Kohlendioxid für Sonnenkraftwerke

Madrid (Spanien) - Solarthermie-Kraftwerke können mit Wärmespeichern prinzipiell rund um die Uhr elektrischen Strom liefern. Diesen Vorteil gegenüber der Photovoltaik nutzen zahlreiche Anlagen in Südspanien, in Abu Dhabi oder in den USA aus. Werden bisher spezielle Thermoöle durch konzentriertes Sonnenlicht aufgeheizt, suchen Wissenschaftler nach effizienteren Alternativen. So könnte Gas als Trägermedium für die Sonnenwärme robustere und günstigere Solarthermie-Kraftwerke ermöglichen. Ob sich mit dieser Technologie auch wirtschaftliche Wirkungsgrade erzielen lassen, schätzten nun spanische Entwickler ab und veröffentlichten ihre Analyse im Fachblatt „Energy Conversion and Management“.

Wegen seiner besonderen physikalischen Eigenschaften wählten Javier Muñoz-Antón und seine Kollegen von der Universidad Politécnica de Madrid Kohlendioxid, das eher als schädliches Treibhausgas bekannt ist. Dieses Gas ließe sich mit einer kleinen Solarturm-Anlage oder lichtbündelnden Fresnel-Linsen auf etwa 500 Grad aufheizen. Ohne kostspieligen Wärmetauscher könnte es direkt auf eine Turbine geleitet werden, mit der sich über einen Generator schließlich Strom erzeugen ließe. Über zahlreiche Berechnungen fanden die Forscher heraus, das mit Kohlendioxid als Wärmeträger – zumindest theoretisch – ein guter Wirkungsgrad von 33,3 Prozent möglich wäre.

Diese Analyse beruht auf einem speziellen thermodynamischen Prozess. Genau wie in einem Düsentriebwerk soll das solarthermische Kraftwerk die Wärme eines aufgeheizten Gases in Bewegung umwandeln. Mit der rotierenden Turbine würde allerdings kein Abtriebschub erzeugt, sondern ein Stromgenerator betrieben werden. Voraussetzung sind allerdings sehr große Gasmengen, die in kurzer Zeit durch ein Röhrensystem zirkulieren müssten. Fiele dieser Massenstrom zu gering aus, wäre wegen der geringen Wärmekapazität von Kohlendioxid eine wirtschaftliche Stromerzeugung nicht möglich.

Daher sollte im Gaskreislauf beim Übergang zur Turbine ein Druck von 100 bar bei einer Temperatur von 500 Grad erreicht werden. Das Gas sollte darauf mit nur noch 50 bar aus der Turbine ausströmen und am kältesten Punkt des Kreisprozesses 45 Grad nicht übersteigen. Kohlendioxid sei laut Muñoz-Anton besonders für diesen sogenannte Joule-Kreisprozess geeignet, da die Betriebsbedingungen in der Nähe des kritischen Punkts von Kohlendioxid liegen. Bei Drücken und Temperaturen oberhalb dieses Punkts kann nicht mehr zwischen den Aggregatzuständen flüssig und gasförmig unterschieden werden. .

Noch liegt eine Pilotanlage in weiter Ferne. Doch für die Entwicklung einer optimierten Turbine erwarten die Forscher auf die Erfahrungen der Luftfahrtindustrie zurückgreifen zu können. Denn Jet-Turbinen wandeln Wärme in Kraft ebenfalls über einen Joule-Kreisprozess um. Zudem wird Kohlendioxid bereits in kerntechnischen Anlagen als Kühlmedium eingesetzt, wodurch viel Know-How bei der technischen Umsetzung von entsprechenden Gas-Kreisläufen verfügbar ist. Bei vergleichbaren Wirkungsgraden erwarten die Forscher, dass solche Kraftwerke weniger Wartungsaufwand erfordern und zudem deutlich schneller nach dem Sonnenaufgang Strom erzeugen als herkömmliche Solarthermie-Kraftwerke mit erhitztem Thermoöl, die etwa eine halbe Stunde Anlaufzeit benötigen. „Der Vorteil des schnelles Anfahrens könnte am ehesten für kleinere Anlagen interessant werden“, sagt dazu Klaus Hennecke vom Institut für Solarforschung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln. Mit diesen ließen sich störende Druckverluste oder mögliche Gaslecks leichter vermeiden.

Über weitere neue Ansätze für zukünftige Solarthermie-Kraftwerke lesen Sie beim Energiereporter.