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Solarthermische Kraftwerke & Hochtemperatur-Solarthermie (Strom und Prozesswärme)

Was sind Solarthermische Kraftwerke?

In solarthermischen Kraftwerken (engl. CSP = Concen­ trating 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 Techno­ logie­ kann auch zur Bereitstellung von industrieller Prozesswärme, zur Kraft-Wärme-Kopplung und zur Entsalzung­ verwendet werden.

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

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:
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 Erfas-sung 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 Zusammen­ fassung 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   

Materialien zum Thema solarthermische Kraftwerke

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