CSP – Was ist Solarenergiekonzentration?

Solarenergiekonzentration (CSP) – das klingt im ersten Moment nach einer neu aufstrebenden und spannenden, technischen Errungenschaft. Spannend ist sie in der Tat, allerdings,  was vielen nicht bewusst ist, CSP wird bereits seit 1980 erfolgreich eingesetzt und effizienzsteigernd weiter entwickelt. Große Solarwärmekraftwerke bzw. solarthermische Kraftwerke arbeiten seit Jahren erfolgreich mit der gewaltigen Kraft gebündelter Sonnenenergie.

Apropos Kraft, was die erzeugte Gesamtleistung betrifft, hat CSP, im Vergleich zur Photovoltaik, noch ein wenig das Nachsehen. Das scheint ihrem Siegeszug keinen Abbruch zu tun – angesichts der fortscheitenden Entwicklung von Wärmeträgerflüssigkeiten und Wärmeenergiespeicherung, wird die Technik der Solarenergiekonzentration (CSP), in den nächsten Jahren noch viel von sich hören lassen.

Was ist CSP?

CSP steht für „Concentrating Solar Power“ und bedeutet nichts anderes als „gebündelte Sonnenkraft“. Bei dieser Technik zur Stromerzeugung werden Spiegel verwendet, die das Sonnenlicht konzentriert weitergeben und Dampfturbinen oder Motoren betreiben. Hört sich vielleicht recht simpel an, aber CSP ist keine Sache fürs Wohnzimmer. Für die Stromerzeugung werden riesige Flächen und die entsprechende Maschinerie dahinter benötigt. Im Gegensatz zu Solarpaneelen, die man sich mal eben aufs Dach installiert, steht CSP also für Stromerzeugung im ganz großen Stil.

Wie funktioniert CSP?

Grundsätzlich gibt es verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der CSP Strahlungsbündelungstechnik. Um die Funktionsweise vorerst nur grob zu skizzieren: Sonnenlichtreflektierende Spiegel werden auf eine Flüssigkeit (Wasser oder Thermoöl) gerichtet – es entsteht Dampf und dieser treibt eine Dampfturbine an, welche in weiterer Folge Elektrizität erzeugt. Weiters gibt es dann noch Systeme, die mit Motoren arbeiten – auch hier wird das gleiche Prinzip angewandt, nur werden in diesem Fall, mithilfe des Dampfes, Motoren angetrieben, die wiederum Strom produzieren. Wir schauen uns die einzelnen Formen der CSP-Anlagen aber im Folgenden genauer an:

Die verschiedenen Arten von CSP-Anlagen:

Generell wird zwischen drei verschiedenen CSP-Anlagen mit Dampfturbinenbetrieb unterschieden:

• Parabolrinnenkraftwerke
• Fresnel-Kollektoranlagen
• Solarturmkraftwerke

Und dann gibt noch ein viertes CSP-System, sogenannte Dish-Stirling-CSP Anlagen, diese werden später noch erklärt. 

Parabolrinnen-CSP-Kraftwerke

Parabolrinnen-CSP-Systeme bestehen aus – wie der Name schon sagt – rinnenförmigen, gebogenen Spiegeln, die gebündeltes Sonnenlicht auf sogenannte Absorber-Rohre konzentrieren. Diese verlaufen durchgehend und sind gefüllt mit zirkulierender Wärmeträgerflüssigkeit (meistens ein extrem hitzebeständiges, synthetisches Öl – Thermoöl). Die Absorber-Rohre befinden sich in der Mitte der Spiegel, oder besser gesagt, genau auf der Brennlinie der Kollektoren. Deshalb werden Parabolrinnen-CSP-Anlagen auch als linienkonzentrierte Systeme bezeichnet.

Das gebündelte Sonnenlicht trifft also auf die Absorber-Rohre und erzeugt dabei Wärme. Die Flüssigkeit innerhalb wird dabei stark erhitzt und kann bis zu 400 Grad Celsius erreichen (bei Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit bis zu 500 Grad Celsius). Die erhitzte Wärmeträgerflüssigkeit (Thermoöl) durchläuft dann eine Wärmetauschereinheit, wo durch die extreme Hitze Hochdruckdampf entsteht. Damit können dann Dampfturbinen angetrieben werden, die wiederum Strom erzeugen. Ein großartiges, wie leistungsstarkes System.

Um sich das Ganze in der entsprechenden Dimension besser vorstellen zu können: Die Parabolrinnen sind parallel angeordnet (Nord-Süd Richtung) und bilden Module von etwa 100-140 Metern mit einer Höhe von ca. 4,5-6 Metern. Meistens besteht ein Parabolrinnen-CSP-System aus hunderten solcher Module, die je nach Tageszeit gekippt und dem Sonnenstand nachgeführt werden können.

Übrigens sind Parabolrinnen-CSP-Anlagen die am längsten erprobte Form der CSP-Systeme und werden schon seit vielen Jahren erfolgreich in CSP-Kraftwerken eingesetzt.

Fresnel-Kollektoranlagen

Fresnel-Kollektoranlagen sind im Grunde eine Weiterentwicklung der zuvor beschriebenen Parabolrinnen-CSP-Systeme. Sie arbeiten mit einem ähnlichen Prinzip, verzichten jedoch auf die gebogene Form der Spiegel (benannt nach dem Prinzip der „Fresnel-Linse“, die ebenfalls ohne gekrümmte Oberfläche auskommt). Fresnel-Kollektoren sind also genauso ein linienkonzentriertes, thermisches CSP-System. Nur werden bei diesem System flache Spiegel verwendet, die einzeln dem Lauf der Sonne angepasst werden können, um das Sonnenlicht auf das Absorber-Rohr zu bündeln.

