Solarthermiekraftwerk

Sonnenenergie bestmöglich nutzen

31.08.2021 Lesezeit: ca. MinutenMinute

Die Sonne heizt der Industrie ein

Hochleistungsfähige Wärmeträgeröle wie HELISOL® von WACKER leisten in Solarthermiekraftwerken einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz. Doch die eingefangene Sonnenenergie lässt sich nicht nur zur Stromerzeugung, sondern auch direkt nutzen – als Prozesswärme für die Industrie. Zwei Modellprojekte in Belgien machen es vor.

Diese Sonnenanbeter brauchen keinen UV-Schutz. Gelassen strecken die Parabolspiegel des Solarthermiekraftwerks ihre silbrigen Körper gen Himmel in das gleißende Licht und fangen dabei seine Energie ein. „Und das machen sie mit einem Wirkungsgrad von mehr als 75 Prozent sehr effizient“, erklärt Dr. Joachim Krüger, Geschäftsführer der Solarlite CSP Technology GmbH, einer 100-prozentigen Tochter der belgischen Firma AZTEQ. Das Unternehmen aus Mecklenburg-Vorpommern entwickelt und baut dezentrale solarthermische Parabolrinnen-Kraftwerke zur Erzeugung von Strom oder Prozesswärme für den industriellen Einsatz.

Solarthermiekraftwerk

Um die Sonnenenergie bestmöglich zu nutzen, folgen die Parabolspiegel dem Sonnenstand automatisch. Die gebogenen Flächen bündeln das Licht im Brennpunkt auf langgezogene Absorberröhren, auch Receiver genannt, die über der Spiegelfläche angebracht sind. Die Röhren sind aus Stahl und mit einer Glasschicht umhüllt. Dazwischen befindet sich ein Vakuum zur Vermeidung von Wärmeverlusten.

„Wärme lässt sich sehr viel einfacher speichern als Strom. Solarthermische Kraftwerke können daher auch nachts Wärme beziehungsweise Strom produzieren.“

Dr. Joachim Krüger, Geschäftsführer, Solarlite

Molekulare Struktur von HELISOL®

In den Stahlrohren eines Solarthermiekraftwerks, kurz CSP für Concentrated Solar Power, strömt eine Schlüsselkomponente, ohne die das Sonnenlicht nicht „geerntet“ werden könnte: das Wärmeträgermedium. Das kann Wasser sein, ein organisches Öl oder das von WACKER speziell für solche Anwendungen entwickelte Siliconöl HELISOL®.

„Jedes Medium hat seine Vor- und Nachteile, aber seine Aufgabe ist immer die gleiche: die Wärmeenergie der Sonne aufzunehmen und weiterzugeben“, erklärt Erich Schaffer, der das Projekt Heat Transfer Fluids bei WACKER SILICONES leitet. Das Wärmeträgermedium fließt außerhalb des Solarfelds in einen Wärmetauscher, in dem dann Wasser erhitzt wird. Dieses verdampft und lässt sich so zum Antrieb einer Turbine zur Stromproduktion nutzen. Der abgekühlte Wasserdampf strömt dann zurück in den Wärmetauscher – und der Kreislauf kann wieder von vorn beginnen. Oder die eingefangene Sonnenenergie wird direkt als Prozesswärme für industrielle Anwendungen genutzt – ohne den Schritt der Stromerzeugung überhaupt zu gehen.

Wasser als Wärmeträgermedium zu nutzen hat den Vorteil, dass es aus Umweltaspekten absolut unbedenklich ist. Der Nachteil ist: Beim Aufheizen entstehen sehr hohe Drücke von mehr als 200 bar. Darauf muss die Anlage entsprechend ausgelegt werden, was ihr Design aufwändiger macht. Zudem muss das Anlagendesign so angepasst sein, dass das Wasser in den Receiverrohren nicht gefriert. Ähnliches gilt auch für andere Wärmeträgermedien.

Flüssig auch bei klirrender Kälte

„Selbst die meisten organischen Öle haben einen Erstarrungspunkt von etwa zehn Grad Celsius, weshalb Solarthermiekraftwerke dann mit sogenannten Begleitheizungen ausgestattet werden müssen, um das Öl flüssig zu halten“, erklärt Dr. Kai Schickedanz, Technical Manager Heat Transfer Fluids bei WACKER. „Unsere Siliconöle der Marke HELISOL® sind dagegen bis zu minus 40 Grad Celsius noch flüssig.“ Auf der anderen Seite des Temperaturspektrums hat ein Siliconöl ebenso Vorteile, weil es sich bis zu 425 Grad Celsius aufheizen lässt – ohne sich zu zersetzen. Wärmeträgeröle auf der Basis von Kohlenwasserstoffen können da nicht mithalten.

