Im Mittelmeerraum wird zur autarken Stromversorgung häufig auf Dieselmotoren und Photovoltaik (PV) zurückgegriffen. Die Nachteile beim Dieselmotor sind einerseits die Abhängigkeit vom immer teurer werdenden Öl und andererseits die Wartungsanfälligkeit. Dies führt zu relativ hohen Stromgestehungskosten bis über 0,40Euro/kWh el. PV-Anlagen können aufgrund der zurzeit nicht wirtschaftlich herstellbaren Stromspeicher keine kontinuierliche Stromversorgung zu akzeptablen Stromgestehungskosten sicherstellen. Eine Alternative ohne diese Nachteile bietet im Leistungsbereich zwischen 50 und 500kW eldie solarthermische Stromerzeugung auf Basis der Organic-Rankine-Cycle-Technologie (ORC).
Stand solarthermischer Kraftwerke
In den 1980er Jahren wurde das erste kommerzielle solarthermische Kraftwerk in den USA in Betrieb genommen und in den Jahren danach erweitert. Heute beträgt die Gesamtleistung des Kraftwerkkomplexes mit insgesamt neun Solarkraftwerken zusammen 354MW el. In diesen Kraftwerken wird Wasser über einen Zwischenkreislauf mit solar erhitztem Thermoöl verdampft und in einer Turbine wieder entspannt, um einen Generator anzutreiben. Mit einem thermischen Speicher wären diese Kraftwerke sogar grundlastfähig. In den letzten fünf Jahren wurden im Zuge der Klimadiskussion - unter anderem in Spanien - zwölf Parabolrinnenkraftwerke mit je 50MW elgeplant und errichtet. Weltweit sind weitere Projekte mit Leistungen über 50MW elgeplant, wie zum Beispiel Desertec.
Die Verdampfungswärme in den kommerziellen solarthermischen Kraftwerken wird aktuell durch linearkonzentrierende Kollektoren erzeugt - entweder Parabolrinnen- oder Fresnelkollektoren. Bei den Parabolrinnenkollektoren konzentriert eine der Sonne einachsig nachgeführte, parabelförmige Spiegelrinne die Solarstrahlung auf ein Absorberrohr, was zu Thermoöl-Temperaturen von T max~ 450°C führt. Fresnelkollektoren bestehen hingegen aus mehreren einzeln nachgeführten Spiegelreihen und konzentrieren so die Solarstrahlung auf ein Absorberrohr. Hier erreicht das Thermoöl eine maximale Temperatur von T max~ 300°C. Das Kollektorfeld verursacht etwa 70 Prozent der Investitionskosten des Kraftwerkes, daher sind Einsparpotenziale in der Herstellung der Kollektoren von großem Interesse. Kostenreduktionen können durch effizientere Herstellprozesse erzielt werden. Es sind aber auch mit der ORC-Technologie bei den Eintrittstemperaturen bis 450°C Wirkungsgrad- und Kostenvorteile gegenüber dem herkömmlichen Wasserdampfprozess möglich.
ORC für kleinere Leistungen
Der ORC ist bereits seit den 1930er Jahren bekannt und wird derzeit hauptsächlich zur Stromerzeugung im Leistungsbereich über 500kW elverwendet. Als Wärmequelle dienen dabei Geothermiequellen, Biofestbrennstofffeuerung und industrielle Abwärme. Im kleineren Leistungsbereich von 30 bis 120kW elhat das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht) mit Dürr Cyplan und weiteren Industriepartnern seit 2007 acht Prozesse entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen. Diese wandeln die 450°C heißen Abgase von Blockheizkraftwerken (BHKW) mit einem Nettowirkungsgrad von bis zu 18 Prozent in Strom um.
Solar-ORC-Anlagen (SORC) existieren bisher nur wenige - abgesehen von kleinen Versuchsanlagen gibt es weltweit nur eine Hochtemperatur-SORC-Anlage mit einer elektrischen Leistung von 1MW. Der Sektor der dezentralen Hochtemperatur-SORC-Anlagen mit Leistungen unter 500kW elist bisher noch nicht erschlossen. Die Abbildung oben zeigt eine 100-kW el-ORC-Anlage und ein Modul eines Parabolrinnenkollektors mit 3m Aperturweite, die als Anlagenkonfiguration miteinander arbeiten können.
Eine dezentrale SORC-Anlage kann für strukturschwache Regionen Netzautarkie bieten und ist durch den thermischen Speicher der Photovoltaik überlegen, da mit ihm der Stromverbrauch günstig von der Erzeugung entkoppelt werden kann. Zudem besteht die Möglichkeit, die Restwärme der Kondensation zu nutzen, um weitere Technologien zu betreiben - zum Beispiel solarthermische Wärme- und Kälteerzeugung sowie Wasserentsalzung.
