Die Technologie für Wüstenstrom

Die wichtigsten Technologien für den Wüstenstrom sind bereits in der praktischen Anwendung. Zwar gibt es auch hier selbstverständlich noch Fortschritte, aber der aktuelle Stand der Technik ist bereits reif für die Anwendung. So werden die beiden Schlüsseltechnologien für Wüstenstrom, Solarthermiekraftwerke und Hochspannungs-Gleichstromleitungen, schon lange verwendet.

Inhaltsverzeichnis

Solarthermiekraftwerke

Es gibt viele Möglichkeiten, die Energie aus der Wüste nutzbar zu machen. Dazu zählen klassische PV-Anlagen und Windkraftanlagen. Diese können besonders günstigen, jedoch fluktuierenden Strom produzieren, der vor Ort genutzt wird oder an Metropolregionen übertragen werden kann. 

Für Beiträge aus den Wüsten Nordafrikas zum europäischen Strommarkt sind jedoch Solarthermiekraftwerke am attraktivsten. Diese können jeden Tag 24 Stunden lang Grundlast im Gigawattbereich ohne große Schwankungen liefern bzw. die großen Schwankungen der Stromerzeugung aus PV und Wind durch abrufbaren Strom ausgleichen. 

Solarthermiekraftwerke können nämlich genauso zuverlässig Strom erzeugen wie konventionelle Kraftwerke. Sie funktionieren auch wie ein konventionelles Kraftwerk, nur dass der Wasserdampf für die Turbinen statt mit fossilen Brennstoffen mit der Wärme der Sonne erzeugt wird. Zu diesem Zweck wir die Sonnenstrahlung gebündelt. Daher spricht man auch von CSP-Kraftwerken (CSP = Concentrated Solar Power = Konzentrierte Sonnenenergie). 

Würde man ein einzelnes großes Solarthermiekraftwerk bauen, um die ganze Welt mit Strom zu versorgen, dann würde es nicht einmal 1% der Fläche der Sahara bedecken! In der Praxis würde man natürlich viele kleinere Anlagen bauen, aber es verdeutlicht das Potential der Wüsten. 

Gebündelte Sonnenenergie

Um die Sonnenstrahlung zu bündeln, nutzt man entweder Parabolrinnen mit Spiegeln in Halbmondform oder man fokussiert die Sonnenstrahlung mit sehr vielen Spiegeln auf die Spitze eines zentral stehenden Turms.

Bei Parabolrinnen fällt die konzentrierte Strahlung auf eine Röhre, durch die ein spezielles Öl oder andere Wärmeträgermedien gepumpt werden. Bei Solarturmkraftwerken wird derzeit bevorzugt flüssiges Salz als Wärmeträgermedium verwendet. In einem Wärmetauscher wird mit dem Wärmeträgermedium Wasserdampf erzeugt, um eine Turbine anzutreiben. Manche Konzepte erzeugen auch direkt Wasserdampf zur Bereitstellung industrieller Wärme oder für die Stromerzeugung. 

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

Endlich Solarenergie während der Nacht!

Ein Teil des erhitzten Wärmeträgermediums wird entweder selbst in einem Wärmespeicher zwischengelagert oder es gibt seine Wärme an einen Wärmespeicher ab. Damit können ungeheure Mengen an Energie bis zu einem Zeitraum von mehreren Tagen sehr kostengünstig gespeichert werden. Diese gespeicherte Wärme macht es möglich, das größte Problem der Sonnenenergie zu lösen: Die Stromerzeugung während der Nacht. 

Solarthermie – der starke Partner von PV und Wind

Mit der Speicherung von solarer Wärme wird ein CSP-Kraftwerk weitgehend unabhängig vom Wetter und kann daher Regelenergie liefern. Dies ist ideal, um auch den weiteren Ausbau von PV und Wind zu beschleunigen. 

Da sich die Rotoren einer Turbine und eines daran angeschlossenen Generators aufgrund ihrer großen Massen mit hoher Trägheit drehen, puffert dieses Trägheitsmoment bei kurzzeitigen Schwankungen der Netzfrequenz und stabilisiert damit das Stromnetz, genau wie bei einem klassischen Gas- oder Kohlekraftwerk. Diese Stabilisierung der Netzfrequenz hat eine zunehmende Bedeutung, je mehr fluktuierende Energieerzeuger in das Stromnetz einspeisen. 

