Solarturmkraftwerk

Ein Solarturmkraftwerk lenkt mit einem Feld sonnennachgeführter Spiegel, den Heliostaten, das Sonnenlicht auf einen Receiver oben auf einem Turm. Das gebündelte Licht verdampft Wasser oder erhitzt eine Salzschmelze, die sich speichern lässt, und die Wärme treibt eine Dampfturbine an. Giovanni Francia baute Mitte der 1960er-Jahre in Sant’Ilario bei Genua das erste Turmkraftwerk.

Was es ist

Ein Solarturmkraftwerk, auch Zentralreceiver-Kraftwerk genannt, sammelt das Sonnenlicht einer großen Bodenfläche mit Hunderten oder Tausenden ebener Spiegel, den Heliostaten. Jeder Heliostat dreht sich im Lauf des Tages mit, damit er die Sonne stets auf dasselbe Ziel wirft: einen Receiver oben auf einem hohen Turm in der Mitte oder am Rand des Feldes. Das gebündelte Licht erhitzt ein Medium, das durch den Receiver strömt. In manchen Anlagen ist es Wasser, das zu Dampf wird, in anderen eine Salzschmelze, die die Wärme den Turm hinunterträgt.

Am Fuß des Turms speist die Wärme ein gewöhnliches Kraftwerk. Dampf, der direkt im Receiver oder in einem vom heißen Salz beheizten Dampferzeuger entsteht, treibt eine Dampfturbine an, die mit einem Generator gekoppelt ist. Eine Solarzelle wandelt Licht unmittelbar in Strom um; ein Turm macht daraus zuerst Wärme, und Wärme, die in heißem Salz gespeichert ist, lässt ein Kraftwerk auch nach Sonnenuntergang oder hinter Wolken weiterlaufen.

Wie es funktioniert

Ein Heliostat muss genau in die Mitte zwischen Sonne und Receiver zeigen, damit das Licht das Ziel trifft.

Ein Spiegel wirft das Licht im selben Winkel zurück, unter dem es einfällt. Damit der reflektierte Strahl auf dem Receiver bleibt, muss ein Heliostat also in eine Richtung genau zwischen Sonne und Receiver zeigen, und weil die Sonne über den Himmel wandert, ändert sich diese Richtung den ganzen Tag. Jeder Heliostat sitzt auf einem Sockel mit Antrieben, die ihn um zwei Achsen drehen, meist um eine senkrechte für die Richtung und eine waagerechte für die Neigung. Da jeder Heliostat an einer anderen Stelle des Feldes steht, folgt jeder seiner eigenen Bahn. Eine Steuerung berechnet die beiden Winkel jedes Heliostaten aus Datum, Uhrzeit und seinem Platz im Feld.

Der Receiver ist eine Wand aus Rohren, auf der sich alle reflektierten Strahlen treffen.

Der Receiver ist ein Wärmeübertrager aus Rohren. Bei Solar Two in Kalifornien war er ein Zylinder aus Rohrpaneelen rund um die Turmspitze: Salzschmelze, die aus einem kalten Tank hinaufgepumpt wurde, kam mit etwa 565 °C heraus und floss dann in einen heißen Tank hinab. Von dort wurde sie durch den Dampferzeuger und zurück in den kalten Tank gepumpt. In solchen Anlagen bleibt das Salz meist zwischen etwa 290 und 565 °C. Anlagen, die Wasser erhitzen, erzeugen den Dampf im Receiver selbst, wie Solar One in Kalifornien und PS10 in Spanien. In beiden Fällen muss der Receiver einen starken und wechselnden Lichtstrom aushalten. Zieht eine Wolke vorbei, fällt das Licht auf ihm schlagartig ab, und ein Kraftwerk ohne Speicher verliert damit seine Leistung.

So geht’s

Ein paar Taschenspiegel und eine schwarze Dose ergeben einen kleinen Turm, an dem sich die Temperatur ablesen lässt.

Ein paar kleine ebene Spiegel und eine dunkle Dose ergeben an einem sonnigen Tag ein funktionierendes Modell. Streichen Sie eine kleine leere Blechdose mattschwarz, füllen Sie sie halb mit Wasser und stecken Sie ein Thermometer hinein. Befestigen Sie die Dose im Freien auf einem Stab oder einem Stapel Ziegel, etwa in Kniehöhe, auf gepflastertem oder steinigem Boden. Stellen Sie vier bis sechs Taschenspiegel auf Knetklumpen ein bis zwei Schritte entfernt rings um sie auf den Boden.

Notieren Sie die Wassertemperatur, drehen Sie dann einen Spiegel, bis sein Lichtfleck auf die Dose fällt, und lesen Sie alle zwei Minuten das Thermometer ab. Nehmen Sie die anderen Spiegel einen nach dem anderen hinzu und richten Sie jeden auf die Dose. Mit jedem weiteren Spiegel wird das Wasser schneller warm, und eine weiße Dose oder eine im Schatten erwärmt sich langsamer. Das zeigt, warum Receiver dunkel und Spiegelfelder groß sind.

Sicherheitshinweis. Schauen Sie nie in die Sonne oder in die Spiegelung eines Spiegels, und richten Sie einen Lichtfleck nie auf Menschen, Tiere, Fenster oder Autos: Gebündeltes Sonnenlicht kann die Augen schädigen und die Haut verbrennen. Verwenden Sie nur kleine ebene Spiegel, nie eine Lupe oder einen Hohlspiegel, die trockenes Material entzünden können, und halten Sie Papier, Gras und Holz von der Dose fern. Kleben Sie die Spiegelkanten ab und lassen Sie die Dose abkühlen, bevor Sie sie anfassen. Kinder machen den Versuch nur mit einem Erwachsenen, und nach dem Versuch werden die Spiegel mit der Spiegelfläche nach unten hingelegt.

Geschichte und Entwicklung

Der italienische Mathematiker und Ingenieur Giovanni Francia suchte in Genua nach Wegen, Sonnenwärme bei hoher Temperatur zu gewinnen. Er wandte sich Spiegeln zu, die die Sonne bündelten, und baute Mitte der 1960er-Jahre in Sant’Ilario bei Genua ein Feld fast ebener Spiegel, die das Sonnenlicht auf einen Kessel warfen und Dampf erzeugten. Darstellungen seiner Arbeit datieren die ersten Versuche auf 1965, das Landwirtschaftsinstitut, auf dessen Gelände die Anlage stand, ihre Aufstellung auf 1964. Francia beschrieb seine Versuchsanlagen 1968 in der Zeitschrift Solar Energy.

Türme zur Stromerzeugung folgten Anfang der 1980er-Jahre. Eurelios, eine Anlage mit 1 MW in Adrano auf Sizilien, ging 1981 in Betrieb. Solar One bei Barstow in Kalifornien erzeugte von 1982 bis 1988 10 MW mit einem Receiver, der Wasser verdampfte. Danach wurde die Anlage zu Solar Two umgebaut, die Ende der 1990er-Jahre mit einem Salzschmelze-Receiver lief und ihre Wärme in Tanks mit heißem und kaltem Salz speicherte, sodass sie auch nach Sonnenuntergang Strom liefern konnte.

In Spanien folgten kommerzielle Türme. PS10 bei Sevilla erzeugt 11 MW mit Wasser und Dampf. Gemasolar, 2011 in Andalusien in Betrieb genommen, leistet rund 20 MW und speichert so viel heißes Salz, dass die Anlage etwa 15 Stunden ohne Sonne laufen kann. Damit hat sie schon rund um die Uhr Strom geliefert.