Thermische Solarkraftwerke mit Strahlungsbündelung – kurz CSP für Concentrated Solar Power – hören sich stark nach modernster Technik an. Tatsächlich gibt es diese bereits seit über 35 Jahren.
Geschichte der Solarkraftwerke
Im Jahr 1984 wurden in den USA die ersten Solar Energy Generating Systems (SEGS) in Betrieb genommen. Die letzte Anlage wurde 1990 errichtet. Danach schien man diese grüne Technik lange vergessen zu haben, denn bis 2004 wurden keine weiteren CSP-Anlagen gebaut.
Heutzutage ist die Nutzung konzentrierter Solarenergie jedoch eine der am schnellsten wachsenden Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien. Sie hat das Potential, Milliarden Tonnen an Kohlenstoffdioxid zu reduzieren und grosse Teile der Welt mit Strom zu versorgen. Diese einzigartige Technik bringt auch besondere Herausforderungen mit sich. Daher bieten Firmen wie Montanstahl elegante Lösungen aus Edelstahl für viele dieser Anforderungen.
Die Verbreitung der Solarkraftwerke
Installierte CSP-Leistung (Quelle: Wikimedia Commons)
In den letzten Jahren ist die Errichtung thermischer Solarkraftwerke weltweit enorm angestiegen. Seit 2004 hat sich ihre Zahl weltweit verzehnfacht. In den letzten fünf Jahren lag das durchschnittliche Wachstum sogar bei 50 Prozent pro Jahr. Allein 2015 nahmen Marokko 160 Megawatt, Südafrika 150 Megawatt und die USA 110 Megawatt in Betrieb. Damit erhöhten diese Länder die globale installierte und in Betrieb befindliche Leistung auf fast 4,8 Gigawatt.
Die weltweiten Vorreiter der CSP-Technologie sind traditionell Spanien und die USA. Obwohl beide Länder bereits über mehr als vier Gigawatt installierte Leistung verfügen, erreichen die Vorteile dieser Technologie inzwischen alle Teile der Welt. Bis Ende 2015 befanden sich weitere Anlagen entweder im Bau oder waren bereits in Betrieb, unter anderem in Israel, Saudi-Arabien, China, Indien, Algerien, Australien, Chile und Thailand.
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Quelle: REN21 Global Status Report, September 2015
Experten prognostizieren, dass das Wachstum der Solarenergie in den kommenden Jahren ebenso exponentiell verlaufen wird wie in der jüngeren Vergangenheit. Silvio Marcacci, Direktor von Marcacci Communications, erklärte in einem Interview, dass konzentrierte Solarenergie bis 2030 bis zu sieben Prozent des weltweiten Bedarfs an elektrischem Strom und bis 2050 sogar 25 Prozent decken könnte. Auch eine Studie von Greenpeace aus dem Jahr 2009 bezifferte den möglichen Anteil der CSP-Technologie am weltweiten Strombedarf im Jahr 2050 auf 25 Prozent.
Wie CSP funktionieren
Thermische Solarkraftwerke verwenden Spiegel, um das Sonnenlicht auf eine Flüssigkeit zu fokussieren und diese zu erwärmen. Das heisse Medium wird zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt, der wiederum Turbinen antreibt und Strom erzeugt. Diese Technik ist nicht mit Photovoltaik (PV) zu verwechseln, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt.
CSP-Technologie gibt es in vier verschiedenen Ausführungen:
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- Parabolrinne
Ein gewölbter Reflektor konzentriert das Licht auf ein Absorberrohr, das entlang der Brennlinie des Reflektors angebracht ist. Die ersten thermischen Solarkraftwerke mit Strahlungsbündelung, die SEGS in Kalifornien, verwendeten solche Parabolrinnen.
