Nutzung der Sonnenwärme … Fortschritte bei der konzentrierten Solarenergie

Abdelrahman

Januar 22, 2025

Bei der konzentrierten Solarenergie (Concentrated Solar Power, CSP) wird das Sonnenlicht mit Hilfe von Spiegeln oder Linsen gebündelt, wodurch intensive Wärme erzeugt wird, die Turbinen zur Stromerzeugung antreibt. Ein wichtiger Vorteil gegenüber herkömmlichen Photovoltaik-Modulen (PV) ist die Fähigkeit von CSP, thermische Energie zu speichern, was die Stromerzeugung auch ohne direkte Sonneneinstrahlung ermöglicht und somit eine zuverlässigere erneuerbare Energiequelle darstellt.

Jüngste Entwicklungen haben die Effizienz der CSP erheblich verbessert, die Kosten gesenkt und ihre Anwendungsmöglichkeiten erweitert. Dieser Überblick untersucht diese Fortschritte und hebt Schlüsselprojekte, Effizienzdurchbrüche, Integrationsstrategien, Umweltaspekte und das zukünftige Potenzial von CSP hervor.

Jüngste Fortschritte in der CSP-Technologie

Laufende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten führen zu erheblichen Verbesserungen der CSP-Leistung und der Kosteneffizienz. Ein entscheidender Fortschritt ist die Entwicklung fortschrittlicher thermischer Energiespeichersysteme, die die Zuverlässigkeit der CSP erhöhen und sie zu einer besser planbaren Anlage für ein nachhaltiges Energienetz machen.

CSP Technologie Landschaft

Es gibt verschiedene CSP-Technologien, die jeweils spezifische Merkmale aufweisen. Bei den am weitesten verbreiteten Parabolrinnensystemen wird das Sonnenlicht mit Hilfe von gekrümmten Spiegeln auf ein Receiverrohr konzentriert, das eine Wärmeübertragungsflüssigkeit enthält. Diese erhitzte Flüssigkeit erzeugt Dampf, der eine Turbine antreibt. Im Jahr 2022 waren von den weltweit 6 300 MW in Betrieb befindlichen CSP-Kapazitäten mehr als 4 700 MW mit Parabolrinnen-Technologie ausgestattet.

Salzschmelzen-Kraftwerke sind ein weiteres wichtiges CSP-Konzept. Heliostaten (der Sonne nachgeführte Spiegel) lenken das Sonnenlicht auf einen zentralen Receiver auf der Spitze eines Turms, wobei geschmolzenes Salz als Wärmeübertragungsmedium verwendet wird. Die Wärmespeicherkapazität von Salzschmelzen ermöglicht eine dauerhafte Stromerzeugung, so dass Kraftwerkstürme ein erhebliches Kostensenkungspotenzial aufweisen.

Technologie TypBeschreibungWirkungsgradKosten
ParabolrinnensystemeGekrümmte Spiegel bündeln das Sonnenlicht auf ein Empfängerrohr mit Wärmeträgerflüssigkeit.Relativ hochMäßig
Fresnel ReflektorenFlache Spiegel konzentrieren das Sonnenlicht auf einen zentralen Empfänger.MäßigNiedriger als parabolisch
SolarstromtürmeHeliostate richten das Sonnenlicht auf einen zentralen Empfänger auf einem Turm.HochPotenziell höher

Innovative CSP Projekte am Horizont

Der CSP-Sektor erlebt einen Aufschwung mit neuen Großprojekten, die fortschrittliche Merkmale für mehr Effizienz und Zuverlässigkeit aufweisen. In den Vereinigten Staaten gibt es zwar bereits CSP-Anlagen in Bundesstaaten wie Arizona und Kalifornien, doch der jüngste weltweite Kapazitätsausbau wurde von Regionen wie den Vereinigten Arabischen Emiraten angeführt (200 MW bis 2022). China ist auf dem besten Weg, mit zahlreichen in der Entwicklung befindlichen Projekten eine dominierende Kraft zu werden. Mehrere afrikanische Länder verfolgen ebenfalls aktiv CSP-Projekte.

Projekt Spotlight

Abengoa’s Mojave Solar Project (USA): Diese fortschrittliche Anlage nutzt ausgeklügelte Kontrollsysteme für eine reibungslose Netzintegration und passt die Leistung auf der Grundlage des Echtzeitbedarfs an. Die Hybridanlage kombiniert Batteriespeicher für eine schnelle Reaktion mit einem Schmelzsalzsystem für eine längere Energiespeicherung, um die Netzstabilität zu gewährleisten.

Effizienzgewinne und Kostensenkungen bei CSP

Eine verbesserte Systemeffizienz ist entscheidend für die wirtschaftliche Tragfähigkeit von CSP, da sie zu einer höheren Stromerzeugung pro Sonneneinheit und niedrigeren Produktionskosten führt. In den letzten zehn Jahren sind die CSP-Stromkosten um über 50 % gesunken, was auf effizientere Konzepte und den verstärkten Einsatz von thermischen Energiespeichern zurückzuführen ist.

