren Wirtschaftlichkeit beizutragen. Ab dem Jahr 2008 werden infolgedessen mit der neu eingeführten Innovationsförderung für neuartige oder besonders innovative Technologien nach Maßgabe dieser Richtlinien besondere Anreize für die Marktentwicklung gesetzt.

Teil 2: Aktuelle Nutzung

Generell wird der Einsatz von solarthermischen Anlagen vom Staat je nach Größe und Einsatzgebiet finanziell gefördert. Das BMU zielt mit der Förderung im Bereich der Niedertemperatur – Solarthermie darauf ab, den Anteil der Solarthermie an der Wärme- und Kälteerzeugung deutlich zu erhöhen. Sie soll zunehmend zur Substitution fossiler Brennstoffe und damit zur CO2-Minderung beitragen. Der Plan sieht vor, bis zum Jahr 2020 eine Verzehnfachung der installierten thermischen Solarleistung zu erreichen. Um dies realisieren zu können, wurde die Fördermaßnahme: “Solarthermie2000plus“ ins Leben gerufen. Sie richtet sich an Eigentümer entsprechend großer bestehender oder neu zu errichtender Gebäude bzw. Liegenschaften zur Integration von solarthermischen Anlagen in den Bauplan.

Hintergrund: Die Energiepolitik in Deutschland zielt gleichrangig auf

• die Wirtschaftlichkeit für Erzeuger und Verbraucher,
• die Schonung von Umwelt und Ressourcen, insbesondere auf die Minderung der CO₂-Emissionen,
• die Sicherheit der Energieversorgung.

Teil 3: Konkrete Zahlen (Stand BAFA 6/2008)

Solarkollektoren für die Warmwasserbereitung (Trinkwasser und-/oder Brauchwasser)

• Bei einer Erstinstallation fördert die BAFA bis 40 m² jeden verlegten m² mit 60 Euro für reine Trinkwasseranlagen und 105 Euro für Kombianlagen.
• Bei der Erstinstallation von Solarkollektoranlagen von mehr als 40 m² Bruttokollektorfläche auf Ein- oder Zweifamilienhäusern zur kombinierten Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung und mit Pufferspeichervolumina von mindestens 100 Litern je m² Bruttokollektorfläche wird für die ersten 40 m² 105 Euro je m² Bruttokollektorfläche und für die darüber hinaus errichtete Bruttokollektorfläche 45 Euro je angefangenem m² Bruttokollektorfläche gewährt.
• Für eine Erweiterung einer bestehenden Solarkollektoranlage werden für jeden neuen m² 45 € gezahlt. Die Gesamtgrenze der Erweiterung liegt hier bei 40 m².
• Regenerativer Kombinationsbonus: 750 Euro für z. B. eine Kombination aus Biomasseheizung und Solarkollektoren zur Heizungsunterstützung.
• Kesseltauschbonus: Der Bonus beträgt bei der Kombination von Kesseltausch mit Solarkollektoren zur kombinierten Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung 750 Euro und in der Kombination von Kesseltausch mit Solarkollektoren zur alleinigen Warmwasserbereitung 375 Euro.
• Effizienzbonus
• Bonus für besonders effiziente Solarpumpen (pro Pumpe maximal 50 Euro).
• Bonus für besonders effiziente Umwälzpumpen (pro Heizungsanlage maximaler Bonus von 200 Euro).

Der Text dieser Seite wurde weitgehend dem Artikel “Solarthermie” aus der deutschen Wikipedia, Stand 4.10.2008, entnommen und unterliegt damit der GFDL. Hier Links zur Quelle und zur Autorenliste.