Solarthermiekraftwerke

Es gibt viele Möglichkeiten die Energie der Wüste nutzbar zu machen. Dazu zählen klassische PV-Anlagen und Windkraftanlagen.  Diese können besonders günstigen Strom liefern, der vor Ort genutzt werden kann oder als Spitzenlast nach Europa exportiert wird. 

Für den europäischen Strommarkt am attraktivsten sind Solarthermiekraftwerke. Diese können 24 Stunden, jeden Tag  Grundlast im Gigawattbereich ohne große Schwankungen liefern. Durch gleich mehrere Sicherheitsmechanismen sind sie genauso zuverlässig wie ein konventionelles Kraftwerk. 

Sie funktionieren auch wie ein konventionelles Kraftwerk nur das anstatt mit fossilen Brennstoffen mit der Sonne der Wasserdampf für die Turbinen erzeugt wird. Zu diesem Zweck wir das Sonnenlicht gebündelt. Daher spricht man auch von CSP-Kraftwerken (CSP = Concentrated Solar Power = Konzentrierte Sonnen-Energie). 

Würde man ein großes Solarthermiekraftwerk bauen, um die ganze Welt mit Strom zu versorgen, würde es nicht einmal 1% der Fläche der Sahara bedecken! 

Gebündelte Sonnenenergie

Um das Sonnenlicht zu bündeln nutzt man entweder Parabolrinnen mit Spiegeln in Halbmondform oder richtet sehr viele Spiegel auf einen zentralen Turm. Das konzentrierte Licht fällt auf eine Röhre durch die ein spezielles Öl oder andere Wärmeträgermedien gepumpt werden. Diese Medien können mehr Energie aufnehmen als Wasser. In einem Wärmetauscher wird mit dem heißem Medium Wasserdampf erzeugt um eine Turbine anzutreiben. Manche Konzepte erzeugen auch direkt Wasserdampf. Da eine Turbine sich durch ihr hohes Gewicht auch bei kurzen Unterbrechungen des Antriebes eine Weile weiterdreht, ist das schwankungsfreie Produzieren von Wüstenstrom sehr leicht. 

Genau wie bei einem klassischen Gas- oder Kohlekraftwerk puffert dieses Trägheitsmoment ebenfalls kurzweilige Schwankungen und stabilisiert damit das Netz. Da ein konventioneller Generator betrieben wird, ist das Halten der Frequenz von 50 Hz für das afrikanische und europäische Netz ebenfalls kein Problem. 

Endlich sichere und erneuerbare Regellast!

Ein Teil des erhitzenden Öls (oder anderes Medium) wird in ein großes Silo mit Salz geleitet. Dieses schmilzt und speichert ungeheure Mengen an Energie bis zu einem Zeitraum von mehreren Tagen. Diese gespeicherte Hitze macht es möglich das größte Problem von Sonnenenergie zu lösen: Die Nacht. In den Silos wird genug thermische Energie gespeichert um das Kraftwerk auch nachts weiterlaufen zu lassen. Auch erleichtern die Salztanks den vollen Betrieb bei Wartungsarbeiten oder den in Wüsten sehr seltenen bewölkten Tagen. Für Extremfälle kann ein Gasbrenner zugeschaltet werden, der mit Biogas oder Wasserstoff läuft. 

Entgegen der allgemeinen Vorstellung ist ein Großteil der Sahara nicht von Sand bedeckt. Die meiste Fläche ist karger Stein. Somit sind Sandstürme und Wanderdünen kein Problem für die Anlagen. Sollte doch ein Sandsturm die Anlage treffen, können die Spiegel in eine Schutzposition bewegt werden. 

Solarthermie – der starke Partner von PV und Wind

Mit den Speichern ist das Kraftwerk unabhängig vom Wetter und damit in der Lage, Regellast zu liefern! Dies ist ideal, um den Ausbau von PV und Wind zu beschleunigen. Dieser wurde bisher immer wieder behindert, da sich die Kohlekraftwerke und Atomkraftwerke nicht so flexibel an die volatilen (also nicht regelbaren) Energieträger anpassen können. Diese alten Kraftwerke durch Batteriespeicher, Phasenschieber und Smart-Grid-Komponenten zu ersetzen ist sehr teuer und der Umbau dauert lange. 

