Solarthermische Kraftwerke und Hochtemperatur-Solarthermie

Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)

Was sind Solarthermische Kraftwerke?

In solarthermischen Kraftwerken (engl. CSP = Concen­trating Solar Power) wird mittels konzentrierender Kollektorsysteme eine so hohe Temperatur in einem Wärmeträgerfluid erzeugt, dass damit der Einsatz von fossilen Brennstoffen in einem konventionellen Kraftwerk ganz oder teilweise ersetzt werden kann. Die Techno­logie­ kann auch zur Bereitstellung von industrieller Prozesswärme, zur Kraft-Wärme-Kopplung und zur Entsalzung­ verwendet werden.

Materialien zum Thema Hochtemperatur-Solarthermie

Unsere Expert*innen für Hochtemperatur-Solarthermie

Heliostatfeld CESA ©DLR

Heliostatfeld CESA ©DLR

Heliostatfeld CESA ©DLR

Heliostatfeld CESA ©DLR

Pluspunkte von solarthermischen Kraftwerken

Solarthermische Kraftwerke sind zum Ausgleich der fluktuierenden Erneuerbaren wie Wind und PV geeignet, da sie in Kombination mit thermischen Energiespeichern (z. B. Speichertanks mit heißem geschmolzenem Salz) den Betrieb der Anlage auch bei Wolkendurchgängen oder nach Sonnenuntergang fortsetzen können. Zusätzlich kann ein Dampfkessel für fossilen Brennstoff, Müll oder Biomasse dafür eingesetzt werden, die sonnenarmen Zeiten zu überbrücken.

  • Solarthermische Kraftwerke können bedarfsgerecht Strom produzieren, weil sie kostengünstig thermische Energiespeicher integrieren oder fossile und biogene Brennstoffe zufeuern können. Sie können dies heute deutlich preiswerter als Batterien.
  • Mit konzentrierenden Kollektoren kann außerdem kostengünstige Hochtemperaturprozesswärme erzeugt werden.
  • Solarthermische Kraftwerke haben eine Energierücklaufzeit von wenigen Monaten.
  • Solarthermische Kraftwerke treiben rotierende Generatoren an und erhöhen damit die Netzstabilität.

Potenziale von Hochtemperatur-Solarthermie

Bis Ende 2017 waren nach Angaben von SolarPACES 5,3 GW an solarthermischen Kraftwerken in Betrieb und etwa 1,3 GW im Bau sowie 4,4 GW in der Planung. Insbesondere in der MENA-Region und in China erfolgt zur Zeit das größte Wachstum.

Dabei sind deutliche Kostensenkungen zu beobachten: Verträge zu Stromlieferung aus solarthermischen Kraftwerken mit Speicher wurden 2018 in Dubai mit 7,3 $cents/kWh abgeschlossen. In Verbindung mit PV-Systemen lässt sich Strom rund um die Uhr zu noch geringeren Kosten erzeugen.

Die weitere Integration solarthermischer Systeme in das europäische Verbundnetz erhöht die Stabilität der Netze auch in Deutschland und erlaubt mittelfristig sehr große Mengen an volatilem Wind- und PV-Strom stabil zu integrieren.

Ebenfalls besteht ein großes Potenzial für die Deckung des industriellen Prozesswärmebedarfs. Deutsche Unternehmen sind in der Projektentwicklung, bei Auslegung und bei der Lieferung von Komponenten im internationalen Wettbewerb gut aufgestellt.

Parabolrinnen-Solarkraftwerke vom Typ SEGS (Solar Electric Generating Systems) in der kalifornischen Mojave Wüste.

Parabolrinnen-Solarkraftwerke vom Typ SEGS

Parabolrinnen-Solarkraftwerke vom Typ SEGS

Parabolrinnen-Solarkraftwerke vom Typ SEGS (Solar Electric Generating Systems) in der kalifornischen Mojave Wüste.

