Die konzentrierende Solarthermie ist trotz des langsamen Progresses eine vielversprechende Technologie.

Prinzip der Solarstrahlung-Konzentration

Generell besteht das Prinzip der Strahlungskonzentration in der Bündelung von Sonnenstrahlung mittels eines Konzentrators auf einen Empfänger. Der im Fachjargon als Receiver terminierte Empfänger kann nur den direkten Anteil ans Sonnenstrahlung aufnehmen. Die diffuse Strahlung erweist sich für die Nutzung der fokussierenden Solartechnologie als unbrauchbar. Die diffuse Sonnenstrahlung ist das Resultat der Reflektion, Absorption, Streuung und Beugung der auf die Erde auftreffenden Sonnenstrahlen.

Parabolrinnenkraftwerke

Im Jahre 1906 wurden in dem Pionierland USA die Entwicklung und die Konstruktion von solarthermischen Anlagen eingeleitet. Die Demonstrationskraftwerke absolvierten die Tests mit Erfolg und wiesen ein den heutigen Anlagen ähnliches Erscheinungsbild auf. Technologische Schwierigkeiten sowie Materialprobleme beendeten vor dem Ersten Weltkrieg weitere Bestrebungen. Als Konsequenz der Ölkrisen erfolgte im Jahre 1978 die Auferstehung der solarthermischen Technik, so dass im Jahre 1984 das erste Parabolrinnenkraftwerk in der Mojave-Wüste (USA) installiert wurde. Bis zum Jahre 2007 waren diese sogenannten SEGS-Parabolrinnenkraftwerke die einzigen kommerziellen Rinnenanlagen zur solarthermischen Stromgenerierung. Die elektrische Leistung lag bei 354MW bei einer Leistungsabgabe von 800GWh. Das Kraftwerk deckte den gesamten elektrischen Bedarf von approximativ 60000 amerikanischen Bürgern.

Die prinzipielle Funktionsweise der Parabolrinnenanlagen besteht darin, dass ein Thermoöl in einem Absorberrohr durch die Sonnenstrahlung auf geschätzte 400°C aufgeheizt wird. Wärmetauscher geben die Wärme des erhitzten Thermoöls an ein Dampfturbinenprozess ab. In der Regel sind aus Frostschutzgründen eine geringe Zufeuerung von Erdgas permittiert, die jedoch zwecks des Umweltschutzes starken, gesetzlichen Schranken unterliegt. Zur Lösung des Problems bietet sich die Integration eines thermischen Speichers an. Das Solarfeld wird größer dimensioniert und befüllt im Verlaufe des Tages den Wärmespeicher. In den Abend- und Nachtstunden kann die Wärme aus dem Speicher entnommen und dem Kreislaufprozess zugeführt werden. Da der Speicher für hohe Temperaturen konstruiert wird, scheidet Wasser als Medium aus. Flüssigsalzspeicher haben sich als eine geeignete Alternative profiliert. So wird beim Beladen des Speichers das flüssige Salz vom kalten in den heißen Tank gepumpt und beim Entladevorgang wieder zurück. Die Temperatur des heißen Tankgefäßes beträgt etwa 380°C und die des kalten Speichers ungefähr 280°C. Der Wirkungsgrad beziffert sich annähernd auf vierzehn Prozent.

Solarturmkraftwerke

Eine andere Realisierung einer Solarthermieanlage ist das so genannte Solarturmkraftwerk. Hier werden hunderte oder tausende Spiegel um einen Turm platziert. Die als Heliostaten bezeichneten Spiegel werden singulär mit Hilfe von Computertechnologie der Sonnewanderung nachgeführt. Die einzelnen Spiegel werden jeweils auf Bruchteile eines Grades genau ausgerichtet, um das reflektierte Sonnenlicht auf den Brennpunkt zu fokussieren. In dem Brennpunkt ist ein Absorber installiert, der durch die gebündelte Strahlung auf approximativ 1000°C erwärmt wird. Je nach Auslegung werden Wasser, geschmolzenes Salz oder Luft als Transportmedium verwendet. Die Gewinnung elektrischer Energie geschieht über ein Gas- oder Dampfturbinenprozess. Die Ingenieurwissenschaft verfügt im Hinblick auf Solarturmkraftwerke über wenig Erfahrung. In Spanien wurde im Jahre 2006 eine Solarturmkraftanlage mit einer Nennleistung von 11MW (Investitionskosten 48,5Mio. Euro, Turmhöhe 100m, 624Heliostaten) in Betrieb genommen.

Dish-Stirling-Anlagen

In Kontrast zu den Solarturmkraftwerken und Parabolrinnenanlagen bezeigen Dish-Stirling-Anlagen auch in kleinen Einheiten Wirtschaftlichkeit. Diese Systeme können abgelegene Ortschaften mit umweltverträglicher Energie versorgen. Die Dish-Stirling-Anlage besteht im Prinzip aus einem schüsselförmigen Hohlspiegel, welcher das einfallende solare Licht auf einen Brennpunkt lenkt. Der Spiegel wird dem Zentralgestirn zweitachsig nachgeführt. In dem Brennpunkt ist ein Receiver installiert, der die Wärme an einen Stirlingmotor weiterleitet. Der Motor setzt die Wärme in Bewegung um und treibt folglich einen Generator an. Die Kombination der Dish-Stirling-Anlage mit einem Biogasbrenner ermöglicht das Funktionieren der Anlagen in Schlechtwetter-Tagen oder während der Nachtstunden. Bei der Applikation von Biogas kann dieses System als kohlendioxidneutral erachtet werden. Saudi-Arabien, Spanien und die USA bauten bereits erste Pilotanlagen. Die relativ geringe Erforschung und der langsame Progress dieser Technologie resultieren in einem relativ hohen Preis der Stromkosten.

Sonnenöfen und Solarthermie

Die Sonnenöfen fungieren in erster Linien für Materialtests oder für solarthermische Verfahren. Der im französischen Odeillo dessinierter Sonnenofen befindet sich auf einem Berghang und weist zahlreiche Spiegel auf, die das Sonnenlicht auf einen Hochspiegel (Durchmesser 54m) reflektieren. Im Brennpunkt des großen Hohlspiegels befindet sich ein Wissenschaftszentrum. Die erreichbaren Temperaturen von etwa 4000°C sind für industrielle Prozesse und Experimente von besonderer Bedeutung. Sehr hohe Temperaturen werden in der Chemieverfahrenstechnik zum Beispiel für die Erzeugung von Wasserstoff und zur Elektrolyse benötigt.

Quellen:

Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme-Technologie, Berechnung, Simulation. 7. Auflage. Hanser-Verlag, 2011. S. 151ff.