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24.03.2010

Solarthermische Kraftwerke gelten als eine vielversprechende Lösung für die Energieprobleme der Welt. In der Wüste massenhaft aufgestellte Spiegel bündeln das Sonnenlicht und erhitzen so Öl oder Luft auf mehrere hundert Grad Celsius. In einem Generator kann auf diese Weise Strom erzeugt werden, der deutlich günstiger ist als jener aus Solarzellen.

Die vergleichsweise einfache Zwischenspeicherung von Sonnenenergie macht die Solarthermie besonders attraktiv. In riesigen Behältern mit flüssigen Salzen kann Wärme über Stunden fast verlustfrei gespeichert werden. Ein derart konstruiertes Kraftwerk kann theoretisch rund um die Uhr eine konstante Energiemenge liefern - ein entscheidender Vorteil gegenüber Windkraft- und Photovoltaikanlagen.

Im Oktober 2009 haben diverse Energie- und Finanzunternehmen die "Desertec Industrial Initiative" gegründet - eine GmbH, die gewaltige Solarstromprojekte in Nordafrika ermöglichen soll. Die riesigen Wüstenkraftwerke sollen Nordafrika, den Nahen Osten und zum Teil auch Europa versorgen.

Eine Idee deutscher Forscher könnte den Sonnenstrom noch günstiger machen: Wissenschaftler am Solar-Institut Jülich untersuchen derzeit, ob sich zur Zwischenspeicherung der Wärme auch Sand eignet, den es an vielen potentiellen Standorten für die Kraftwerke massenhaft gibt. Bislang dienen als Wärmespeicher flüssige Salze oder Keramik.

Pilotanlage in Jülich

"Wir haben die potentielle Machbarkeit der Speicherung in Sand bereits gezeigt", sagt Cristiano Boura vom Solar-Institut Jülich. Jetzt gehe es darum, das Prinzip in einer größeren Anlage zu untersuchen. Eine solche steht in Jülich: Mehr als 2000 schwenkbare Spiegel sind in einem Kreis aufgestellt, sie reflektieren das Sonnenlicht zum Solarturm. Dort befindet sich ein sogenannter Receiver, durch den Luft strömt, die mit den fokussierten Sonnenstrahlen auf fast 700 Grad Celsius erwärmt wird.

Ein derartiges Turmkraftwerk nutzt einen Teil der heißen Luft zum Erwärmen von Wasser, das dann den Generator antreibt. Der andere Teil der heißen Luft wird bislang durch Keramik geblasen, die sich dadurch stark erwärmt. Diese heißen Ziegel sind bislang die bevorzugte Methode zur Zwischenspeicherung von Sonnenwärme. Nachts kann ein solarthermisches Kraftwerk auf diese Weise Strom erzeugen, obwohl die Sonne gar nicht scheint. Die Wärmeenergie kommt dann nicht aus dem Solarturm, sondern aus dem Keramikspeicher. Das sind im Prinzip nichts anderes als poröse Ziegelsteine, durch die die heiße Luft geblasen wird.

Der Wärmeträger Sand könnte die Solarturm-Technologie noch attraktiver machen, glauben die Jülicher Forscher. "Bei Keramikspeichern machen die Kosten des Speichermediums ein Drittel der Gesamtkosten des Speichers aus", sagt Boura im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Sand gebe es in der Wüste hingegen umsonst.

Wie funktioniert ein Sandspeicher? Die künftige Pilotanlage besteht aus zwei Bunkern: einer mit heißem Sand (680 Grad Celsius) und einer mit kaltem (120 Grad). Es gibt einen Luft-Sand-Wärmetauscher: "Sand rieselt von oben nach unten wie in einer Sanduhr", erklärt Boura. "Von der Seite wird die heiße Luft quer durch den Sand geblasen und gibt dabei Wärme an ihn ab."

Sandtransport mit Förderwerken?

Mit einem Sand-Wasser-Wärmetauscher werde die gespeicherte Wärme wieder zurückgewonnen. "Durch den Sand laufen Rohre, die mit Wasser gefüllt sind", sagt Boura. Der heiße Sand werde mit Luft in Bewegung gehalten und gebe seine Wärme an das Wasser ab, das dann Turbinen antreibe.

"Der Transport des Sandes ist eine technische Herausforderung", sagt der Jülicher Solarforscher. Man könne Druckluft nutzen oder klassische Förderwerke mit Bechern. Dies müsse noch untersucht werden.

Desertec-Projekt

In diesem Fall könne man den Generator so dimensionieren, dass er etwa die halbe Menge der von den Spiegeln eingefangenen Sonnenenergie in Strom umwandle. Die andere Hälfte werde zwischengespeichert und könne dann abends, nachts und am frühen Morgen zum Antrieb des Generators genutzt werden.

Sieben Stunden Speicherkapazität

"Bei den solarthermischen Kraftwerken Andasol 1 und Andasol 2 in Spanien sind bereits Speicher in Betrieb", sagt Pitz-Paal im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Sie haben eine Kapazität von sieben Stunden." Andasol nutzt zur Energieerzeugung allerdings keinen Solarturm wie die Anlage in Jülich, es ist ein sogenanntes Parabolrinnenkraftwerk. Meterlange gewölbte Spiegel erhitzen Öl, das durch Rohre fließt. Weil Öl zu hohe Temperaturen nicht aushält, wird es auf maximal 390 Grad erwärmt.

Als Wärmespeicher dient nicht Keramik wie bei Solartürmen, sondern eine Mischung aus Kalium- und Natriumnitrat. Diese Verbindungen sind auch im normalen Dünger enthalten. Das flüssige Salz befindet sich in zwei Tanks mit 38 Metern Durchmesser und 14 Metern Höhe. Der warme Tank hat eine Temperatur von 390 Grad Celsius, der kalte 290 Grad.

"Das Tolle an thermischen Speichern ist ihre hohe Effizienz", sagt der DLR-Forscher. "Solange ich nur über ein, zwei Tage speichere, geht kaum Wärme verloren. Die Effizienz liegt dann bei etwa 95 Prozent."

Dank der Speichermöglichkeit könne man mit solarthermischen Kraftwerken Strom sogar genau dann produzieren, wenn er am dringendsten benötigt werde. "Im Moment bekommt man viel Geld für Spitzen- und Mittellaststrom", sagt Pitz-Paal. Man könne ein solarthermisches Kraftwerk auch mit einer riesigen Turbine ausrüsten, die nur an den zwei Stunden am Tag laufe, in denen man das meiste Geld für Strom bekomme. Das andere Extrem sei eine kleine Turbine, die rund um die Uhr arbeite.

Dank der effizienten Wärmespeicherung könne man ein solches Kraftwerk ganz unterschiedlich konzipieren, erklärt der Wissenschaftler vom DLR. "Letztlich ist das eine Frage der wirtschaftlichen Optimierung."