Solarthermische Kraftwerke mit Strahlungsbündelung („concentrated solar power“, kurz „CSP“) sind umweltfreundlich und liefern flexibel Energie. Die inherenten Prozesse sind aber anfällig auf Störungen, aufgrund hoher Temperaturunterschiede. Ein Temperaturregelungssystem hilft Störungen vorzubeugen. Dadurch steigt die Effizienz, wie auch Wirtschaftlichkeit einer CSP-Anlage.
Pressedienst/Redaktion
Solarthermische Kraftwerke mit Strahlungsbündelung (CSP) bieten oftmals einen höheren Wirkungsgrad als Photovoltaikanlagen. Aufgrund ihres Wärmespeichermediums im Kern der Anlage sind sie ausserdem in der Lage, Wärme oder Strom zu einem späteren Zeitpunkt bereitzustellen, ganz ohne Batterie. Drüber hinaus zeichnet sich diese Energieerzeugung durch besonders geringe Umweltauswirkungen aus. CSP-Anlagen gewinnen auch an Bekannt- und Beliebtheit: Die European Solar Thermal Electricity Association (ESTELA) beziffert dabei die Zahl der laufenden Anlagen in Europa auf 2’385. Weitere 588 seien in Planung.
Solarthermische Kraftwerke mit Strahlungsbündelung
Um die schwankende Produktion von Strom aufgrund der wechselnden Sonneneinstrahlung auszugleichen, wird in einer CSP-Anlage ein zirkulierendes Medium als Wärmespeicher eingesetzt. Bei dem hier verwendeten Beispiel wird das Sonnenlicht von Spiegeln auf einen zentralen Turm hin gebündelt, der das Licht absorbiert und damit die Wärme an einen flüssigen Energieträger im Inneren des Turms weitergibt. Dabei haben sich Salzschmelzen als Medium, aufgrund ihrer Stabilität auch bei hohen Temperaturen, behauptet. Insbesondere chemische Verbindungen aus NaNO3 oder KNO3 haben sich bewährt, da sie zusätzlich nur auf eine Vorheizung auf circa 265 °C benötigen, um zirkulieren zu können.
Durch Sonnenwärme im zentralen Absorber erhitzt, fließt die Schmelze zunächst in einen Speichertank, wo es auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Dort kann es je nach Anlage mehrere Stunden verbleiben, um auch später Wärme bzw. Energie bereitstellen zu können. Anschließend pumpt die Anlage das Salz zu einem Dampfgenerator weiter, in dem durch die Wärme des Salzes aus Wasser Dampf entsteht. Bei diesem Vorgang kühlt das Salz ab und gelangt danach in den Kreislauf zurück. Der entstandene Wasserdampf wiederum betreibt eine Dampfturbine und einen Stromgenerator, der schließlich Energie erzeugt.
Temperaturschwankungen als Hauptrisiken
Damit sich diese Form der Energieerzeugung abschliessend als nachhaltig und gleichzeitig wirtschaftlich erweist, muss einerseits die Effizienz optimiert, andererseits Störfaktoren im Betrieb minimiert werden. Die von sehr großen Temperaturunterschieden geprägten Prozesse einer CSP-Anlage sind Anfällig auf Schwierigkeiten. Und diese können sich letztlich auf die Effizienz und auf den Zustand der Anlage auswirken.
Freezing und Leckagen
Auf dem Weg der Schmelze vom Dampfgenerator zurück in den zentralen Turm besteht die Gefahr, dass die Temperatur des Salzes unter einen spezifischen Grenzwert von circa 228 °C fällt. Folglich erstarrt das Salz („Freezing“). Dabei können Rohre verstopfen und der Gesamtprozess stilllegt werden. Ausserdem bedarf es eines signifikanten Einsatzes von Energie, um das festgewordene Salz wieder zu verflüssigen. Dies resultiert in einer schlechteren Energiebilanz und schwachen Wirtschaftlichkeit. Ein weiteres Risiko sind Leckagen an den Ventilen. Dadurch sinkt die Temperatur der Schmelze und ein Einfrieren wird wahrscheinlicher. Der Salzverlust wirkt sich außerdem negativ auf die Effizienz aus und es entstehen Stillstandszeiten, bei allfälliger Reperatur der Ventile. Die zu starke Erhitzung des Salzes ist allerdings auch kritisch. Überschreitet die Temperatur eine je nach Salzschmelze kritische Grenze, löst sich das Salz auf und ist nicht mehr nutzbar.
Temperaturmanagement für stabile Zirkulation
Es ist aber durchaus möglich, diesen Problemen zu begegnen. Mit Hilfe einer Regelungstechnik kann die Temperatur der Schmelze so gesteuert werden, dass keine lokal begrenzten Kaltzonen auftreten. Dafür sind empfindliche Temperatursensoren nötig, die sowohl in den Speichertanks als auch in den Ein- und Auslass-Tanks des zentralen Turms eingesetzt werden. Um effektiv die Temperatur zu beeinflussen, werden in der Regel zwischen sechs und acht Eintauchheizelemente eingesetzt. Diese müssen stark korrosionsbeständig sein und hohe Temperaturen abkönnen. Doch auch der Absorber-Turm erfordert ein umfassendes Temperaturmanagement, um einen gleichmäßigen Fluss der Schmelze zu sichern. Sämtliche medienführenden Leitungen sind mit Hochtemperatur-Rohrheizkörpern versehen. Wahlweise bieten sich auch mineralisolierte Kabel an, um die Leitungen zu beheizen.