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Solarstrom aus der Wüste: Forscher wollen Sonnenkraft in Sand zwischenspeichern

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Das Projekt Desertec hat für Schlagzeilen gesorgt - nun verfolgen Forscher eine vielversprechende Idee für die Zwischenspeicherung der Sonnenenergie in der Wüste: Sie wollen dazu Sand nutzen, den es an den Standorten solarthermischer Kraftwerke massenhaft gibt.

Solarthermie: Wärme im Wüstensand speichern Fotos
IDW / FH Aachen / SIJ

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.

Die Möglichkeit der Energiespeicherung macht solarthermische Kraftwerke nicht nur flexibel - sie kann unter Umständen sogar die Stromerzeugungskosten senken. Dies ist genau dann der Fall, wenn der Speicher weniger kostet als ein Kraftwerksblock mit doppelter Leistung, sagt Robert Pitz-Paal, Abteilungsleiter Solarforschung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

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."

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Forum - Diskussion über diesen Artikel
insgesamt 31 Beiträge
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1. Nicht lange überlegen....
Realo, 24.03.2010
....machen !
2. Windräder
Schnurz321 24.03.2010
http://www.zeit.de/2009/29/Beistueck-Erfinder Laut diesem Artikel wären Windräder in der Wüste wesentlich effizienter als Solarstrom.
3. Heißer Sand oder heiße Luft?
Datenscheich 24.03.2010
Der Artikel ist leider mangelhaft, da er wesentliche Alternativen völlig übergeht (die wenigstens einen Nebensatz verdient hätten). Neben dem Vorschlag einer Energiespeicherung mittels Zink (Paul Scherrer Institut in Villigen/Schweiz) gibt es z.B. auch das SILAN-Konzept von Peter Plichta, bei dem ebenfalls Sonnenenergie und Sand die Hauptrollen spielen: http://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_04_34_sonne_hochtemperatur_ofen_chemie.htm#Thermochemie Dieses ist allerdings wesentlich spannender als das neugelegte 'Osterei' des Solar-Instituts in Jülich ... wo man anscheinend noch auf dem Niveau des 20. Jahrhunders forscht.
4. Druckluft
xysvenxy 24.03.2010
Energie lässt sich auch hervorragend und recht verlustfrei in Drucklufttanks speichern und von dort wieder abrufen. Das funktioniert bei jeglicher Form von kontinuierlicher Energieerzeugung. Warum nicht so?
5.
Kreissler 24.03.2010
Sie es sollten es einfach machen. Wirklich nicht allzu lange forschen/überlegen und evtl auch auf modernere (damit aber zT auch kostspieligere) Alternativen verzichten und die einfachere/günstigere wählen. Hauptsache aber es wird endlich gemacht. Somit bin ich voll und ganz der Meinung von Realo.
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Desertec - Das Wüstenstrom-Projekt
Die Idee
Mit dem Großprojekt Desertec will ein Konsortium aus Finanz-, Industrie- und Energiekonzernen Solarstrom aus der Wüste nach Europa bringen. Bis 2050 sollen so rund 15 Prozent des europäischen Energiebedarfs umweltfreundlich mit Hilfe der Wüstensonne gedeckt werden. Die Kosten dafür werden auf rund 400 Milliarden Euro geschätzt. Gewonnen werden soll die Energie dabei durch Solarthermie.
Die Technik
Geplant sind Solarthermie-Anlagen. Bei dem Verfahren wird das Sonnenlicht mit Spiegeln gebündelt. Es erhitzt ein Spezialöl, das wiederum seine Wärme an Wasser abgibt und es zum Kochen bringt. Der Wasserdampf treibt dann Turbinen an, die Strom produzieren. Teile der Wärmeenergie des Tages können gespeichert werden, so dass auch in der Nacht noch Stromproduktion möglich ist. Neben der Solarthermie sind auch Windparks an den afrikanischen Küsten im Gespräch.
Der Transport
Der Strom soll durch ein neues Leitungsnetz über 3000 Kilometer nach Europa gebracht werden. Es dürfte nach Berechnungen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt allein etwa 45 Milliarden Euro kosten. Für die Stromübertragung sollen Gleichstrom-Hochspannungsleitungen verwendet werden, die wesentlich geringere Leistungsverluste aufweisen als die beispielsweise in deutschen Überlandnetzen anzutreffenden Hochspannungsleitungen. Der an dem Projekt beteiligte Siemens-Konzern baut derzeit eine derartige Gleichstromleitung in China.
Die Unternehmen
Insgesamt zwölf Unternehmen wollen sich an der Gründung der Wüstenstrom-Initiative Desertec beteiligen. Die Grundsatzvereinbarung unterzeichnet haben die Münchener Rück, Siemens, die Deutsche Bank, RWE, E.on, MAN, die HSH Nordbank, ABB, ABENGOA Solar, Cevital, M+W Zander sowie SCHOTT Solar.

Fotostrecke
Desertec: Strom aus der Wüste
Solarthermie
Das Prinzip kennt jeder, der einmal mit einem Brennglas Löcher in Papier gebrannt hat: Gebündelte Sonnenstrahlen, von Parabolrinnen-Spiegeln konzentriert, erhitzen Wasser, Dampf treibt Turbinen an, und die erzeugen Strom. So funktioniert ein Solarthermie-Kraftwerk. Auch bei Nacht: In Salzspeichern kann die am Tag erzeugte Wärme für einige Stunden festgehalten werden. So können die Turbinen auch laufen und Strom erzeugen, wenn die Sonne nicht scheint. Die Technologie ist alt und bewährt: In Kalifornien erzeugen Solarthermie-Kraftwerke seit den achtziger Jahren Strom. In Südspanien wurden kürzlich drei neue Kraftwerke gebaut.

Solarthermie hat Vorteile gegenüber Photovoltaik: Sie ist günstiger und nicht so wartungsintensiv. Außerdem benötigen Solarzellen teure Speicher für den Strom, um eine Versorgung bei Nacht zu gewährleisten. Dafür produzieren Solarzellen direkt Strom, wohingegen mit Solarthermie der Umweg über Wärme und Turbinen gegangen werden muss.


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