Solarthermie-Kraftwerke ersetzen die alten Kohlekraftwerke, sind aber flexibler. 

Abfallprodukt Trinkwasser

Das für das Kraftwerk benötigte Wasser ist in der Wüste kein Problem. Der Dampf wird luftgekühlt oder kann mit Meerwasser zur Kondensation gebracht werden. So entsteht ein geschlossener Kreislauf. Das Meerwasser verdunstet durch die aufgenommene Abwärme und kann separat kondensiert werden. Als „Abfallprodukt“ hat man Trinkwasser. 

Die Entwicklung von Solarthermie

Die Kraftwerke haben sich in den letzten 20 Jahren rasant entwickelt. Die Bauteile sind günstiger und effizienter geworden, die Steuersoftware hat sich weiterentwickelt und das Gesamtdesign wurde ständig verbessert. Man kann die Kraftwerke grob in vier Generationen unterteilen. 

1. Generation: Diese Forschungsanlagen mit Leistungen unter 50 MW wurden als Booster in bestehende Gaskraftwerke integriert und sollten das Potential von Solarthermie erörtern. 
2. Generation: Diese Pilotanlagen (wie z.B. Al Noor) erreichen bis zu mehreren hundert MW. Diese waren schon fast ohne Subventionen wettbewerbsfähig. Allerdings existierten noch kleine technische Probleme wie der hohe Wasserverbrauch und eine geringe Speicherfähigkeit, was Stützfeuer häufiger notwendig machte. 
3. Generation: Diese wettbewerbsfähigen Anlagen sind gerade (2020/2021)fertig gestellt worden bzw. befinden sich im Bau/Planung. Auch ohne Subventionen können sie mit anderen Kraftwerken mithalten und sind deutlich günstiger und effizienter als ihre Vorgänger. Der Wasserverbrauch wurde drastisch reduziert und die Speicher funktionieren nun einwandfrei. Brenner für Stützfeuer dienen nur der Notfall-Absicherung. 
4. Generation: Diese befinden sich gerade in der Entwicklung. Um höhere Temperaturen auch bei hohen Leistungen bereitzustellen, wird eine bessere Fokussierung benötigt. Dies wird durch bessere Steuerungs-Software erreicht. Dies ermöglicht höhere Temperaturen für noch effizientere Stromgewinnung und Speicherung der thermischen Energie für die Nacht. Ob mit diesen hohen Temperaturen dann auch bestimmte Industrieprozesse vor Ort durchgeführt werden können, ist aktueller Forschungsgegenstand. 

Um den Wüstenstrom z.B. nach Deutschland zu bringen bieten sich Gleichstrom-Leitungen an. Bei diesen entfällt der induktive und kapazitive Widerstand, der bei den klassischen Wechselstromleitungen für große Verluste sorgt. Somit lässt sich über eine Leitung von 3000 Kilometer (ca. Sahara-Deutschland) ein Verlust von unter 10 % realisieren. Daher werden schon jetzt Gleichstromleitung vielfach in Europa angewendet, um z.B. Inseln mit dem Festland zu verbinden oder das skandinavische Stromnetz mit dem zentraleuropäischen Stromnetz mit Unterseekabeln über die Nord- und Ostsee zu verbinden. 

Warum werden dann nicht schon jetzt überall Gleichstromleitungen eingesetzt? 

Zu Beginn der Elektrifizierung konnte man leider nicht Gleichstrom mit hohen Spannungen produzieren und vor allem nicht einfach in Wechselstrom umwandeln. 

Die hohen Spannungen brauchen wir, um ohne große Verluste Strom über große Distanzen transportieren zu können. 

Den Wechselstrom brauchte man, um einfacher zwischen verschiedenen Spannungen zu transformieren. Zwar können heutzutage Umrichter Wechselstrom und Gleichstrom ineinander umwandeln, trotzdem gestalten sich viele Anwendungen mit Wechselstrom leichter bzw. das Stromnetz und Anwendungen sind auf Wechselstrom ausgelegt. 

Gibt es eine Möglichkeit die Vorteile von beiden zu nutzen ohne das gesamte Stromnetz aufwendig umbauen zu müssen? 

