Edelstahlprofile für Solarkraftwerke

Thermische Solarkraftwerke mit Strahlungsbündelung – CSP, aus dem Englischen für Concentrated Solar Power – hört sich stark nach modernster Technik an. Tatsächlich gibt es diese bereits seit über 35 Jahren.

Geschichte der Solarkraftwerke

Zurück im Jahr 1984 wurden die ersten amerikanischen Werke für die Erzeugung von Solarenergie (SEGS) gestartet. Die letzte wurde 1990 in Betrieb genommen. Danach scheint man diese grüne Technik vergessen zu haben, denn bis 2004 wurden keine weiteren Solarkraftwerke mehr errichtet.
Heutzutage ist die Nutzung der Solarenergie jedoch eine der meist wachsenden Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien schlechthin. Dies hat das Potential für die Reduzierung von Milliarden von Tonnen an Kohlenstoffdioxid (CO2) und für die Belieferung mit Strom an grosse Teile der Welt. Diese einzigartige Technik führt auch einzigartige Herausforderungen mit sich. Daher bieten Firmen wie Montanstahl elegante Lösungen aus Edelstahl für verschiedene Bereiche dieser Anforderungen.

Die Verbreitung der Solarkraftwerke

CSP Installierte Leistung (Quelle: Wikimedia)

In jüngsten Jahren ist die Errichtung von thermischen Solarkraftwerken enorm angestiegen. Seit 2004 sind diese weltweit verzehnfacht worden. In den letzten fünf Jahren liegt das Wachstum sogar bei 50% jährlich. Allein im Jahr 2015 haben Marokko 160 Megawatt, Südafrika 150 Megawatt und die USA 110 Megawatt an das Stromnetz angeschlossen. Somit kommen diese Nationen auf eine gesamte globale Leistung von 4.8 Gigawatt an produzierter Sonnenenergie.

Die weltweiten Vorreiter der CSP Technologie sind aus Tradition schon immer Spanien und die USA gewesen. Obwohl beide Länder bereits über eine installierte Leistung von über 4 Gigawatt verfügen, werden die Vorteile dieser Energieversorgung weiter ausgebaut und über alle Kontinente ausgesät. Bis Ende 2015 sind weitere Kapazitäten in Bauphase oder werden bereits in Betrieb genommen. Dies geschieht selbst in Ländern, die traditionsbedingt andere Energiequellen einsetzen. Dazu gehören zum Beispiel Israel, Saudi Arabien, China, Indien, Algerien, Australien, Chile und Thailand.

Quelle: RREN21 Global Status Report, September 2015

Gemäss den Experten wird Solarenergie in den kommenden Jahren das selbe exponentielle Wachstum der letzten Jahre an den Tag legen. Der Direktor von Marracci Comunications, Silvio Marracci, hat in einem Interview Prognosen über den globalen Anteil an Solarenergie abgegeben: Bis 2030 soll etwa sieben Prozent des Weltverbrauchs von elektrischem Strom durch Solarenergie abgedeckt sein, in 2050 sogar 25 Prozent. Auch eine Studie von Greenpeace aus dem Jahr 2009 beziffert die Deckung des Strombedarfs durch thermische Solarkraftwerke auf ein Viertel im Jahr 2050.

Wie CSP funktionieren

Thermische Solarkraftwerke verwenden Spiegel, um das Sonnenlicht auf eine Flüssigkeit zu fokussieren und diese zu erwärmen. Diese heisse Lösung wird verwendet, um Wasserdampf zu produzieren. Dieser wiederum dreht Turbinen zur Stromerzeugung. Diese Technik ist jedoch nicht mit Photovoltaik zu verwechseln, welche mittels einer chemischen Reaktion Sonnenlicht im Elektrizität verwandelt.

CSP-Technologie gibt es in vier verschiedenen Ausführungen:

- Parabolrinne
  Ein gewölbter Reflektor konzentriert das Licht auf ein Absorberrohr, das im Fokuspunkt über die Länge der Rinne angebracht ist. Die ersten thermische Solarkraftwerke mit Strahlungsbündelung (die SEGS in Kalifornien) waren von diesem Typ.