Solarthermie-Kraftwerke haben viele Vorteile 

Geringer Wasserverbrauch

Das für CSP-Kraftwerke benötigte Wasser ist in der Wüste ein nur geringes Problem. Der Wasserdampf wird nämlich bei neueren Anlagen mit Luft abgekühlt oder kann bei Standorten an der Küste mit Meerwasser zur Kondensation gebracht werden. So entsteht ein geschlossener Wasserkreislauf. Für die Reinigung der Spiegel sind Verfahren mit möglichst geringem Wasserverbrauch existent. 

Weiterentwicklung der Solarthermie

CSP-Kraftwerke wurden und werden stetig weiterentwickelt. Die meisten Bauteile sind günstiger und effizienter geworden, die Steuerungssoftware der Spiegel wird immer intelligenter und das Gesamtdesign ständig verbessert. Dabei ist die Weiterentwicklung von CSP-Anlagen noch keineswegs abgeschlossen.

Gleichstromleitungen

Um den Wüstenstrom z.B. nach Deutschland zu bringen, bieten sich die Technologie der Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) an. Bei dieser entfällt der induktive und kapazitive Widerstand, der bei Wechselstromleitungen über weite Entfernungen zu großen Verlusten führt. Daher werden schon jetzt HGÜ-Leitungen vielfach in Europa angewendet, um z.B. Inseln mit dem Festland oder das skandinavische Stromnetz mit dem zentraleuropäischen Stromnetz durch Unterseekabel in der Nord- und Ostsee zu verbinden. Bei einer HGÜ-Leitung von ca. 3000 km Länge, also der Entfernung von der Sahara nach Deutschland, ergäbe sich ein Verlust von voraussichtlich weniger als 10 %.

An vorhandenen oder ggf. neu errichteten Umspannwerken kann der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und in das lokale Stromnetz eingespeist werden. 

In China wurde bereits – sehr ähnlich zum Desertec-Konzept – Solarthermie, Photovoltaik und Wind in der Gobi-Wüste aufgebaut und durch die Changji-Guquan-Leitung mit Ballungszentren verbunden. Die Leitung ist über 3300 km lang, sie besitzt eine Übertragungsleistung von 12 GW (!) und hat Verluste von ca. 7 % bei Volllast. 

Grüner Wasserstoff

Wasserstoff ist ein vielseitig einsetzbarer Energieträger. Er kann für industrielle Prozesse sowie in Brennstoffzellen zur Stromgewinnung genutzt und ggf. ähnlich wie Erdgas in Kraftwerken verbrannt werden.

Mythos Wasserstoff

Entgegen der weitverbreiteten Ansicht ist Wasserstofftechnologie keine futuristische oder besonders gefährliche Anwendung. Seit fast hundert Jahren wird Wasserstoff in der Chemieindustrie im großen Maßstab, vor allem bei der Düngerproduktion, eingesetzt. Auch in anderen industriellen Anwendungen, in Raketen und Autos wird Wasserstoff eingesetzt.

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

Auch das Risiko von Explosionen ist bei Wasserstoff nicht höher als bei konventionellen Anwendungen fossiler Brennstoffe.

Herstellung von Wasserstoff

Bisher wird Wasserstoff meist aus Erdgas gewonnen, aber es lassen sich auch andere Kohlenwasserstoffverbindungen nutzen. Im Folgenden wird Methan als Beispiel beschrieben:

Das Methan (CH4) des Erdgases wird zusammen mit Wasser (H2O) erhitzt. Unter hohem Druck reagieren der Wasserdampf und das Methan zu Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO). Dieses Verfahren nennt man Dampfreformation. Das entstandene Kohlenmonoxid wird als Brennstoff zu Kohlendioxid (CO2) verbrannt, um die notwendige Prozesswärme bereitzustellen. Damit gewinnt man zwar reinen Wasserstoff für chemische Reaktionen, aber Kohlendioxid wird freigesetzt.

Anders verläuft es bei der Elektrolyse. Hier wird destilliertes Wasser verwendet und mit Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Dafür müssen im Prinzip nur zwei Metallstäbe unter Strom stehen und in ein Becken mit Wasser gehalten werden. Kommerzielle Elektrolyseure sind natürlich etwas komplexer aufgebaut.

Wüstenstrom kann man sehr gut für die Herstellung von Wasserstoff verwenden, wobei natürlich auch der Wasserverbrauch zu berücksichtigen ist. Der Wasserstoff oder ein daraus abgeleiteter Energieträger muss dann zu den Verbrauchsanlagen transportiert werden, um dort für die Energieversorgung zur Verfügung stellen.