Zum Glück werden durch die Abschaltung von Atom- und Kohlekraftwerken große Umspannwerke frei. Zu diesen können wir die Gleichstromleitung legen. In diesen Umspannwerken kann der Gleichstrom dann in Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Technologie hat sich massiv weiterentwickelt.  Sogenannte VSC-Anlagen oder andere fortgeschrittene Umrichter-Systeme können alle Vorzüge des CSP-Kraftwerks (Grundlast, stabile Frequenz etc.) nach Europa bringen. 

So können wir mit Gleichstromleitungen den Wüstenstrom nach Deutschland weiterleiten und trotzdem wie gewohnt die Vorteile vom Wechselstrom im Alltag nutzen. 

Wasserstoff ist ein vielseitig einsetzbarer Energieträger. Er kann wie Erdgas in Kraftwerken verbrannt werden, als Treibstoff für Flugzeuge in Turbinen eingesetzt oder in Brennstoffzellen zur Stromgewinnung verbrannt werden.

Mythos Wasserstoff

Entgegen der weitverbreiteten Ansicht ist Wasserstofftechnologie keine futuristische und gefährliche Anwendung. Seit fast hundert Jahren wird Wasserstoff in der Chemieindustrie im gigantischen Maßstab, vor allem bei der Düngerproduktion, eingesetzt.

Auch in Raketen, U-Booten, Flugzeugen und Autos, aber auch Heizungen wird Wasserstoff eingesetzt.

Dass Wasserstoff ein sehr kleines Atom ist heißt noch lange nicht, dass das Wasserstoffgas (H₂) magisch durch Barrieren schlupfen kann. All die oben genannten Anwendungen haben kein Problem damit, den Wasserstoff nicht an die Umgebung zu verlieren.

Auch das Risiko von Explosionen ist nicht höher als bei konventionellen Anwendungen. Kaum jemand hat ein Problem damit, dass eine Erdgasleitung ins eigene Haus führt oder das im eigenen Auto mehrere Dutzend Liter hochbrennbares Benzin oder Diesel lauern. Das für die berühmten Knallgasexplosionen notwendige Mischungsverhältnis von 33,33% reinem Sauerstoff zu  66,66% reinem Wasserstoff ist in der Erdatmosphäre mit 21 % Sauerstoffanteil unmöglich zu erreichen. Zwar sind auch abseits des idealen Mischungsverhältnisses Explosionen möglich, deren Stärke ist jedoch nicht mit der Reaktion von den reinen Edukten zu vergleichen.

Auch die Wasserstofftanks wurden verschiedensten Proben wie ins Feuer legen, von einem Lastkraftwagen anfahren lassen und mit Gewehren beschießen unterzogen. Alle Proben wurden bestanden und zeigten eine Überlegenheit zu klassischen Benzintanks, da Wasserstofftanks in Gefahrensituationen ihren Brennstoff schnell in die Atmosphäre abgeben können und so keine brennbaren Flüssigkeiten auslaufen  und so am Unfallort verbleiben.

Für alle oben genannten Anwendungen sind die Tanks und andere Komponenten durch den TÜV gekommen.

Herstellung von Wasserstoff

Bisher wird Wasserstoff meist aus Erdgas gewonnen. Grundsätzlich lassen sich viele Kohlenwasserstoffe dafür nehmen, hier wird Methan als Beispiel genommen.

Das Methan (CH₄)  im Erdgas wird mit Wasser (H₂O)erhitzt und unter hohem Druck reagieren der Wasserdampf und das Methan zu Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonooxid (CO). Dieses Verfahren nennt man Dampfreformation. Das entstandene Kohlenmonooxid kann als Brennstoff zu Kohlendioxid (CO2) verbrannt werden. Damit hat man zwar reinen Wasserstoff für chemische Reaktionen, aber Kohlendioxid hat man nicht gespart.

Anders läuft es bei der Elektrolyse. Hier wird Wasser genommen und mit Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Dafür müssen lediglich zwei Metallstäbe unter Strom stehen und in ein Becken mit Wasser gehalten werden.

Den  Wüstenstrom kann man wunderbar dafür nehmen. Der Wasserstoff lässt sich dann wie Erdgas mit Schiffen um die Welt transportieren und für Flugzeuge, Schiffe, Autos, Züge, aber auch Kraftwerke und Heizungen zur Verfügung stellen.