Eine Patabolrinne (Quelle: Wikimedia)

- Solarturmkraftwerk
  Der Turm dieser Kraftwerke (auch Zentralreceiverkraftwerke genannt) kann bis zu 160 Meter hoch sein. Er ist dabei von hunderten bis tausenden Spiegeln (Heliostate) umgeben. Die Spiegel drehen sich automatisch und folgen so der Ausrichtung des Sonnenlichts. Dabei konzentrieren sie dieses auf die Spitze des Turms, wo ein Wärmeträgermedium erhitzt wird.

Solarturmkraftwerk (Quelle: Wikimedia)

- Fresnel-Kollektoranlagen
  Die Fresnel-Spiegel-Kollektoren bestehen aus mehrerer Spiegelstreifen, welche die Sonnenstahlen auf ein Absorberrohr reflektieren. In dem Rohr fliesst ein Wärtmeträgermedium, das zur Dampferzeugung verwendet wird. Diese Art von Solaranlagen ist effizienter als die ältere Generation der Parabolrinnen. Sie benötigt zudem kleinere Grundstücke und die Installation ist auch noch günstiger.

Fresnel-Spiegel-Kollektoren (Quelle: CSP-world)

- Dish Stirling Anlagen
  welche auch Paraboloidkraftwerken genannt werden, sind eigenständige, zweiachsig drehbare Paraboloidspiegel. Sie konzentrieren das Licht auf einen Wärmeempfänger ähnlich einer riesigen Satelittenschüssel. Den höchsten Wirkungsgrad erzielt man bei sofortiger Umwandlung der Solarenergie in mechanische Energie mittels eines nachgeschalteten Stirlingmotors.

Dish Sterling Anlage (Quelle: Wikimedia)

Stand der Technik

Die meistverbreitete Technologie, und die wahrscheinlich am effizienteste, ist jene mit dem Einsatz von Solarturmkraftwerken. Diese sind in der Lage, bis zu 95 Prozent der Sonnenenergie aufzunehmen. Nicht nur dank moderner Techniken kann diese Wärme transportiert und sogar gelagert werden. So kann sie zum Beispiel nachts eingespeist werden.
Anstatt mittels Sonnenenergie direkt Wasser zu heizen, verwenden moderne thermische Solarturmkraftwerke flüssiges Natrium- und Kaliumnitrat als optimalen Wärmeträger. Dieser wird im Turm bis auf 500 bis 600 Grad Celsius erwärmt. Dieses flüssige Nitratsalz wird dann in grossen, isolierten Tankbehältern gelagert. Bei Bedarf wird Dank des hohen energetischen Anteils des Mediums Wasserdampf erzeugt, der wiederum Turbinen für die Stromerzeugung in Bewegung setzt.

Ideale Orte für Solarkraftanlagen

Die Installation von Solarkraftanlagen macht nur an Orten mit hohem Sonnenpotential Sinn. Außerdem sind viel Freiraum für die Installation der Spiegelanlage und eine geringe Wohndichte notwendig. All das führt dazu, dass Solarkraftwerke meist in verlassenen Wüstenzonen der Erde installiert werden. Diese Umgebung mit extremen Temperaturen und der Einsatz von korrosiven Medien des Stromerzeugungsprozesses, stellt einzigartige Herausforderungen dar. Zu deren Lösung trägt Edelstahl bei.

Karte des weltweiten Sonnenpotentials – Watt pro Quadratmeter (Quelle: Renewable Energy)

Was macht Edelstahl zu einer solch guten Wahl für Solaranlagen?

