Was ist ein Solarkraftwerk und wie funktioniert es?

Für die Energiewende bieten sich Solarkraftwerke mit dem von ihnen erzeugten Strom als offensichtliche Lösung an. Solarkraftwerke arbeiten sauber, ihre Herstellung und Nutzung verursachen kaum Schadstoffe und es entstehen dabei auch keine Treibhausgase.

Indirekt wird auch Wind- und Wasserkraft von der Sonne gespeist, denn nur durch die Sonneneinstrahlung entstehen die Wind auslösenden Druckunterschiede und die Verdunstung von Wasser. Auch das Pflanzenwachstum hängt von der Sonnenstrahlung ab.

Hier beschränken wir uns auf die direkte Nutzung der Sonneneinstrahlung zur Energiegewinnung. Wir stellen Ihnen die Möglichkeiten der verschiedenen Technologien und ihre Herausforderungen vor.

Was ist Solarenergie oder Sonnenenergie?

Solarenergie ist ein Primärenergieträger, der als Strahlung selbst oder über die durch sie erzeugte Wärme als Energiequelle für Sie als Nutzer zur Verfügung steht. Die technische Nutzung dieser zwei Aspekte ist sehr verschieden und führt zu stark unterschiedlichen technischen Umsetzungen.

In der Form von Licht und Wärme ist Energie aus der Sonne für die gesamte belebte Natur auf der Erde und natürlich besonders auch für uns Menschen lebensnotwendig. Als Energiequelle für die industrielle Nutzung findet Strom aus der Sonne seit den 1970er Jahren ein starkes Interesse, das seinerzeit vom Ölschock ausgelöst wurde.

Was ist ein Solarkraftwerk?

Solarkraftwerke sind Anlagen für die Verwertung von Sonnenenergie. Heute dienen sie fast immer der Erzeugung von elektrischem Strom.

Durch Photovoltaik kann Strom direkt aus Sonneneinstrahlung erzeugt werden. Kraftwerke dieses Typs werden auch Solarparks genannt.

In einem thermischen Solarkraftwerk wird mit der Wärme der Sonneneinstrahlung Dampf erzeugt, der eine Turbine antreibt. Deren mechanische Energie wird dann von einem Generator in elektrischen Strom umgewandelt.

Ein thermisches Solarkraftwerk erfordert eine hinreichend starke Sonneneinstrahlung und ist also nur in Gegenden wirtschaftlich zu betreiben, die diese Bedingung erfüllen.

Solarkraftwerk

Was ist der Unterschied zwischen Solarthermie und Photovoltaik?

Solarthermie

Die Sonneneinstrahlung erwärmt direkt oder indirekt Wasser und erzeugt auf diese Weise Dampf. Dieser treibt über eine Turbine einen Generator an, der elektrischen Strom erzeugt.

Photovoltaik

In diesem System wird Strom ohne den Umweg über Wärme generiert. Die Sonneneinstrahlung führt in dafür geeignetem Material wie Halbleitern zur Bildung von Ladungsträgern, deren Potentialunterschied elektrischen Strom erzeugt.

Wie funktioniert ein Solarkraftwerk?

Photovoltaik

Ein Solarkraftwerk in dieser Technologie wird als Solarpark bezeichnet. Ein solcher Solarpark besteht aus einer größeren Zahl von Photovoltaikelementen, deren Strom direkt ins Netz eingespeist wird.

Solarthermiekraftwerk

Kraftwerke dieses Typs gehören zu Wärmekraftwerken, deren Primärenergiequelle ist die Sonne. Mit Sonneneinstrahlung wird also ein Wärmeträger erhitzt, bei dem es sich um Wasser oder eine andere Substanz handeln kann. In einem zweiten Schritt wird dann aber Wasserdampf erzeugt. In einem kalorischen Kraftwerk oder auch einem Kernkraftwerk geschieht dasselbe, nur dass die Energie für die Dampferzeugung aus fossilen oder Kernbrennstoffen stammt.

Umwandlung der Sonnenenergie: Zur Dampferzeugung wird die Sonneneinstrahlung durch Reflexion und Steuerung konzentriert. Die Sonnenstrahlen werden zum Beispiel durch Parabolspiegel auf Brennpunkte konzentriert oder mit flachen Spiegeln auf einen Punkt gerichtet, der sich aus praktischen Gründen meistens an der Spitze eines Turms befindet. In diesem zentralen Absorber können Temperaturen von über 1.000 Grad Celsius erreicht werden.

Ein solches Solarkraftwerk besitzt im Prinzip einen einfachen Aufbau, die Details stellen aber oft eine beträchtliche Herausforderung dar. Nachdem die Spiegel beweglich sein müssen, um der Sonne nachführbar zu sein, ist eine entsprechende Mechanik vonnöten, die aufwendige Wartung erfordern kann. Die Spiegel müssen gereinigt werden, weil sie sonst einen Teil ihrer Reflexionsfähigkeit verlieren. Dieses Problem sieht in gemäßigten Breiten einfach lösbar aus, bei einer Aufstellung solcher Kraftwerke in der Wüste sind aber äußere Bedingungen wie Sandstürme zu berücksichtigen. Nachdem Solarkraftwerke wertvolle Bauteile enthalten, verursacht gerade beim Betrieb in abgelegenen Gegenden auch die Sicherung und Bewachung weitere Kosten.