Forschungs- und Entwicklungsbedarf

Bei solarthermischen Kraftwerken unterscheidet man diese Typen:

  • Parabolrinnensysteme
  • Solarturmsysteme
  • Fresnelkollektorsysteme

Für alle drei solarthermischen Kraftwerkstypen besteht folgender F&E-Bedarf mit dem übergeordneten Ziel der Kostensenkung:

  1. Integrationskonzepte für solarthermische Kraftwerke und Wärmespeicher im Verbund mit anderen erneuerbaren Energien mit dem Ziel einer bedarfsgerechten Bereitstellung von Strom und/oder Wärme, z.B. durch
  • Entwicklung neuer Hybridkraftwerke (z. B. CSP+PV oder CSP+Bioenergie)
  • Optimierung der Speicher in Bezug auf Be- und Entladeverhalten
  • Erhöhung der Wüstentauglichkeit und Minimierung des Wasserverbrauchs

2)    Techno-ökonomische Effizienzsteigerung von solarthermischen Kraftwerken zur planbaren netzstabilisierenden Bereitstellung kostengünstiger elektrischer Energie, z.B. durch

  • Erhöhung der Receiver-Austrittstemperaturen zur Steigerung des Systemwirkungsgrades
  • Kostenoptimierung thermischer Speicher
  • Verbesserung des optischen und thermischen Wirkungsgrades von Konzentrator und Receiver
  • Gewichtsreduktion durch Struktur- und Materialoptimierung von Kollektoren und Konzentratoren

3)    Nutzung innovativer digitaler Technologien, um CSP-Kraftwerke kostengünstiger, effizienter und zuverlässiger zu machen, z.B. durch

  • Automatisierung des Anlagenbetriebs mithilfe hochaufgelöster lokaler Strahlungsvorhersage (nowcasting)
  • Optimierung der Fertigungs- und Montagelogistik (BIM) und Nutzung von Rapid Prototyping/ additiven Fertigungsverfahren (3D-Druck) für Schlüsselkomponenten, um Entwicklungszyklen zu beschleunigen
  • hochaufgelöste optische Messtechnik zur beschleunigten Inbetriebnahme sowie zur Erfassung des Betriebs-, Verschmutzungs- und Degradationszustands von Solarfeldern und Receivern in Verbindung mit maschinellem Lernen

4)    Vorbereitung von Standards durch die Entwicklung von robusten Mess- und Prüfverfahren um die die Qualität von Komponenten und Subsystemen zu erfassen

  • Entwicklung von Messverfahren zur Zertifizierung von Komponenten und Systemen
  • In-situ Testverfahren zur Abnahme von Kollektorfeldern
  • Entwicklung beschleunigter Alterungsverfahren für Aussagen über die Lebensdauer der kritischen Komponenten

Parabolrinnen- und Fresneltechnologie

  • Weiterentwicklung der Direktverdampfungs-Technologie
  • Entwicklung alternativer Wärmefluide wie Silikonöle und Salzschmelzen
  • Selektive Solarabsorberschichten für hohe Temperaturen um 500 °C
  • Entwicklung neuer optischer Konzentratorkonzepte

Solarturm-Technologie

  • Technologieentwicklung zur Einkopplung der Solarwärme in Gasturbinen zur Erschließung des Hochtemperaturpotenzials
  • Entwicklung kostengünstiger bzw. hochreflektierender Spiegel, sowie Heliostate und Heliostatfeldsteuerungssysteme
  • neue Wärmträgerfluide mit erweitertem Temperatureinsatzbereich von 100 –1000 °C (Salzmischungen, keramische Partikel, Metallschmelzen)

F&E für Hochtemperatur-Prozesswärme

Der Prozesswärmebedarf (80 bis 250 °C) verläuft in einigen Branchen parallel zum Strahlungsangebot. So könnten im Sommer nennenswerte Anteile des erhöhten Kühlbedarfs für Lebensmittel solar gedeckt werden. Insbesondere in Verbindung mit Wärmespeichern kann solare Prozesswärme auch für industrielle Prozesse bereitgestellt werden.