Eisenbasierte Energieträger

Ein kaum bekannter Energieträger hat das Potential, Sonnenenergie aus den Wüsten zu speichern und für den Transport in die Welt verfügbar zu machen: Eisen! Eisenbasierter Brennstoff ist in der Lage, Kohle als Energieträger weltweit zu ersetzen, wobei die gesamte Infrastruktur von Kohle, die Schiffe, die Kraftwerke, die Stromnetze weiter genutzt werden können. 

Ein Bauteil oder ein Barren aus Eisen brennt natürlich nicht, aber wenn reines Eisen genügend zu feinem Pulver zerkleinert wird, dann kann es Feuer fangen und brennen. Ein ähnliches Phänomen ist bei Mehl bekannt, welches aufgehäuft schwer entzündbar, aber zerstäubt in der Luft hoch brennbar ist. In Feuerwerkskörpern wird brennendes Eisenpulver für gelbe Funken genutzt. 

Eisen brennt – CO2-frei!

https://www.youtube.com/embed/2eavRtrsD8o?si=RqV2t5RsZ8ya_oCz 

Es ist möglich, mit Eisenstaub eine kontinuierliche Flamme zu erzeugen. Eisenstaub ist Kohle bei den Verbrennungseigenschaften sehr ähnlich. In Kohlekraftwerken wird die Kohle zu einem feinen Staub zermahlen, in einen Kessel geblasen und dort verbrannt, um Hitze für die Dampferzeugung bereitzustellen. Da sowohl Stein- als auch Braunkohle große Mengen an Verunreinigungen beinhalten, muss aus dem Brennkessel kontinuierlich Asche abgeführt werden. 

Ganz ähnlich funktioniert es mit dem Eisenstaub. Dieser wird in den Kessel geblasen und verbrennt dort mit einer kontrollierbaren Temperatur. Die Verbrennung ist je nach Bedarf genauso heiß oder sogar heißer als die von Kohle. Beim Verbrennen oxidiert das Eisenpulver zu Eisenoxid (“Rost”). Bei dieser Verbrennung entsteht aber – im Gegensatz zur Verbrennung von Kohle – kein CO2. Tests zeigen, dass  die Erzeugung von Stickoxiden bei der Verbrennung von Eisen sehr gering ist, anders als  bei der Kohleverbrennung. 

Als “Abfall” bleibt dann Rost in Pulverform übrig, der genau wie Asche aus dem Kessel abtransportiert wird.

Das Ganze wäre aber kein nachhaltiges Konzept, wenn der Brennstoff nur einmal nutzbar ist. Und genau da kommen die Wüsten ins Spiel. Rost nicht brennbar, nicht giftig, nicht korrosiv und muss nicht unter Druck gelagert werden: Es kann also mit nahezu jedem Schiff der Welt und anderen Transportmitteln zurück in die Wüsten transportiert werden.

Ist das Eisenoxid (Rost) in der Wüste angekommen, wird er dort mit Erneuerbaren Energien wieder in pulverförmiges, reines Eisen umgewandelt. Dafür wird Wasserstoff verwendet: Der Wasserstoff entzieht dem Rost den Sauerstoff, er “reduziert” damit das Eisen und wandelt sich dabei um in Wasserdampf. Dies ist ein bekanntes und bereits verfügbares  Umwandlungsverfahren, welches u.a. von der Stahlbranche mitentwickelt wurde, um für grünen Stahl das Roheisen zu produzieren. Reduzierter Eisenstaub könnte in Zukunft ggf. auch mit Elektrolyseverfahren direkt mit Hilfe von Strom hergestellt werden. 

Doch warum sollte man den Umweg über Eisen nehmen? Wenn aktuell Wasserstoff benötigt wird, um Eisenpulver herzustellen, ist dies nur eine weitere Komplexität? 

Wasserstoff als Energieträger geht grundsätzlich einher mit mehreren Nachteilen: 