Eisenbasierte Energieträger

Ein allseits bekanntes Material aber kaum bekannter Energieträger hat das Potential, Sonnenenergie aus den Wüsten zu speichern und für den Transport in die Welt verfügbar zu machen: Eisen! Mit eisenbasierten Brennstoffen ließe sich Kohle als Energieträger weltweit ersetzen – und die gesamte Infrastruktur für Kohle, die Schiffe, die Kraftwerke und die Stromnetze weiter nutzen. 

Doch wie kann Eisen brennen? Ein Bauteil oder ein Barren aus Eisen brennt natürlich nicht, aber wenn reines Eisen zu feinem Pulver zerkleinert wird, dann kann es entzündet werden 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 helle, gelbe Funken genutzt. 

Eisen brennt – CO2-frei!
Kurzes Video: https://youtu.be/2eavRtrsD8o

CO2-frei: Eisen brennt und ersetzt Kohle

Eisenstaub ermöglicht die Erzeugung einer kontinuierlichen Flamme, die den Verbrennungseigenschaften von Kohle ähnelt. In Kohlekraftwerken wird Kohle zu Staub zermahlen, in einen Kessel geblasen und dort verbrannt. Damit wird Dampf erzeugt, der die Turbinen für die Stromproduktion antreiben. 

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. Während bei der Verbrennung von Stein- und Braunkohle große Mengen an CO2, Asche und Schadstoffen entstehen, bleibt bei der Eisenverbrennung nur Eisenoxid („Rost“) übrig – es verbrennt also ohne CO2-Emissionen. Tests zeigen außerdem, dass die Stickoxidbildung bei Eisen deutlich geringer ausfällt als bei Kohle. Der Rost in Pulverform wird als „Abfallprodukt“ genau wie die Asche aus Kohlekesseln abtransportiert.

Ein Kreislaufsystem: Rost zurück in die Wüste

Nun kommt die Sonnenenergie insbesondere in den Wüsten ins Spiel. Das Ganze wäre nämlich kein nachhaltiges Konzept, wenn der Brennstoff nur einmal nutzbar ist. Rost ist nicht brennbar, nicht giftig, nicht korrosiv und muss nicht unter Druck gelagert werden: Er 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, dann wird es dort mit Erneuerbaren Energien erneut 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 Stahlindustrie mitentwickelt wurde, um das Roheisen für grünen Stahl zu produzieren. Reduzierter Eisenstaub könnte in Zukunft ggf. auch direkt mit Hilfe von Strom mit Elektrolyseverfahren hergestellt werden. 

Warum Eisen statt Wasserstoff?

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

Die stoffliche und energetische Nutzung von Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein der Energiewende. Wasserstoff als Energieträger geht jedoch grundsätzlich mit mehreren Nachteilen einher:

  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 Verflüssigung mit 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 oder der Neubau von Gaskraftwerken für den 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. Dadurch sind die Lagerung und der Transport großer Energiemengen möglich. 
  3. Vorhandene Schiffe: Sowohl reines Eisenpulver als auch Eisenoxid sind nicht giftig und können wie Sand/Kohle/Reis/Weizen von existierenden 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, das Eisen 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 vergleichsweise kostengünstig zu sein. In Kohlekraftwerken müssen lediglich wenige Komponenten ausgetauscht werden, so dass diese vorhandenen Kraftwerke mit dem Brennstoff Eisen und damit ohne CO2-Emmissionen weiterbetrieben werden könnten.

Wasserstoff bleibt wichtig – in einer anderen Rolle

Auch wenn Eisen als Energieträger viele Vorteile bietet, bleibt Wasserstoff unverzichtbar – nämlich auch für die Reduktion von Eisenoxid zu Eisen. Darüber hinaus könnte Wasserstoff als chemischer Baustein und als gasförmiger oder flüssiger Brennstoff für andere Anwendungen, etwa in Spitzenlastkraftwerken, eine zentrale Rolle spielen.

Für die großtechnische Stromerzeugung, zur Überbrückung von Dunkelflauten und für die saisonale Speicherung großer Energiemengen erscheint Eisen jedoch als der weitaus geeignetere Energieträger.

Wissenschaftliche Arbeit am Konzept

Das Konzept metallischer Energieträger wird derzeit von mehreren wissenschaftlichen Institutionen erforscht, darunter die TU Darmstadt und das Karlsruher Institut für Technologie. In Deutschland und in den Niederlanden sind Demonstratoren für industrierelevante Skalen in Bau und Planung. Eisen als Energieträger bietet eine vielversprechende Möglichkeit, erneuerbare Energie global verfügbar zu machen – und kann einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende leisten. 

Mehr Informationen zu Eisen als Energieträger: TU Darmstadt Präsentation Clean Circles