Solarthermische Kraftwerke und Hochtemperatur-Solarthermie
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.
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.
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:
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
Mit diesem Positionspapier möchte der FVEE einen Beitrag leisten zu einer fundierten Diskussion über adäquate Politikinstrumente für die Wärmewende. Es…
Artikel aus "Themenhefte"
Themen 2022: Forschung für die Wärmewende – klimaneutral, effizient und flexibel
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
Der Band enthält die Beiträge zum Workshop vom AMA Fachverband für Sensorik e.V. und vom ForschungsVerbund Erneuerbare Energien im März…
Artikel aus "Vortragsfolien"
Prozesswärme mit konzentrierter Solarenergie (CSP) und Hochtemperatur-Wärmepumpen (Stathopoulos – DLR)
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Expert*innen
CAE
Prof. Dr. Jürgen Hartmann
Gebäudeintegrierte PV, thermisches Management, E-Fahrzeuge und Komponenten
CAE Center for Applied Energy Research e.V. Magdalene-Schoch-Str. 3, 97074 Würzburg