- Parabolrinne
Eine Parabolrinne (Quelle: Wikimedia)
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- Solarturmkraftwerk
Der Turm kann bis zu 160 Meter hoch sein und ist von zehntausenden Spiegeln, sogenannten Heliostaten, umgeben. Diese Spiegel folgen der Bewegung der Sonne und konzentrieren ihre Strahlen auf die Spitze des Turms, wo das Wärmeträgermedium erhitzt und anschliessend zur Dampferzeugung genutzt wird.
- Solarturmkraftwerk
Solarturmkraftwerk (Quelle: Wikimedia)
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- Fresnel-Kollektoranlagen
Diese bestehen aus mehreren schmalen Spiegelstreifen, die das Sonnenlicht auf transparente Absorberrohre konzentrieren. In den Rohren fliesst das Wärmeträgermedium durch das System. Diese Anlagen benötigen weniger Platz und sind in der Regel effizienter und günstiger zu installieren als Parabolrinnen.
- Fresnel-Kollektoranlagen
Fresnel-Spiegel-Kollektoren (Quelle: CSP-world)
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- Dish-Stirling-Anlagen
Hierbei handelt es sich um eigenständige Parabolspiegel, die das Sonnenlicht auf einen Wärmeempfänger konzentrieren und dabei einer riesigen Satellitenschüssel ähneln. Der Spiegel folgt der Sonne und erhitzt das Wärmeträgermedium stark. Anschliessend erzeugt ein Stirlingmotor daraus elektrische Energie.
- Dish-Stirling-Anlagen
Dish-Stirling-Anlage (Quelle: Wikimedia)
Stand der Technik
Die meistverbreitete Technologie und wahrscheinlich auch die effizienteste ist das Solarturmkraftwerk. Diese Anlagen können bis zu 95 Prozent der Sonnenwärme aufnehmen. Darüber hinaus kann die Wärme gespeichert und sogar mitten in der Nacht genutzt werden. Möglich wird dies durch moderne Verfahren zum Transport und zur Speicherung der Wärmeenergie.
Anstatt die Wärmeenergie direkt zum Erhitzen von Wasser zu verwenden, nutzen moderne Solarturmkraftwerke eine Mischung aus Natrium- und Kaliumnitrat. Diese Salzmischung besitzt eine hervorragende Wärmespeicherkapazität und wird im Turm auf 500 bis 600 Grad Celsius erhitzt. Anschliessend wird sie in einen hochisolierten Speichertank transportiert. Wenn Energie benötigt wird, gelangt das Medium durch ein Dampferzeugungssystem und erhitzt dort Wasser, dessen Dampf wiederum eine Turbine zur Stromerzeugung antreibt.
Ideale Orte für Solarkraftanlagen
Solartürme müssen an Orten mit hohem Sonnenpotential, geringer Bevölkerungsdichte und viel freier Fläche errichtet werden. Daher befinden sich Solarkraftwerke häufig in abgelegenen Wüstengebieten. Diese Umgebung bringt besondere Herausforderungen mit sich. Edelstahl hilft dabei, extreme Temperaturen und die korrosiven Bedingungen des Energieerzeugungsprozesses zu bewältigen.
Karte des weltweiten Sonnenpotentials – Watt pro Quadratmeter (Quelle: Renewable Energy)
Was macht Edelstahl zu einer solch guten Wahl für Solaranlagen?
Mit der zunehmenden Verbreitung dieser neuen Arten thermischer Solarkraftwerke erweist sich Edelstahl als idealer Werkstoff für diese High-Tech-Projekte. Die natürlichen Eigenschaften von Edelstahl machen ihn für zahlreiche Anwendungen innerhalb und ausserhalb der Kraftwerke geeignet, darunter:
- Korrosionsbeständigkeit: Edelstahl rostet nicht und ist daher die ideale Wahl für die rauen Umgebungen, in denen Solarkraftwerke häufig errichtet werden. Sand, Feuchtigkeit und die damit verbundene Korrosion machen Edelstahl zu einem geeigneten Material für die Befestigungen der Heliostate. Auch seine Beständigkeit gegenüber Korrosion durch flüssiges Salz macht ihn ideal für Bauteile und Lagertanks innerhalb des Systems.