  • Entwicklung integrierter Solaranlagentechnologien in mehreren Leistungsklassen und Demonstration in Pilotanlagen
  • Entwicklung hocheffizienter und kostengünstiger Kollektoren, darunter auch konzentrierender Systeme für industrielle und gewerbliche Prozesswärme (auch in Verbindung mit KWK) sowie Meerwasserentsalzung
  • Identifizierung erfolgversprechender Anwendungen durch Vorstudien (Screening) in Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen und Branchenverbänden (z. B. Getränkeindustrie)
  • Monitoring des Anlagenbetriebs und Zusammen­fassung der Ergebnisse in Branchenenergiekonzepten
  • Weiterentwicklung und Optimierung von Systemkomponenten und von Regelungs- bzw. Betriebsautomatisierungssystemen
  • Aufbau, Betrieb und Monitoring von Pilotanlagen
  • Entwicklung und Kostenoptimierung von Komponenten­ (z. B. Absorber und Speicher) für die jeweiligen Anwendungstemperaturen
  • Entwicklung angepasster Finanzierungs- und Geschäftsmodelle zur Förderung der Markteinführung bzw. Marktdurchdringung

Aktuelle Materialien

Hier sehen Sie einzelne Artikel zum Thema „Hochtemperatur-Solarthermie“. Eine komplette Übersicht über alle Publikationen finden Sie im Publikationsbereich.

Artikel aus "Forschungspolitische Papiere des FVEE"

FVEE-Positionspapier: Erneuerbare Energien im Wärmesektor – Aufgaben, Empfehlungen und Perspektiven

Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)

Mit diesem Positionspapier möchte der FVEE einen Beitrag leisten zu einer fundierten Diskussion über adäquate Politikinstrumente für die Wärmewende. Es…

Artikel aus "Themenhefte"

Themen 2020: Forschung für den European Green Deal

Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)
Kostenfrei bestellen

Mit dem Green Deal will Europa bis 2050 der erste klimaneutrale Kontinent werden. Der FVEE zeigte auf seiner Jahrestagung 2020…

Die Rolle konzentrierender Solarsysteme für die Strom-, Wärme- und Brennstoffversorgung in Europa

Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)

Themen 2018: Die Energiewende – smart und digital

Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)
Kostenfrei bestellen

Richtig eingesetzt kann Digitalisierung die Energiewende beschleunigen und sie effizienter und kostengünstiger gestalten. Im Themenheft 2018 zeigen die Wissenschaftlerinnen und…

Solarthermische Kraftwerke: Machine Learning im CSP-Speicher-Management zur Optimierung von Dispatch-Strategien

Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)

NREL’ s Research Activitities: Research for the T ransformation of the Global Energy System

Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)

Artikel aus "Programmbroschüren"

Solarthermie

Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)

     

Forschungsziele 2019

Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)
Kostenfrei bestellen

Diese Broschüre informiert über die Forschungsthemen im FVEE zu: Energiebereitstellung Systemkomponenten Energienutzung Energiesystemgestaltung Außerdem finden Sie hier die Ziele des…

Artikel aus "Workshop-Ausgaben"

Workshop 2013: Sensorik für Erneuerbare und Ernergieeffizienz

Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)

Der Band enthält die Beiträge zum Workshop vom AMA Fachverband für Sensorik e.V. und vom ForschungsVerbund Erneuerbare Energien im März…

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Expert*innen

DLR

Prof. Dr. Robert Pitz-Paal

DLR
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe, 51147 Köln
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Prof. Dr. Bernhard Hoffschmidt

DLR
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe, 51147 Köln
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Dr.-Ing. Wolfgang Kramer

Solarthermie Thermische Solaranlagen
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Dr. Thomas Fluri

Solarthermische Kraftwerke; Hochtemperaturspeicher
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Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2, 79110 Freiburg
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Fraunhofer ISE

Dr. Peter Nitz

Fraunhofer ISE
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
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Prof. Dr. Robert Stieglitz

KIT
Karlsruher Institut für Technologie
Kaiserstraße 12, 76131 Karlsruhe
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Prof. Dr. Thomas Wetzel

Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)
KIT
Karlsruher Institut für Technologie
Kaiserstraße 12, 76131 Karlsruhe
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Wuppertal Institut

Dr. Peter Viebahn

ökonomische und ökologische Bewertung Solarthermie; Systemanalyse
Wuppertal Institut
Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie gGmbH
Döppersberg 19, 42103 Wuppertal
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