Solarthermie
Einleitung
Die Solarthermie ist die am weitesten verbreitete Technik zur Nutzung der Solarstrahlung. Sie wandelt die langwelligen Strahlungsanteile der einfallenden Sonnenstrahlung in Nutzwärme um und findet hauptsächlich im Bereich Brauchwasser-Erwärmung Verwendung. Im Niedertemperatur-Bereich kann man Solarthermie-Anlagen noch zur Heizungsunterstützung oder Schwimmbaderwärmung verwenden. Im Hochtemperatur-Bereich besteht die Möglichkeit Prozesswärme für die Industrie und elektrischen Strom mit Hilfe solarthermischer Kraftwerke zur Verfügung zu stellen. Die Brauchwasser-Erwärmung ist die am weitesten entwickelte Form der Solarthermie und mit einer richtig dimensionierten Anlage lassen sich 50 - 70% pro Jahr der Heizkosten für Wasser-Erwärmung einsparen. Von Mai bis September beträgt der solare Deckungsanteil 100% und für die restliche Zeit des Jahres ist er kleiner 60%.Technik
Die Solarthermie kann in Nieder- und Hochtemperatur-Bereich unterschieden werden, woraus sich die unterschiedlichen Anwendungen ergeben.Niedertemperatur-Bereich
Um die einfallende Solarstrahlung nutzbar zu machen verwendet man Absorber, die in verschiedenen Bauformen angewendet werden, einmal die am weitesten verbreiteten Flachkollektoren und die Vakuum-Röhrenkollektoren. Für die Schwimmbaderwärmung werden nur sehr einfache Kollektoren benötigt. Hier genügen oftmals schon einfache schwarze Kunststoff-Rohre oder Schläuche, die fest auf eine Dachfläche montiert sind. So werden mit ca. 22 - 25C ausreichende Temperaturen für Schwimmbäder erreicht und es lassen sich enorme Mengen an CO2 einsparen, welches mit herkömmlicher Heizung entstehen würde.Flachkollektor:
Das Herzstück eines jeden Kollektors ist der Absorber. Er besteht aus einem Metallrohr kleinen
Durchmessers, welches mit Wärmeleitblechen verlötet, verschweißt oder verpresst ist. Als
Absorber-Materialien werden hauptsächlich Aluminium, Kupfer oder Stahl verwendet. Durch die
Metallröhren fließt ein Wasser-Glykol-Gemisch, was im Winter die Frostsicherheit garantiert
und mit einer handelsüblichen Umwälzpumpe befördert wird. Um die Abstrahlungsverluste der
kompletten Absorber möglichst gering zu halten, werden diese mit sehr dünnen so genannten
Selektiven Schichten versehen. Diese bestehen meist aus Schwarz-Nickel- o. Schwarz-Chrom-Pigmenten
oder auch aus Titan-Oxid-Nitrid.
Die Absorber befinden sich in einem Gehäuse, was aus Blech oder Kunststoff besteht und sind mit einer speziellen Frontscheibe luftdicht abgedeckt. Die geforderten Eigenschaften der Scheibe sind ein guter Transmissionswert für die einfallende Strahlung und gute reflektierende Eigenschaften für die von den innen liegenden Absorbern kommende Wärme. Die Kollektor-Rückenwände sind mit gut isolierenden Dämmmaterial, wie fester Mineralwolle ausgekleidet um die Abstrahlungsverluste so klein wie möglich zu halten.
Vakuum-Röhrenkollektor:
Der Aufbau des Absorbers ist im Prinzip gleich zum Flachkollektor. In dem etwas dünnerem
Metallrohr (Heatpipe) befindet sich ein Medium mit einem niedrigem Siedepunkt, wie zum Beispiel
Methanol (kocht bei 64,6C). Dieses verdampft bei Erwärmung und steigt nach oben in einen
Wärmetauscher, wo es unter Wärmeabgabe an die Wärmeträgerflüssigkeit wieder kondensiert und
nach unten zurück fließt. Um noch geringere Wärmeverluste zu erzielen befindet sich die
sogenannte Heatpipe mit Wärmeleitblech in einer evakuierten Glasröhre. Das hat zum Vorteil,
dass die Vakuum-Röhrenkollektoren vor allem in sonnenärmeren Zeiten mehr Energie als Flachkollektoren
"ernten" können. Die Glasröhren lassen sich nicht 100 prozentig abdichten und somit verlieren
sie über einen großen Zeitraum ihr Vakuum und dadurch die guten isolierenden Eigenschaften des
Vakuums.
Mit Flachkollektoren werden Spitzen-Wirkungsgrade von bis zu 85% erreicht. Im Durchschnitt liegt der Wirkungsgrad bei 50-75% leicht darunter. Vakuum-Röhrenkollektoren haben dagegen einen höheren Wirkungsgrad um die 80%.
Hochtemperatur-Bereich
Die Hauptanwendung für die Hochtemperatur liegt eindeutig in der großtechnischen, solarthermischen Stromerzeugung. Zweite wichtige Anwendung liegt in der Bereitstellung von Prozesswärme für energieintensive, großtechnische Verfahren in der Industrie. Die hier vorherrschenden und benötigten Temperaturen liegen im Bereich von ca. 80 bis 1200C.Um diese hohen Temperaturen zu erzeugen, werden die einfallenden Sonnenstrahlen mit unterschiedlichen Varianten auf geeignete Absorber konzentriert.