- Fähigkeit, extremen Temperaturen zu widerstehen: Das Material der Lagertanks muss Temperaturen von über 500 Grad Celsius aushalten. Andererseits müssen die Verankerungsbolzen der drehbaren Spiegel in Wüstennächten Temperaturen unter dem Gefrierpunkt widerstehen. Edelstahl ist dafür eine ideale Lösung, da er sich bei extremen Temperaturen nicht verzieht, bricht oder schmilzt.
- Hygienisch: Im Gegensatz zu manchen anderen Metallen ist Edelstahl über seine gesamte Lebensdauer verschleiss- und rissbeständig. Risse, Splitter und Dellen können Bakterien beherbergen und dadurch Gesundheitsrisiken verursachen. Dank der robusten Eigenschaften von Edelstahl wird auch die flüssige Salzmischung im Solarkraftwerk nicht verunreinigt.
- Lange Lebensdauer: Edelstahl ist auf eine sehr lange Lebensdauer ausgelegt. Die meisten thermischen Solarkraftwerke werden für eine Betriebsdauer von ungefähr 30 Jahren konzipiert. Edelstahl wird die Lebensdauer der Anlage höchstwahrscheinlich übertreffen und ist daher hervorragend für diese Anwendungen geeignet.
Praxisanwendung von Edelstahl in Solarkraftanlagen
Dank seiner einzigartigen Eigenschaften ist Edelstahl für viele Anwendungen innerhalb und rund um Solarkraftwerke praktisch die einzige Wahl. Bereits heute gibt es zahlreiche Beispiele für seinen Einsatz in solchen Projekten.
Im Crescent Dunes Solar Energy Plant in Nevada wurden mehr als sechzig Tonnen Edelstahl für die Verankerungsbolzen der Heliostate eingesetzt. Im selben Kraftwerk kamen weitere 650 Tonnen hochwertiger Edelstahl im Lagertank für heisses Nitratsalz zum Einsatz.
Das Gemasolar Concentrating Solar Power Plant in Fuentes de Andalucía, Spanien, verwendete mehr als 160 Tonnen Edelstahl für die Lagertanks des flüssigen Salzes. Das spanische Ingenieurunternehmen SENER spezifizierte Edelstahl 374H. Dieser bot für die Anwendung die ideale Kombination aus Wärme- und Korrosionsbeständigkeit.
Edelstahlträger für die Tanks des flüssigen Salzes
Bei Montanstahl haben wir eine grosse Anzahl lasergeschweisster Edelstahlträger in der Güte 347H gefertigt. Die massgeschneiderten I-Träger ähneln den Abmessungen IPE240 und IPE270. Das Rohmaterial in Form warmgewalzter Bleche stammte vom finnischen Edelstahlproduzenten Outokumpu. Die Bleche wurden mittels Laser in Streifen geschnitten und anschliessend zu Profilen in Sonderlängen von 8,7 und 9,8 Metern lasergeschweisst. Der Tankbauer bog die Träger danach präzise auf den vorgegebenen Radius für die Wärmespeichertanks eines Solarkraftwerks.
In CSP-Anlagen wird Edelstahl von Planern und Ingenieuren häufig spezifiziert. Er kommt unter anderem für Wärmetauscher, Wasseraufbereitungssysteme, Flansche und zahlreiche weitere Komponenten zum Einsatz.
Es ist klar, dass hochwertiger Edelstahl eine wichtige Rolle bei der Umsetzung einer sauberen Energiezukunft spielt. Da weltweit immer mehr thermische Solarkraftwerke entstehen, werden spezialisierte Anbieter von Edelstahlprofilen wie Montanstahl entscheidend zum Erfolg dieser innovativen Projekte beitragen.
