Solarwärme

Vom Großkraftwerk bis zum Solaren Kochen

30.9.2022

Die im vollen Aufbruch befindliche Energiewende setzt naturgemäß vor allem auf Sonnenenergie. Das ist, was die Erde frei Haus geschenkt bekommt (von der Hitze im Erdinneren einmal abgesehen). Sowohl Biomasse und Wind als auch Wasserkraft sind Energie- und Erscheinungsformen, die ohne die Wärme der Sonnenstrahlen nicht möglich wären. Durchschnittlich 340 Watt an Sonnenenergie erhält jeder Quadratmeter der Erdoberfläche. Das ist das Energiebudget, das uns und allen Lebewesen dieses Planeten zur Verfügung steht. Auf die gesamte Erdoberfläche hochgerechnet sind es ca. 174 Millionen Gigawatt.

Diese ebenso ungeheure wie umwelt- und klimafreundliche Energiequelle wird bereits genutzt, etwa durch Photovoltaikpanele, die die eintreffenden Sonnenstrahlen direkt in Elektrizität umwandeln können. Durch den Ausbau erneuerbarer Energien ist die Photovoltaik gerade in aller Munde, dabei wird jedoch eine andere, viel ältere Technologie gerne vergessen, die die Sonnenenergie noch effizienter nutzen kann: der Sonnenkollektor.

Damit ist es möglich, die Sonnenstrahlen durch die Reflektion von einer entsprechend gekrümmten Fläche an einem sehr kleinen Punkt zu konzentrieren.

Beispiel: https://www.sonnentaler.net/dokumentation/wiss/optik/weiter/spiegel-bild/images/spiegel-bild-1.jpg

An einem sonnigen Tag kann die auf eine senkrecht zur Sonneneinstrahlung stehende Fläche durchaus 900-1000 Watt/m² an Sonnenenergie empfangen. Ein Parabolspiegel kann diese Energie auf eine kleine Fläche von vielleicht 10 cm² konzentrieren, was eine Menge Hitze erzeugt. Von dort ist es nicht mehr weit zum Gedanken, diese Hitze irgendwie nutzbar zu machen. Schließlich verfeuert der Mensch seit dem späten 17. Jahrhundert Kohle, um Dampfmaschinen anzutreiben, die entweder Arbeit verrichten oder Elektrizität erzeugen. Eine solche Anlage mit 41-45 kW wurde etwa bereits 1912/13 in Ägypten als Dampfmotorpumpe in Betrieb genommen. Der 1. Weltkrieg, der die Weichen in Richtung Erdöl und Verbrennermotor stellte, ließ solche ersten Anfänge jedoch wieder in der Versenkung verschwinden. Erst Ende der 70er/Anfang der 80er Jahre des 20. Jahrhunderts bekam die Sonnenkollektortechnologie wieder Aufschwung, als die Ölkrise 1973 hatte erkennen lassen, dass fossile Energieträger nicht unbegrenzt verfügbar sind.

In den Fokus der öffentlichen Wahrnehmung gelangte diese umweltfreundliche Art der Energieerzeugung verstärkt jedoch erst in den 2000er Jahren, als die Problematik des Klimawandels immer deutlicher wurde. Leider befindet sie sich in einer Art Konkurrenzsituation zur Photovoltaik, die durch Skaleneffekte seit 2011 billiger geworden ist und dadurch in den 2010er Jahren einen gewaltigen Aufschwung bekommen hat.

Sie hat gegenüber Sonnenkollektoren den Vorteil, auch an bedeckten, wolkigen Tagen Strom erzeugen zu können, was sie auch für mitteleuropäische Verhältnisse attraktiv macht. Sie ist außerdem in jeder beliebigen Größe einsetzbar und unterliegt durch das Fehlen beweglicher Teile nur einem geringen Verschleiß. Hingegen sind Sonnenkollektoren auf einen klaren, wolkenlosen Himmel angewiesen, werden umso effizienter, je größer sie gebaut sind und unterliegen durch die angeschlossene Dampfturbine einem größeren Verschleiß.

Sie haben der Photovoltaik gegenüber aber auch einige Vorteile: die von ihnen erzeugte Wärme kann in Tanks gespeichert werden, wodurch sie auch in Abend/Nachtstunden Strom produzieren können. Dadurch sind sie auch koppelbar mit Gas- oder Biomassekraftwerken. Die produzierte Wärme kann außerdem auch für andere Zwecke als die Stromproduktion eingesetzt werden, etwa zur Meerwasserentsalzung oder zur thermischen Produktion von Wasserstoff bzw. zur weiteren Erzeugung/Verarbeitung künstlicher Kohlenwasserstoffe. Dadurch ist das Einsatzgebiet für Sonnenkollektoren durchaus breiter als das von Photovoltaik, die "nur" Strom produzieren kann.