Innovation durch F&E vorantreiben

Organisationen wie das U.S. Department of Energy Solar Energy Technologies Office (SETO) finanzieren Forschungen, um die Leistung zu erhöhen, die Kosten zu senken und die Langlebigkeit von CSP-Materialien und -Systemen zu verbessern. Ein wichtiger Schwerpunkt ist die Entwicklung von superkritischen Kohlendioxid (sCO2)-Stromkreisläufen. Die Umstellung auf sCO2-Stromkreisläufe bietet das Potenzial für erhebliche Kostensenkungen und Effizienzsteigerungen.

Integration von CSP mit ergänzenden erneuerbaren Energiequellen

Durch die Kombination von CSP mit anderen erneuerbaren Energien wie Photovoltaik (PV) und Windkraft entstehen leistungsfähige Hybridsysteme mit höherer Zuverlässigkeit und Flexibilität.

Synergien von Hybridsystemen:

  • Komplementäre Erzeugung: CSP kann die gespeicherte Wärme in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung abgeben, während PV in Zeiten hoher Sonneneinstrahlung die besten Ergebnisse erzielt, was zu einer ausgewogeneren Energieversorgung führt.
  • Netzstabilität: Die abschaltbare CSP sorgt für Stabilität, auch bei Nachfrageschwankungen, während die schnelle Leistung der PV den Spitzenbedarf decken kann.
  • Erhöhter Kapazitätsfaktor: Durch die Integration von CSP und Windenergie können Nachfragespitzen abgedeckt und Stromschwankungen reduziert werden, wodurch insgesamt höhere Kapazitätsfaktoren erreicht und die Schwankungen der einzelnen erneuerbaren Energiequellen gemildert werden.

Umweltaspekte von CSP

CSP bietet erhebliche Vorteile für die Umwelt, vor allem durch die Verringerung der Treibhausgasemissionen im Vergleich zur Stromerzeugung mit fossilen Brennstoffen. Durch die Nutzung des Sonnenlichts, einer erneuerbaren und reichlich vorhandenen Energiequelle, werden außerdem natürliche Ressourcen geschont. Durch die Integration von Energiespeichern wird ihr Nachhaltigkeitsprofil weiter verbessert.

Lebenszyklus-Bewertung

Obwohl die Umweltauswirkungen geringer sind als bei fossilen Brennstoffen, müssen die Auswirkungen der Herstellung und Entsorgung von CSP-Komponenten berücksichtigt werden. Lebenszyklusanalysen sind entscheidend für die Abmilderung dieser Auswirkungen und die Gewährleistung eines nachhaltigen Einsatzes.

Verbrauch von Wasser

Wie andere thermische Kraftwerke benötigt auch CSP Wasser zur Kühlung. Der Wasserverbrauch variiert je nach Auslegung der Anlage, Standort und Art des Kühlsystems. Bei Anlagen mit Nassumlauftechnik mit Kühltürmen können 600-650 Gallonen Wasser pro Megawattstunde entnommen werden.

Vorteile gegenüber konventionellem Strom

Die Entwicklung von 80 GW CSP-Kapazität könnte etwa 25 Millionen Haushalte mit Strom versorgen und die Kohlendioxidemissionen von Kraftwerken erheblich reduzieren. CSP bietet eine Alternative zu Kohlekraftwerken, die schädliche Schadstoffe freisetzen und große Mengen an Wasser verbrauchen, und zu Kernkraftwerken, die radioaktive Abfälle erzeugen.

Industrielle Prozesswärmeanwendungen

Neben der Stromerzeugung kann CSP auch Wärme für industrielle Prozesse liefern und so die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen in der Produktion verringern.

Zukunftsperspektiven für CSP

Die Zukunftsaussichten für CSP sind positiv, und es wird mit einem erheblichen Marktwachstum gerechnet. Der weltweite CSP-Markt wurde im Jahr 2023 auf 6,0 Mrd. USD geschätzt und wird von 2024 bis 2034 voraussichtlich mit einer CAGR von 19,7 % wachsen.

Mögliche Rolle in der Energielandschaft

CSP könnte eine immer wichtigere Rolle bei der Stromerzeugung spielen und möglicherweise einen bedeutenden Teil des Energiemixes liefern, wenn die Kostenziele erreicht werden.

Wachstumstreiber:

  • Steigende Nachfrage nach erneuerbaren Energien: Globale Klimaziele treiben die Einführung erneuerbarer Energiequellen wie CSP voran.
  • Technologische Fortschritte: Die kontinuierliche Forschung und Entwicklung führt zu effizienteren und kostengünstigeren CSP-Technologien.
  • Günstige Regierungspolitiken: Unterstützende politische Maßnahmen und Anreize fördern die Entwicklung von CSP.
  • Wachsendes Umweltbewusstsein: Das wachsende Bewusstsein für die Umweltauswirkungen fossiler Brennstoffe steigert das Interesse an sauberen Energiealternativen wie CSP.

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