Durch die vermehrte Verbreitung von thermischen Solarkraftwerken bewährt sich auch der perfekte Einsatz von Edelstahl für diese High-Tech Projekte. Die Eigenschaften von Edelstahl machen es ideal für die verschiedensten Anwendungen rund um die Kraftanlage, wie zum Beispiel:

Korrosionsbeständigkeit: Edelstahl rostet nicht und ist daher die ideale Wahl für die harte Umgebung, in der Solarkraftwerke meist errichtet werden. Sand, Feuchtigkeit und die damit verbundene Korrosion machen Edelstahl zur besten Wahl, um die Heliostate zu verbauen. Auch das korrosive Wärmeträgermedium führt zur Notwendigkeit von korrosionsbeständigem Edelstahl für die Leitungen und Lagertanks.
Fähigkeit, extremen Temperaturen zu widerstehen: Das Material für die Lagertanks der Medien muss Temperaturen von über 500 Grad Celsius aushalten. Auf der Kehrseite müssen Verankerungsbolzen für die drehbaren Spiegel Temperaturen im Minusbereich während der Wüstennächte ausstehen. Edelstahl ist dafür die perfekte Lösung, da es sich nicht verziehen, brechen oder bei hohen Temperaturen schmelzen wird.
Hygienisch: Entgegen anderen Metallen ist Edelstahl verschleiss- und rissbeständig über die gesamte Lebensdauer. Risse, Splitter und Dellen können Bakterien beherbergen, was zu Gesundheitsgefährdungen führen kann. Dank Edelstahl wird auch das Nitratsalz des Wärmeträgermediums nicht kontaminiert und bleibt somit effizient.
Lange Lebensdauer: Edelstahl ist für lebenslangen Betrieb vorgesehen. Die meisten thermischen Solarkraftanlagen sind für eine Betriebsdauer von ungefähr 30 Jahren ausgelegt. Die Lebensdauer von Edelstahl wird hingegen auf jeden Fall die des Kraftwerks übertrumpfen. Es ist somit ideal für diesen Anwendungseinsatz.

Praxisanwendung von Edelstahl in Solarkraftanlagen

Dank der einzigartigen Eigenschaften ist Edelstahl die einzig mögliche Wahl für viele Anwendungen rund um das Kraftwerk. Hier einige Beispiele für den Einsatz von Edelstahl in solchen Projekten:

Über 60 Tonnen an Verankerungsbolzen aus Edelstahl kamen im Kraftwerk Crescent Dunes Solar Energy Plant in Nevada für die Heliostate zum Einsatz. In dem selben Projekt wurden weitere 650 Tonnen Edelstahl für den Tankbau für das Lagern von heissem Nitratsalz verwendet.

Das Gemasolar Concentrating Solar Power Plant in Fuentes de Andalucía, Spanien, verbaute mehr als 160 Tonnen Edelstahl für die Wärmeträgertanks. Das Ingenieurbüro, die spanische Firma SENER, hat die Materialgüte 1.4912 (374H) spezifiziert, da dieses Material die besten Eigenschaften für den Anwendungsbereich garantiert.

Edelstahlträger für die Tanks des flüssigen Salzes

Montanstahl hat eine grosse Anzahl an lasergeschweissten Trägern aus Edelstahl (Güte 1.4912/347H) gefertigt. Die Sonderabmessungen ähneln den genormten Trägern IPE240 und IPE270. Das Rohmaterial unter Form von warmgewalzten Blechen kam von dem Finnischen Edelstahlproduzenten Outokumpu. Die Bleche wurden mittels Laser in Streifen geschnitten. Anschließend wurde per Laserschweissen das Profil in Sonderlängen von 8.7 Metern und 9.8 Metern erzeugt. Durch den Tankbauer wurden die Träger sehr präzise auf Radius gebogen, um im Tank des Wärmemediums eingebaut zu werden.

Quer durch die gesamte CSP Kraftanlagen ist Edelstahl sehr oft durch Planer und Ingenieure ausgeschrieben: Es werden Komponenten wie Wärmetauscher, Komponente für Wassersysteme, Rohre, Flansche und vieles mehr benötigt.

Es versteht sich von selbst, dass hochwertiger Edelstahl eine wichtige Rolle für eine saubere und grüne Energieerzeugung jetzt und in der Zukunft spielt. Die weltweite Verbreitung von Solarkraftanlagen führt dazu, dass spezialisierte Hersteller von Edelstahlprofilen wie Montanstahl ausschlaggebend an dem Erfolg dieser innovativen Projekte beitragen können.