Für Solarlite-Chef Dr. Joachim Krüger ist dieser extrem breite Temperaturbereich der größte Vorteil, wenn eine Solarthermieanlage mit Siliconöl betrieben wird. „Mit Siliconöl als Wärmeträgermedium läuft eine CSP-Anlage sicher durch den europäischen Winter und auch in Wüstenregionen können die Nächte sehr kalt werden. Zudem sind die Investmentkosten geringer, da keine Begleitheizungen notwendig sind.“
Dr. Joachim Krüger führt mit Solarlite nicht nur sein eigenes Unternehmen, sondern ist auch Vorsitzender des Industrieverbands Deutsche CSP. Deswegen kennt Krüger die kritischen Fragen, die sich Solarthermiekraftwerke oftmals gefallen lassen müssen. Allen voran: Ist der indirekte Weg, also erst Wärme zu erzeugen und diese dann in elektrische Energie umzuwandeln, nicht umständlich? Wo doch mit der Photovoltaik ein alternatives Verfahren zur Verfügung steht, bei dem sofort Strom fließt.

Prozesswärme für die Industrie

Doch die beiden Verfahren zur Gewinnung erneuerbarer Energie – Solarthermie und Photovoltaik – konkurrieren nicht nur miteinander, sondern ergänzen sich auch. „Wärme lässt sich im Vergleich zu Strom eben besser speichern“, sagt Krüger. „Daher können solarthermische Kraftwerke auch nachts Strom produzieren, um so die Zeiten zu überbrücken, in denen photovoltaische Kraftwerke mangels Sonnenschein keinen Strom produzieren können.“ Als Wärmespeicher eignen sich beispielsweise Salzschmelzen: Sie nehmen die Energie aus dem von der Sonne erhitzten Wärmeträgermedium auf und erreichen so eine Temperatur von etwa 400 Grad Celsius. Nachts entziehen Wärmetauscher die gespeicherte Energie und speisen sie in den Kraftwerksbetrieb, wo sie der Stromerzeugung dient. In den großen Flüssigsalztanks lässt sich der Strom 80 bis 90 Prozent günstiger speichern als in Batterien, so eine aktuelle Studie zu solarthermischen Kraftwerken des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR). Dadurch gewinnt die per Sonnenernte erzeugte Energie an Flexibilität und lässt sich auch der Stromnachfrage anpassen.

Receiver einer Solarthermieanlage

Receiver einer Solarthermieanlage: Dies sind schwarze Stahlröhren, die vom Wärmeträgeröl durchflossen werden und von Glas ummantelt sind. Um Wärmeverluste zu vermeiden, befinden sich die 400 Grad Celsius heißen Stahlröhren in einem Vakuum.

Ersatz für fossile Brennstoffe

Solarthermie kann aber nicht nur in CSP-Kraftwerken rund um die Uhr Strom bereitstellen, wie der WACKER-Ingenieur Erich Schaffer erklärt: „Eine Solarthermieanlage erzeugt primär Wärme. Diese ist ebenfalls für diverse Anwendungen sehr gefragt, sei es zum Beheizen von Gebäuden oder als Prozesswärme für die Industrie.“ Und für Letzteres ergeben sich ganz erhebliche Mengen: Der Industriesektor insgesamt beansprucht rund ein Drittel des gesamten weltweiten Energieverbrauchs, davon etwa drei Viertel in Form von Wärme. Allein der Temperaturbereich bis 400 Grad Celsius macht weltweit rund die Hälfte des industriellen Wärmebedarfs aus. Dieser werde größtenteils über fossile Brennstoffe wie Erdgas bereitgestellt, lediglich weniger als zehn Prozent stammen aus erneuerbaren Ressourcen, erklärt der Solarthermiefachmann Joachim Krüger. Mit CSP-Anlagen ließe sich daher ein wertvoller Beitrag in Sachen grüne Wärme leisten.

Das Chemielogistikunternehmen ADPO im belgischen Antwerpen hat dies bereits erkannt und in ein Solarthermiekraftwerk von Solarlite investiert, um Wärme für seine Dampferzeugung zu nutzen. „Es ist der erste CSP-Park überhaupt in der europäischen chemischen Prozessindustrie“, betont Yuvaraj Pandian, Solar-Analyst bei Solarlite. Die 1.100 Quadratmeter große Fläche stellt hinsichtlich der Wärmeversorgung eine Kapazität von 500 kWth bereit. Das Unternehmen nutzt den 152 Grad Celsius heißen Dampf, um eines der größten Logistikzentren für chemische Produkte zu temperieren. Das spart jährlich 100 Tonnen des Treibhausgases Kohlendioxid. Gleichzeitig zeigt das Demonstrationsprojekt, dass solche Heizsysteme nicht nur in der Sahara funktionieren, sondern auch an der recht kühlen Nordsee einen Mehrwert für kleinere, industrielle Anlagen bieten.