- Parabolrinne (80 - 400C)
- Paraboloid (400 - 1200C)
- Solarturm ( bis zu 1200C Absorbertemperatur)
- Fresnel-Linsensysteme
Solarthermische Kraftwerke
Die großtechnische solarthermische Stromerzeugung ist seit den Achtzigern im Betrieb erprobt. Die Erfindung mittels Parabolrinnen die Sonnenstrahlen direkt zu nutzen um damit Dampf zu erzeugen, wurde 1907 in Stuttgart zum Patent angemeldet. Da mit der Kohle am Anfang des 20. Jahrhunderts nicht die Notwendigkeit bestand, Sonnenenergie zu nutzen verschwand diese Technik wieder in der Schublade. Mit der Ölkrise in den Siebzigern wurden sehr viele totgeglaubte Erfindungen wieder entdeckt. So auch die Parabolrinnen-Technik. Nach einiger Entwicklungszeit ging 1981 der erste Prototyp eines solarthermischen Kraftwerks mit 500kW(el.) in Betrieb. In Kalifornien wurden dann von 1984 bis 1991 insgesamt 9 Solarkraftwerke mit einer Gesamtleistung von 354MW ans Netz genommen. Bis jetzt haben diese Anlagen zuverlässig knapp über 10 Milliarden Kilowattstunden sauberen Solarstrom erzeugt.Eine weitere Möglichkeit die Sonnenenergie zu nutzen ist das Solarturm-Kraftwerk. Hierbei werden die einfallenden Strahlen mit sehr vielen 2-achsig nachgeführten Spiegeln auf einen Absorber konzentriert, wobei aufgrund des hohen Konzentrationsverhältnisses Temperaturen über 1000C entstehen. Mittels angeschlossenem Dampfkraftwerk wird dann Strom erzeugt.
Dish-Stirling-Anlagen erzeugen, wie der Name schon sagt, mit einem Stirling-Motor elektrische Energie. Hier wird die Solarwärme mit einem Paraboloid direkt auf einen im Brennpunkt befindlichen Stirling-Motor fokussiert. Auch hier können Temperaturen von bis zu 1000C auftreten.
Das Aufwindkraftwerk ist eine weitere Form eines solarthermischen Kraftwerkes. Unter einer riesigen Kollektor-Fläche, zur Mitte leicht ansteigend, erwärmt die einfallende Solarstrahlung die darunter befindliche Luft. Diese steigt mit ca. 60km/h in einem Kamin nach oben und treibt ein Windrad mit angeschlossenem Generator am Fuße des Kamins an. Unter dem Kollektordach befinden sich große Wasserschläuche, welche die am Tag einfallende Strahlung speichern und somit auch einen Betrieb in der Nacht garantieren. Von dieser deutschen Erfindung wurde Anfang der Achtziger in Spanien ein Prototyp mit einer elektrischen Leistung von 50kW erbaut. Der Kamin hatte eine Höhe von 195m und einen Durchmesser von ca. 5m. Diese Anlage lieferte zuverlässig 9 Jahre Strom und musste aufgrund von Witterungsschäden wieder abgebaut werden.
Derzeit wird in Australien mit 1000m Kaminhöhe das höchste Bauwerk der Erde, ein Aufwindkraftwerk, errichtet. Um eine elektrische Leistung der geplanten Anlage von 200MW zu erreichen ist ein Kamin-Durchmesser von 130m und eine Kollektor-Fläche von 78,5 km² notwendig und Ende 2005 soll dieses gigantische Projekt fertig gestellt werden.
Pro & Kontra
Die Solarthermie macht es uns möglich das große Strahlungsangebot unserer Sonne großtechnisch zu nutzen. Mit dieser Technik lassen sich riesige Mengen an Schadstoffemissionen vermeiden und leisten somit einen wichtigen Beitrag für den Klimaschutz.Die Spiegel des Solarturm-Kraftwerkes und die Dish-Stirling-Anlage haben zum Nachteil, dass sie sehr genau und somit aufwendig dem Sonnenstand nachgeführt werden müssen, während beim Parabolrinnen-Kraftwerk nur einachsig nachgeführt werden muss. Das ist wiederum ein Vorteil der Parabolrinnen-Technik, denn die Flächenausnutzung ist um ein Vielfaches besser.
Solarthermische Anlagen werden mittlerweile perfekt in Serie gefertigt und das garantiert einen wirtschaftlichen Betrieb in fast ganz Europa und Regionen mit ähnlich klimatischen Bedingungen. Die solarthermischen Kraftwerke sind nur dort wirtschaftlich, wo eine durchschnittliche Sonneneinstrahlung von mehr als 1400kWh/m²/a einfällt. Nord- und Südafrika, die arabische Halbinsel, der Nordwesten Australiens aber auch das große Gebiete in Nord- und Südamerika eignen sich mit bis zu 2250kWh/m²/a hervorragend für die Errichtung solarthermischer Kraftwerke im großen Maßstab.
Zukunft
Mit dem Marktanreiz-Programm der Bundesregierung, dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und der Möglichkeit zinsverbilligte Kredite zu bekommen, ist eine gute Basis für bestehende und zukünftige solarthermische Anlagen geschaffen worden. Mit den immer weiter steigenden Preisen der Primärenergieträger, wie Öl, werden solarthermische Anlagen mit ihrem enormen Einsparungspotential immer interessanter. Mit der steigenden Nachfrage werden die Kosten von ca. 450...1400 EUR pro Quadratmeter für kleine, komplett montierte Anlagen weiter sinken und eine umweltschonende Solaranlage erschwinglich machen.Im globalen Vergleich belegt Deutschland Spitzenpositionen im Bereich regenerative Energien und als Technologie-Lieferant werden zukünftig viele neue Arbeitsplätze in Deutschland und Europa entstehen und somit den wirtschaftlich armen und sonnenreichen Regionen dieser Welt aussichtsreiche Perspektiven und Wohlstand bringen.
Bücher
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