Verwertung der Energie aus einem Solarkraftwerk

Auch in Gegenden mit konstanter Sonneneinstrahlung folgt diese natürlich dem Rhythmus von Tag und Nacht. In milderem Klima ist auch bei Tag die Sonneneinstrahlung unregelmäßig. Aus diesem Grund wird ein Solarkraftwerk oft mit Kraftwerken anderen Typs kombiniert. Dabei kann es sich um ein Bioheizkraftwerk oder auch um ein konventionelles kalorisches Kraftwerk handeln. Diese Kraftwerke verfügen über eine sogenannte Grundlastfähigkeit, sie können also eine stabile und unterbrechungslose Stromversorgung garantieren. Praktisch gesehen handelt es sich bei einer solchen Kombination um ein grundlastfähiges Kraftwerk, dessen Brennstoffverbrauch bei Verfügbarkeit von Sonneneinstrahlung reduziert wird.

Umsetzung der Wärmeenergie in elektrischen Strom

Dieser Teil eines Solarkraftwerks ist dem entsprechenden Teil eines konventionellen kalorischen Kraftwerks sehr ähnlich. Das Prinzip ist gleich, die Quelle der Wärmeenergie legt aber eine auf sie angepasste technische Umsetzung nahe. Das gilt insbesondere dann, wenn es sich um Solarkraftwerke ohne Kombination mit Wärme aus anderen Brennstoffen handelt. Dann wird berücksichtigt, dass sich die Sonneneinstrahlung und damit die verfügbare Wärmeenergie für die Dampferzeugung sehr schnell ändern kann. Es ist also von Vorteil, eine Dampfturbine mit einer kurzen Anfahrzeit einzusetzen, mit der man auf solche Schwankungen reagieren kann.

Welche Vor- und Nachteile haben Solarkraftwerke?

Vorteile der Solarkraftwerke

Verfügbarkeit: Die Primärenergie aus der Sonne ist unbeschränkt verfügbar und zwar in einem solchen Ausmaß, dass noch erhebliches Skalierungspotential besteht.

Kaum Schadstoffe: Ein Solarkraftwerk belastet die Umwelt nur bei seiner Herstellung mit Schadstoffen und auch da nur in geringem Ausmaß. Beim Betrieb werden auch keine Treibhausgase emittiert.

Speicherung: Die Pufferung von Belastungsspitzen ist mit der Speicherung von Wärme einfacher als mit der Speicherung von elektrischem Strom selbst.

Nachteile der Solarkraftwerke

Zeitliche Beschränkungen der Verfügbarkeit: Die Sonne scheint immer, aber auf der Erdoberfläche kommt diese Strahlung nur im Tagesrhythmus an. Energie aus der Sonne für Wärme und Licht steht also gerade dann am meisten zur Verfügung, wenn diese Bedürfnisse durch die Sonne selbst schon gedeckt sind. Für die Nacht muss die Energie aus der Sonne gespeichert werden.

Örtliche Beschränkungen der Verfügbarkeit: Neben dem Tagesrhythmus ist auch die geografische Verteilung sehr ungleichmäßig. So kann durch Solaranlagen auf der einen Seite viel Energie in bestimmten Regionen gewonnen werden und auf der anderen Seite reicht eine Energieversorgung mit Solarkraftwerken in anderen Regionen nicht aus. Das bedeutet einen entsprechenden Aufwand für den Transport von elektrischem Strom.

Sekundäre Technologien für Solarkraftwerke zum Einsatz von Sonnenenergie

Wie können wir also die Nachteile von Strom aus der Sonne in den Griff bekommen? Zur Verfügung steht genug Energie aus der Sonne, nur eben nicht notwendigerweise dann und an den Orten, wo diese Energie gebraucht wird.

Speicherung: Gerade wenn genügend Energie verfügbar ist, kann eine Speicherung auch bei niedrigerem Wirkungsgrad interessant sein. Strom aus der Sonne kann für die Herstellung von Wasserstoff und Methan eingesetzt werden, die einfach gespeichert und sogar in das Erdgasnetz eingespeist werden können.

Lastverteilung: Manche Verbraucher sind nicht zeitkritisch, können also flexibel zu- und abgeschaltet werden. Dazu gehören das Laden von Akkus elektrisch betriebener Autos und Anwendungen für Heizung und Kühlung. Intelligente Steuerung kann diese Verbraucher dann aktivieren, wenn Energie aus der Sonne gerade für die Solaranlagen zur Verfügung steht.

Wie viele Solarkraftwerke gibt es in Deutschland?

Neben einer mittleren zweistelligen Zahl von Solarparks steht in Jülich ein Solarkraftwerk für Forschungszwecke, das Strom für etwa 400 Haushalte oder auch Wasserstoff aus Sonnenstrom erzeugen kann.

Fazit zum Thema Solarkraftwerk

Solarkraftwerke an geeigneten Standorten haben großes Potential, das einen beträchtlichen Beitrag zur Energiewende leisten kann. In Bezug auf erneuerbare Energien ist intelligente Technologie gefragt, um die Probleme mit der ungleichmäßigen Verfügbarkeit in den Griff zu bekommen. Solaranlagen können hier auf Seite der Energiewende große Dienste leisten. 🌱

Bildquellen

  • Solarpark-Solarenergie: iStock/StockSeller_ukr
  • Solarkraftwerk: iStock/jotily
  • Clean-energy: iStock/undefined undefined