Moderne Fresnel-Kollektoranlagen verfügen auch über einen Sekundärspiegel, der vorbeistrahlendes Licht zusätzlich auffängt.  Aufgrund der einfacheren Herstellung von flachen Spiegeln und dem Einsatz von geraden Rohrverbindungen, gibt es hier, im Vergleich zu den Parabolrinnen, doch einen deutlichen finanziellen Vorteil.

Anstelle von Thermoöl können die Absorber-Rohre auch direkt mit Wasser arbeiten, d.h. das Wasser kann durch die Hitze direkt in den Absorbern verdampfen und in weiterer Folge mit Hochdruck die Dampfturbinen antreiben.

Solarturmkraftwerke

Auch hier dreht sich wieder alles um Spiegel. Nein, genau genommen „drehen“ sich die Spiegel mit der Sonne um einen Solarturm, einen sogenannter zentralen Absorber oder auch Receiver genannt (deshalb werden Solarturmkraftwerke auch als Zentralreceiverkraftwerke bezeichnet). Dieser Solarturm befindet sich in der Mitte und ist von hunderten bis tausenden flachen Spiegeln (Heliostate) umgeben, die auf ihn gerichtet sind und das Sonnenlicht auf ihn bzw. den Absorber reflektieren. Hierbei werden sehr hohe Temperaturen erreicht.

Als Wärmeträgerflüssigkeit wird meist geschmolzenes Nitratsalz verwendet (Wasserdampf oder Heißluft sind auch möglich). Das flüssige Salz kann beispielsweise auf über 1000 Grad Celsius erhitzt werden und in weiterer Folge Wasser in Hochdruckdampf verwandeln. Wie auch schon bei den anderen Formen der CSP-Technik, werden mit der Kraft des Wasserdampfes stromerzeugende Dampfturbinen betrieben.

Solarturmkraftwerke haben einen großen Vorteil – sie zeichnen sich durch ihre exzellente Wärmespeicherfähigkeit aus. Das hat natürlich mit dem Nitratsalz zu tun – dieses behält die Hitze so gut, dass die Wärme auch bei Abwesenheit des Sonnenlichts für die Dampferzeugung und in weiterer Folge für die Stromproduktion genutzt werden kann.

Dish-Stirling-CSP-Anlagen

Dish-Stirling-CSP-Anlagen bestehen aus großen, schüsselförmigen Spiegeln (daher auch die Bezeichnung „dish“), die ein wenig an Radioteleskope erinnern. Diese Paraboloidspiegel mit einem Durchmesser von bis zu 25 Metern, verfolgen automatisch die Sonne, um das gebündelte Sonnenlicht in den zentralen Wärmeempfänger abzugeben. Dort kann sich der Wärmeträger bis zu 646 Grad erhitzen. Die entstehende solarthermische Energie wird dann mithilfe eines Motors (einem sogenannter „Stirlingmotor“) in mechanische Energie transformiert.

CSP – Vor- und Nachteile der Solarenergiekonzentration

CSP hat zweifelsohne viele Vorteile, wie das bei allen Solarsystemen aufgrund der ressourcenschonenden Stromerzeugung der Fall ist.

Vorteile von CSP:

• Regenerative Quelle für saubere, natürliche Energie
• Umweltfreundlich im Betrieb und kohlenstofffrei, bis auf die Emissionen, die bei der Herstellung und dem Transport der Komponenten entstehen
• Niedrige Betriebskosten
• Hohe Effizienz, einschließlich der Möglichkeit Wärmespeicher zu nutzen, um Energie auch außerhalb von Tageslichtstunden zu speichern – damit ergibt sich eine gewisse Flexibilität.
• Skalierbar auf mehr als 100 Megawatt Leistung

Nachteile von CSP

• Abhängig von direktem Sonnenlicht (wie alle Solarsysteme)
• Hohe Bau- und Installationskosten
• Die Standortfrage – für CSP-Installationen werden große Flächen benötigt (meistens eher abgelegen).

CSP hat zwar teilweise immer noch den Ruf als teure Variante zur Stromerzeugung, aber hier ist dennoch unglaublich großes Potenzial vorhanden – vor allem in der weiteren Entwicklung der Energiespeicherung. Vielleicht liegt auch genau hier der Schlüssel für den weiteren Aufstieg der CSP Technologie.

Wie sieht die Zukunft für CSP aus?

CSP-Kraftwerke sind seit den frühen 1980er Jahren in Betrieb und mittlerweile gibt es auf der ganzen Welt Solarthermischen Anlagen. Allein in den USA produzieren Solarwärmekraftwerke mehr als 800 Megawatt Strom. Das ist schon beachtlich, damit können bis zu 500.000 Haushalte versorgt werden.

Es gibt auch verschiedene, geförderte CSP-Forschungsprojekte (z.B. die SunShot Initiative des U.S. amerikanischen Department of Energy), die zum Ziel haben, die Kosten für Solarstrom zu senken und die Effizienz zu steigern. Ein Teil der Forschungen beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Wärmeträgermedien – d.h. Flüssigkeiten, die bei Temperaturen bis zu 1.288 Grad Celsius eingesetzt werden können. Diese Weiterentwicklung ginge natürlich mit einer Kostensenkung einher, die auch dem Endverbraucher zugutekommen würde.

Die Zukunft für CSP scheint also rosig zu sein, oder besser gesagt, grün – saubere, erneuerbare Energie, die kostengünstige Stromerzeugung für die breite Masse gewährleistet. Mit CSP könnte herkömmliche und umweltschädigende Stromerzeugung bald der Vergangenheit angehören.