1. Hoher Wasserbedarf: Der Wasserbedarf für die Wasserstoffproduktion ist immens. Die erforderlichen Anlagen für eine Meerwasserentsalzung sind aufwändig. Entsalztes Wasser in Wüstenregionen für die Wasserstoffproduktion zu verwenden, würde bei der Bevölkerung vor Ort nur dann Zustimmung finden, wenn es auch sonst genügend Wasser gibt.
2. Geringe Energiedichte: Die Energiedichte von Wasserstoff (also der Energieinhalt pro Volumen) ist äußerst gering. Auch bei der technologisch sehr aufwändigen Verflüssigung durch Komprimierung auf 700 bar mit einer Energiedichte von 1,3 kWh pro Liter oder durch Abkühlung auf -253 °C mit einer Energiedichte von 2,4 kWh pro Liter  wird die Energiedichte bei Weitem nicht auf das Niveau von Kohle, Flüssiggas, Öl oder Eisen gebracht. 
3. Fehlende Schiffe: Aktuell gibt es kaum Schiffe, die größere Mengen Wasserstoff transportieren können. Zwar wird der Transport von Wasserstoff chemisch gebunden als Ammoniak (NH3) erwogen ,  aber Ammoniak ist eine hochgiftige Substanz.
4. Fehlende Leitungen: Weder für Wasserstoff, noch für Ammoniak sind aktuell großräumige Verteilungsnetze verfügbar. Die Nachfrage könnte sehr viel schneller wachsen als solche Netze.
5. Fehlende Kraftwerke: Bislang gibt es keine Gaskraftwerke, die reinen Wasserstoff über einen langen Zeitraum direkt verbrennen. Pilotanlagen haben bislang nur wenige Betriebsstunden erreicht. Die Umrüstung von Gaskraftwerken auf reinen Wasserstoffbetrieb ist vielleicht möglich, aber die Realisierbarkeit erscheint aufgrund sehr vieler Unwägbarkeiten keineswegs gewiss. Zu den möglichen Problemstellen gehören die sehr hohe Verbrennungstemperaturen von H2 mit entsprechender Stickoxidbildung, die geringe Energiedichte des Brennstoffs und damit sehr große Volumenströme sowie die Vorhaltung von genügend großen Mengen an Wasserstoff.  

Eisen hat diese grundsätzlichen Einschränkungen nicht: 

1. Minimaler Wasserverbrauch: Der Wasserstoff, der in der Wüste produziert wird, verwandelt sich bei der chemischen Reaktion mit dem Eisenoxid wieder zurück in Wasserdampf. Im Gegensatz zum Wasserstoff- oder Ammoniak-Export bleibt daher das Wasser vor Ort und kann beliebig oft wiederverwendet werden.  
2. Hohe Energiedichte: Die Energiedichte von Eisen pro Volumen ist mit 16,2 kWh pro Liter sogar höher als die von Steinkohle mit 8,3-15,8 kWh pro Liter.  
3. Vorhandene Schiffe: Sowohl reines Eisenpulver, als auch Eisenoxid sind nicht giftig und können wie Sand/Kohle/Reis/Weizen von ganz normalen Schiffen bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur transportiert werden. Um das Verrosten des reinen Eisens zu unterbinden, wird es unter einer Stickstoffatmosphäre geschützt. Für manche Strecken reicht es aber auch aus, die Ware hinreichend trocken zu halten. Beide Verfahren sind für etliche Waren im Schiffsverkehr üblich. 
4. Einfacher Weitertransport: Im Zielland angekommen, kann das Eisenpulver mit jedem Transportmittel auf dem Landweg weiter verteilt werden. Viele Kraftwerke sind sogar per Schiff erreichbar, was den Transport noch einfacher macht. 
5. Der Umbau von Kohlekraftwerken auf Eisenpulver erscheint deutlich einfacher als der vergleichbare Umbau von Gaskraftwerken auf Wasserstoff. In Kohlekraftwerken müssen lediglich wenige Komponenten ausgetauscht werden. 

Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien würde bei der Verwendung von Eisen als Energieträger weiterhin eine wichtige Rolle spielen, nämlich für die Umwandlung von Rost zu reinem Eisen. Auch für andere Anwendungsgebiete bleibt Wasserstoff als gasförmiger oder flüssiger Brennstoff relevant, vielleicht sogar in kurzzeitig betriebenen Spitzenlastkraftwerken mit Gasturbinen.

Für die Stromerzeugung in Kraftwerken außerhalb von Wüstenregionen zur Bereitstellung sehr großer Energiemengen und auch zur Überbrückung von Dunkelflauten erscheint der Energieträger Eisen aber wesentlich besser geeignet als der Energieträger Wasserstoff. 

Aktuell verfolgen mehrere wissenschaftliche Institutionen das Konzept metallischer Brennstoffen. Dazu gehört die TU Darmstadt.

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