SORC-Technologie mit Speicher
Das Anlagenkonzept einer SORC-Anlage sieht vor, dass die Verdampfungswärme durch beispielsweise thermoölführende Parabolrinnenkollektoren bereitgestellt wird. Die Kollektoren werden einachsig der Sonne nachgeführt und nutzen so die verfügbare Strahlung besser. Es wird jedoch nicht nur der Kraftwerksprozess mit Wärme versorgt, sondern zusätzlich ein thermischer Speicher aufgeladen, damit auch zu Zeiten geringer oder gar keiner Solarstrahlung ein kontinuierlicher Betrieb möglich ist und somit das Kraftwerk Grundlastaufgaben übernehmen kann.
Ein vielversprechender Aufstellungsort ist der Mittelmeerraum (Südeuropa und Nordafrika), da in diesen Regionen die solare Einstrahlung ausreichend hoch ist. In Deutschland ist das Solarangebot für diese Art der Technik nicht ausreichend und die Stromerzeugung daher nicht wirtschaftlich.
Für die Auslegung solarthermischer Kraftwerke ist es wichtig, dass bei einem Speicherbetrieb das Kollektorfeld entsprechend größer ausgelegt wird. Während der Sonnenstunden muss demnach nicht nur der Kraftwerksprozess versorgt, sondern gleichzeitig der Speicher beladen werden, damit nachts die Wärme wieder aus dem Speicher ausgekoppelt und dem ORC zugeführt werden kann. Bei acht Sonnenstunden am Tag bedeutet dies, dass Wärme für die restlichen 16 Stunden eingespeichert werden muss. Vereinfacht ausgedrückt muss deswegen das Kollektorfeld 3-fach größer ausgelegt werden.
Alternative zu PV und Dieselmotor
Kleine dezentrale solarthermische Kraftwerke nehmen aufgrund des Speichers andere Flächendimensionen ein als eine PV-Anlage, in der die Solarstrahlung direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird. Die Gesamtwirkungsgrade beider Konzepte liegen in ähnlicher Größenordnung, jedoch kann die Kondensationswärme einer SORC-Anlage noch weiter für andere Prozesse genutzt werden.
Der solarelektrische Jahresausnutzungsgrad - Quotient aus produzierter elektrischer Energie und eingestrahlter Sonnenenergie - einer PV-Anlage liegt bei zirka zehn Prozent. Dies liegt daran, dass einzig der Strom zu Sonneneinstrahlzeiten umgewandelt werden kann, da bisher elektrische Stromspeicher noch zu teuer sind. SORC-Anlagen erreichen hingegen einen Ausnutzungsgrad von bis zu 47 Prozent, da der thermische Speicher zur antizyklischen Stromerzeugung eingesetzt werden kann.
Solange elektrische Speicher noch nicht wirtschaftlich und technisch marktreif sind, liegt ein technischer Vorteil bei den solarthermischen Kraftwerken. Auch wenn PV durch die jahrelange Entwicklung und Subventionierung im Moment wirtschaftliche Vorteile bietet, kann dieser Vorsprung durch einen ähnlichen Entwicklungsschub aufgrund der breiten Anwendungsmöglichkeiten bei den solarthermischen Kraftwerken aufgeholt werden. Im Vergleich zum Dieselmotor entfallen die laufenden Brennstoffkosten, wodurch sich Vorteile bei den Stromgestehungskosten ergeben.
Für den Standort �?gypten mit einer nördlichen Breite von 27° wurde eine SORC-Anlage thermodynamisch simuliert. Die Anlage wurde für einen Dauerbetrieb zur Grundlastversorgung ausgelegt. Die Direktstrahlung wird nur zu den Sonnenstunden eingefangen, dennoch kann durch den thermischen Speicher zu jeder Zeit Strom produziert werden. Bei Speicherbetrieb verringert sich die elektrische Leistung geringfügig, da die maximale Thermoöltemperatur aufgrund des zusätzlichen Wärmeübertragers unter der Kollektoraustrittstemperatur bei Solarbetrieb liegt. Im Dezember ist die Speicherauslastung optimal, da die wenige Strahlung gerade zum Beladen des Speichers ausreicht. Im Sommer wird der Speicher tagsüber weniger gebraucht.
SORC-Anlagen für Industriebetriebe
Dass eine dezentrale Stromversorgung für Anwender und Investoren attraktiv sein kann, wurde in Deutschland schon gezeigt. In Gebieten mit hoher Solarstrahlung könnte die dezentrale Stromversorgung in Zukunft zum Teil durch SORC-Anlagen übernommen werden, da diese technisch mehr Einsatzmöglichkeiten bieten als etwa die Photovoltaik. Ebenso ist die Technologie bei steigenden Ölpreisen eine Alternative zu Dieselgeneratoren. Der SORC bietet sich zur Energieversorgung von Industriebetrieben und kleineren, zivilen Strukturen an.
