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Solarstrom rund um die Uhr

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In einem Gastbeitrag beschäftigen sich die beiden Diplom-Ingenieure Björn Hunstock und Björn Bülten – beide wissenschaftliche Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT – mit solarthermisch angetriebenen Kraftwerken auf Basis der Organic Rankine Cycle (ORC) Technologie. Sie erläutern, in welchen Fällen und aus welchen Gründen diese als Alternative  zu Photovoltaik-Anlagen in Betracht gezogen werden sollten. Sie wagen einen Vergleich der beiden Technologien und kommen zu einem deutlichen Fazit.

Fraunhofer_umsicht_logoCleanTech & Solarenergie News/ Oberhausen. Im Mittelmeerraum werden bis dato häufig Dieselmotoren und Photovoltaik (PV) zur dezentralen Stromversorgung eingesetzt. Dieselgeneratoren verursachen Stromgestehungskosten von bis zu 0,40 Euro pro Kilowattstunde (elektrisch) und der Betrieb ist ressourcenintensiv. Photovoltaikanlagen können ohne teuren Batteriespeicher nur während Sonnenstunden Strom erzeugen. Als Alternative bieten sich solarthermisch angetriebene Kraftwerke auf Basis der Organic Rankine Cycle (ORC) Technologie an, die im Leistungsbereich bis 500 Kilowatt (elektrisch) arbeiten können.

Organic Rankine Cycle Anlagen sind Kraftwerke, die ähnlich wie beispielsweise ein herkömmliches Steinkohlekraftwerk funktionieren, jedoch statt Wasser ein organisches Fluid als Arbeitsmittel einsetzen. Im Leistungsbereich von 60 bis 120 Kilowatt (elektrisch) wurden seit 2007 von Fraunhofer UMSICHT, Dürr Cyplan Ltd. und weiteren Industriepartnern acht Anlagen entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen, welche unter anderem die Abgaswärme (450 Grad Celsius) von BHKW mit einem Nettowirkungsgrad von bis zu 18 Prozent in Strom umwandeln.

Solarstrom mit Organic Rankine Cycle (SORC)

Schaltschema_SORC
Quelle: Fraunhofer UMSICHT und protarget AG

Das Anlagenkonzept einer SORC-Anlage sieht vor, dass die Verdampfungswärme durch einachsig der Sonne nachgeführten, linear-fokussierende Kollektoren (zum Beispiel thermoölführende Parabolrinnenkollektoren) bereitgestellt wird. Die Nachführung erhöht die Solarausbeute. Neben der direkten Kraftwerkswärmeversorgung wird zusätzlich ein thermischer Speicher durch die Wärme aufgeladen. So ist zu Zeiten geringer oder gar keiner Solarstrahlung dennoch ein kontinuierlicher Betrieb möglich. Das Kraftwerk wäre somit prinzipiell grundlastfähig. Die Abbildung zeigt das geplante Prozessschema. Zu sehen ist eine ORC-Anlage von Fraunhofer UMSICHT und ein Parabolrinnenkollektor der Firma protarget AG.

Die Nutzung dieser Technologie beschränkt sich auf Orte mit ausreichend hoher Einstrahlung und entsprechenden dezentralen Bedarf. Deutschland scheidet aufgrund der schlechten Einstrahlungsbedingungen als Aufstellungsort aus, da die Anlagentechnik hier wirtschaftlich nicht rentabel wäre. Vielversprechend sind die Regionen im Mittelmeerraum (zum Beispiel Südeuropa und Nordafrika) in denen genügend Solarstrahlung vorhanden ist und auch der Bedarf besteht.

Zu berücksichtigen bei der Auslegung der SORC-Kraftwerke ist, dass das Kollektorfeld ausreichend groß dimensioniert ist, da neben dem Kraftwerksbetrieb gleichzeitig der Speicher beladen werden muss, der den laufenden Betrieb sicherstellen soll. Beispielsweise müsste das Feld um den Faktor drei größer ausgelegt werden, wenn acht Sonnenstunden am Tag dafür sorgen sollen, dass der Speicher beladen wird, damit das Kraftwerk in den restlichen 16 Stunden lauffähig ist.

Vorteil: SORC

Strukturschwachen Regionen kann durch eine dezentrale SORC-Anlage Netzautarkie geboten werden. Durch den thermischen Speicher ist die Technologie derzeit prinzipiell der PV-Anlage überlegen, da die Strombereitstellung günstig von der Energiebereitstellung der Sonne entkoppelt werden kann. Die Realisierung einer grundlastfähigen PV-Anlage ist wohl auch in ferner Zukunft nicht wirtschaftlich. Neben der Stromerzeugung bietet die SORC-Technologie die Möglichkeit, auch die Kondensationswärme des Kraftwerksprozesses zu nutzen. So können weitere Technologien (Wärme- und Kälteerzeugung oder Meerwasserentsalzung) gekoppelt werden. Technologiebedingt ist der Flächenbedarf für eine SORC-Anlage größer als einer PV-Anlage, obwohl die Wirkungsgrade beider Systeme in ähnlicher Größenordnung liegen.

Der solarelektrische Jahresausnutzungsgrad (Quotient aus produzierter elektrischer Energie und eingestrahlter Sonnenenergie) einer PV-Anlage liegt nur bei ca. 10 Prozent, da einzig der Strom zu Sonneneinstrahlzeiten umgewandelt werden kann, weil bisher elektrische Stromspeicher noch zu teuer sind. Durch die antizyklische Stromerzeugung können SORC-Anlagen hingegen einen Ausnutzungsgrad von bis zu 47 Prozent erreichen.

Aus anwendungstechnischer und wirtschaftlicher Sicht liegt der Vorteil bei den solarthermischen Kraftwerken, auch wenn die PV durch die jahrelange Entwicklung und Subventionierung im Moment präferiert wird. Reine PV-Anlagen sind heutzutage nicht grundlastfähig. In Kombination mit Dieselmotoren ist diese Aufgabe zwar denkbar, aber durch den Brennstoffbedarf und die damit verbunden Kosten ist dies auch keine wirtschaftlich sinnvolle Lösung.

Simulation des Lastgangs

Tagesverlauf_SORC
Zum Vergrößern bitte auf die Grafik klicken!
Quelle: Fraunhofer UMSICHT

Die Grafik stellt exemplarisch den Tagesverlauf im Dezember mit relativ wenigen Sonnenstunden dar. Der Tageslastgang zeigt, wann der Speicher in Benutzung ist. Zu Stunden mit solarer Einstrahlung wird der Speicher befüllt und gleichzeitig das Kraftwerk mit Wärme versorgt. Zu Zeiten ohne Solarstrahlung ist die Wärmeversorgung komplett aus dem Speicher zu bewerkstelligen.

Fazit: Die Stromversorgung in Gebieten mit hoher Solarstrahlung kann in Zukunft zum Teil durch SORC-Anlagen übernommen werden, da diese technisch mehr Einsatzmöglichkeiten bieten als Photovoltaikanlagen und keine Brennstoffkosten entstehen.

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