Mit von der Partie ist HELISOL®, das durch die Receiverröhren strömt. „Für uns sind das gemeinsame Projekt mit Solarlite bei ADPO in Antwerpen sowie eine vergleichbare CSP-Anlage des Chemieunternehmens Proviron im belgischen Ostende – ein Unternehmen, in dessen DNA Nachhaltigkeit verankert ist – ein wunderbares Referenzprojekt für zukünftige Anwendungen unserer Siliconöle im Bereich der Solarthermie“, sind sich die WACKER-Experten Kai Schickedanz und Erich Schaffer einig.
Vor zehn Jahren begann bei WACKER die Entwicklung von HELISOL® mit dem Ziel, Solarthermiekraftwerken oder industriellen Anlagen höhere Betriebstemperaturen von mehr als 400 Grad Celsius zu ermöglichen. Ein passendes Siliconöl war zwar rasch gefunden, aber die Parameter unter Betriebsbedingungen zu erfassen, also beispielsweise die Viskosität bei solch hohen Temperaturen und einem Druck von 30 bar überhaupt zu messen, war eine echte Herausforderung. „Weil es dafür kaum Messapparaturen gibt, haben wir rasch ein Förderprojekt mit Spezialisten vom Deutschen Luft- und Raumfahrzentrum und weiteren Kooperationspartnern gestartet“, erinnert sich Erich Schaffer.

Passgenaues Zusammenspiel

Die Parameter des Siliconöls sind entscheidend, weil sich beispielsweise sein Dampfdruck oder seine Viskosität auf die Konstruktion und die Beschaffenheit der Rohre und damit der gesamten Anlage auswirken. Material, Design und Betriebsstoffe müssen exakt aufeinander abgestimmt sein.

Zudem mussten die WACKER-Experten ausschließen können, dass sich das Siliconöl thermisch zersetzt oder korrosiv wirkt. „Organische Öle haben beispielsweise den Nachteil, dass sie über die Zeit hinweg Wasserstoff freisetzen, der durch die Stahlrohre diffundiert“, berichtet Solarlite-Fachmann Yuvaraj Pandian. „Das verringert das Vakuum zwischen Stahlrohr und Glashülle – und es kommt zu unerwünschten Wärmeverlusten.“ Bei HELISOL® tritt dieser Effekt in deutlich geringerem Umfang auf.

Die Kür ihrer Entwicklung absolvierten die drei HELISOL®-Produkttypen auf einer Forschungsstation für solare Energieformen im sonnenreichen Spanien: Auf der Plataforma Solar de Almería (PSA) stellten sie ihre praktischen Fähigkeiten in einem Demonstrations-Loop einer Solarthermianlage unter Beweis. Hier arbeitet WACKER eng mit dem deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum DLR und der spanischen Energieforschungsbehörde CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) zusammen, die auch gleichzeitig Betreiber der Demonstrationsanlage sind. „Parabolrinnenkraftwerke führen ihre Spiegel der Sonne nach, das heißt: Es gibt bewegliche Teile an Ein- und Ausleitungen“, erklärt WACKER-Chemiker Kai Schickedanz. Das bedeutet, dass die Dichtungen so ausgelegt sein müssen, dass bei hohen Temperaturen und einem entsprechend dünnflüssigen Öl beispielsweise keine Leckagen auftreten.

Entwicklung der solarthermischen Kraftwerkskapazitäten
Weltweiter Energiebedarf nach Sektoren

Breites Spektrum adressiert

Zudem muss die Pumpfähigkeit gewährleistet sein, denn HELISOL® sollte auch für große Anlagen, die ein 100 Kilometer langes Rohrleitungsnetz umfassen, geeignet sein. „Mit unserem Siliconöl haben wir es jetzt geschafft, ein breites Anwendungsspektrum zu adressieren“, erklärt Erich Schaffer, Leiter des Wärmeträgerölprojekts bei WACKER.

Und Dr. Joachim Krüger ergänzt: „Die Einsatzmöglichkeiten für die konzentrierende Solarthermie werden insgesamt noch dramatisch unterschätzt. Im Zuge der Dekarbonisierung gibt es enorme Potenziale, wenn man an die Kopplung von CSP beispielsweise mit Photovoltaik-Anlagen denkt. Aber auch für die Produktion von grünem Wasserstoff per Hochtemperaturelektrolyse bietet die Solarthermie große Potenziale“, ist sich der Solarlite-Experte sicher.

Kontakt

Mehr Informationen zum Thema erhalten Sie von

Herr Dr. Kai Schickedanz
Leiter Technisches Marketing Heat Transfer Fluids
WACKER SILICONES
+49 8677 83-87694
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