Der heutige Stand der Technik benutzt vor allem 3 verschiedene Arten von Sonnenkollektorkraftwerken.

1. Parabolrinnenkraftwerke

Link: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/Parabolic_trough.svg

In einer Parabolrinne wird die Sonnenenergie nicht auf einem Punkt, sondern in einer Linie konzentriert. Dort befindet sich eine Röhre, in welcher das Arbeitsmedium (heute meist geschmolzene Salze) zirkuliert. Der Vorteil ist, dass die bestehende Fläche optimaler ausgenutzt wird und auch keine Nachführung zum Sonnenstand benötigt wird. Nur der Neigungswinkel je nach Tageszeit (=Sonnenhöhe) muss nachgeführt werden. Dies wird "einachsige Nachführung" genannt.

Diese Kraftwerksart erreicht Temperaturen von 250-400°C und einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 15%. Gute Photovoltaikpanele erreichen derzeit Wirkungsgrade von ca. 20%.

Eine Sonderform des Parabolrinnenkraftwerks ist der Fresnellinsenkonzentrator.

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Fresnellinsen sind mehr oder weniger ein Bündel paralleler Spiegel mit unterschiedlichem Winkel, die das reflektierte Licht auf einen Fokus konzentrieren. Sie nutzen die vorhandene Fläche effektiver aus als klassische Parabolrinnen.

2. Solarturmkraftwerke

Link: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/PS20andPS10.jpg

Diese gewaltigen Anlagen nutzen die gebündelte Kraft einer ganzen auf sie gerichteten Spiegelbatterie. Dadurch erreichen sie deutlich höhere Temperaturen von bis zu 1000°C und Spitzenwirkungsgrade von ca. 30%, womit sie bisher allen kommerziellen Photovoltaikpanelen überlegen sind. In Diskussion gerieten diese Kraftwerke im Zusammenhang mit getöteten Vögeln in der Mojavewüste. Die Kraft der gebündelten Sonnenstrahlen nahe dem Konzentratorturm ist so hoch, dass Vögel im Flug verbrennen können oder zumindest ihre Flugfedern angesengt werden.

3. Dish-Sterling-Kraftwerke (Parabolspiegelkrafwerke)

Link: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/59/SolarStirlingEngine.jpg

Meist handelt es sich dabei nicht um einen kompakten Spiegel, sondern viele kleinere Spiegel, die in Form eines Parabolspiegels angeordnet sind. In Kombination mit einem Stirlingmotor wurden so die höchsten Effizienzgrade von bis zu 34% erreicht. Parabolspiegelkraftwerke sind jedoch aufwendiger im Bau und eignen sich eher für kleinere Einzelanlagen in isolierten Gebieten.

Letztere Technik kann auch ganz schlicht im Hausgebrauch verwendet werden - zum Kochen oder Grillen. Mittlerweile gibt es jede Menge Angebote zum Kauf dieser ungemein praktischen Geräte. Sie können auch selber gebastelt werden.

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Wenn die Sonne scheint ist es so möglich, sich das Essen ohne Einsatz von Strom, Gas oder Holz zuzubereiten. In Zukunft, wo Stromsparen irgendwann möglicherweise ein Thema wird, kann diese einfache Technik unter Umständen etliche Vorteile mit sich bringen. Heute ist es mehr ein Vergnügen bzw. das positive Gefühl, ohne CO2-Emissionen oder Umweltverschmutzung das eigene Essen zubereitet zu haben.

Quellen:

·         www.solarwaerme.at

·         Volker Quaschnig: Erneuerbare Energien und Klimaschutz, Hanser-Verlag, 5. Auflage 2019

·         https://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenenergie

·         https://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenwärmekraftwerk

·         https://de.wikipedia.org/wiki/Solarkocher

·         https://www.energie-lexikon.info/sonnenenergie.html

·         https://www.energie-lexikon.info/solarkraftwerk.html

·         https://www.energie-lexikon.info/solarthermisches_kraftwerk.html

·         https://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenstrahlung

·         https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_irradiance

·         https://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power

·         https://de.wikipedia.org/wiki/Parabolrinne

·         https://en.wikipedia.org/wiki/Compact_linear_Fresnel_reflector

·         https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_tower

·         https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_energy

·         https://en.wikipedia.org/wiki/Parabolic_trough

·         http://helioscsp.com/linear-fresnel-systems-and-the-future-for-concentrated-solar-power/

·         https://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/energie/solarenergie/solarthermie/technik-solarkraftwerke/