Wie funktionieren Kraftwerke?

Die meisten Kraftwerke, die zurzeit unsere Stromversorgung sichern, sind Wärmekraftwerke und funktionieren nach dem folgenden Prinzip: Mit Hilfe einer Wärmequelle wird in einem ersten Schritt eine Flüssigkeit erhitzt. Dabei unterscheiden sich die Kraftwerke durch die verwendete Wärmequelle. So wird z.B. in einem Kohlekraftwerk die Wärme aus der Verbrennung der Kohle genutzt, während bei einem Kernkraftwerk Wärme bei der Spaltung der Atomkerne gewonnen wird. Die Flüssigkeit gibt dann in einem Wärmetauscher die Hitze an Wasser ab, das verdampft und über eine Dampfturbine einen Generator antreibt. Der Generator erzeugt dann den Strom.

Wie funktioniert ein Generator?

Die Aufgabe eines Generators ist es, Bewegungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Dazu wird das physikalische Prinzip der Induktion genutzt. Bewegt sich ein elektrischer Leiter, wie z.B ein gewöhnliches Kabel, senkrecht zu einem Magnetfeld, so wird in diesem eine Spannung induziert und es kann ein elektrischer Strom fließen. Um höhere Spannungen zu erzeugen, wird ein Leiter zu einer Spule aufgewickelt.

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Eine Wärmequelle erhitzt eine Flüssigkeit, z.B. Thermoöl, die in einem Kreislauf zirkuliert. Dabei kann es sich bei der Wärmequelle um brennende Kohle, radioaktive Brennstäbe oder aber die Sonne handeln.

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In einem Wärmetauscher gibt das Thermoöl seine Wärme an Wasser ab, das in einem zweiten Kreislauf fließt. Das Wasser verdampft und es entsteht ein hoher Druck.

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Der heiße Wasserdampf wird durch eine Dampfturbine geleitet, die dadurch in Drehung versetzt wird.

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Die Dampfturbine dreht einen Generator, der elektrischen Wechselstrom erzeugt.

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Nahezu alle Kraftwerke, die nach diesem Prinzip arbeiten, produzieren dabei große Mengen an Schadstoffen. Ein Kernreaktor beispielsweise hinterlässt Atommüll, der noch viele Jahrtausende später gefährlich radioaktiv strahlt und für den es noch immer kein sicheres Endlager gibt. Ein Kohlekraftwerk dagegen stößt große Mengen an CO2 aus, welches einen der Hauptverusacher der momentanen Erderwärmung darstellt. Anders ist dies beim Solarkraftwerk.

Wie funktionieren Solarkraftwerke?

Bei Solarkraftwerken kann der benötigte Wasserdampf direkt mit Hilfe der Sonnenstrahlung erzeugt werden. Dazu muss die wärmende Strahlung der Sonne gebündelt werden, um das Wasser zu verdampfen. Dabei werden die Sonnenstrahlen auf ein Rohr, den so genannten Receiver, fokussiert. In diesem fließt eine Flüssigkeit, die die Wärme dann an das Krafwerk weiterleitet.

Der Receiver ist neben den Spiegeln eines der wichtigsten Elemente eines Solarkraftwerks. Die Anforderungen an einen Receiver sind sehr hoch. Er muss die Sonnenstrahlen, die auf ihn fallen, gut aufnehmen und effektiv in Form von Wärme an die ihn durchfließende Flüssigkeit weitergeben. Dabei ist es erforderlich, dass der Receiver diese Wärme nicht wieder nach außen abgibt. In dieser Eigenschaft ähnelt der Receiver einer Thermoskanne. Der Receiver besteht dafür aus einem inneren Rohr, in dem die Flüssigkeit fließt. Es ist dunkel beschichtet, damit es die Lichtstrahlung gut absorbieren kann. Dieses Rohr befindet sich in einem zweiten Glasrohr, dass evakuuiert ist. Das Vakuum verhindert, dass die Wärme wieder nach außen abgegeben wird. Da der Receiver bis zu 400°C heiß werden kann, muss er für sehr hohe Temperaturen ausgelegt werden. Gleichzeitig können die Temperturen in der Nacht in der Wüste unter 0°C sinken. Durch diese Temperaturschwankungen dehnt sich das Material tagsüber aus und zieht sich nachts wieder zusammen. Da der Receiver aus mehreren Materialien gebaut ist, können starke Spannungen entstehen, weil sich diese Materialien unterschiedlich stark ausdehnen. Deshalb wurde mit hohem technischen Aufwand ein Verbindungsstück gefertigt, das diese Spannungen verhindert. Darüber hinaus muss der Receiver auch enormen äußeren Einflüsse, wie z.B Sandstürmen, standhalten.

Für die Bündelung des Lichtes gibt es verschiedene Verfahren. Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen drei Kraftwerkstypen.

Parabolrinnenkraftwerke

Bei diesem Kraftwerkstyp werden parabelförmig gebogene Spiegel eingesetzt, die das Licht so bündeln, dass es auf den Receiver fällt.

Das erste Parabolrinnenkraftwerk enstand bereits 1914 in Ägypten und erzeugte immerhin eine Leistung von 50 Pferdestärken, was knapp 37 Kilowatt entspricht. Heutige Anlagen erreichen eine Leistung von bis zu 50 Megawatt, wie z.B. das spanische Solarkraftwerk Andasol. Die Spiegel haben eine parabelförmigen Querschnitt, da die Parabel die Eigenschaft hat, dass parallel einfallende Strahlen (wie es die der Sonne sind) alle auf einen Punkt reflektiert werden, den sogenannten Brennpunkt. In diesem befindet sich dann der Receiver. Die Spiegel können um eine Achse gedreht werden, was zum einen der Nachführung der Spiegel dem Tagesverlauf der Sonne dient, zum anderen aber bei Unwettern oder Sandstürmen zum Schutz der Spiegel erforderlich ist. In diesem Fall kann die Oberfläche der Spiegel vollständig nach unten gedreht werden.

Turmkraftwerke

Das Licht wird bei diesem Kraftwerkstyp an der Spitze eines Turms gebündelt, da sich hier die zu erhitzende Flüssigkeit befindet. Um dies zu erreichen, werden rund um den Turm Spiegel aufgestellt, die das Licht dorthin reflektieren.

Das erste Solarturmkraftwerk PS10 ging im April 2007 mit 11 Megawatt Leistung bei Sevilla in Spanien ans Netz. Mehr als 2.000 Spiegel bündeln das Sonnenlicht auf die Spitze eines 50 – 150m hohen Turmes. An der Spitze befindet sich ein Absorber, der mit Salz, Wasserdampf oder Heißluft gefüllt ist. Jeder Spiegel muss dabei speziell nach der Sonne ausgerichtet werden, was automatisiert funktioniert, aber auch sehr aufwendig und teuer ist. Ein Solarturmkraftwerk kann dafür auch auf unebenem Gelände installiert werden, was ein Vorteil gegenüber der Parabolrinnenanlage darstellt. Außerdem sind die erzeugten Temperaturen im Absorber des Turms bis zu drei Mal so hoch wie im Receiver der Parabolrinne. Zudem ist das Solarturmkraftwerk auf Grund seines hohen Wirkungsgrades ist eine gute Alternative zu einer Parabolrinnenanlage.

Fresnelkraftwerke

Dieser Kraftwerkstyp ist dem Parabolrinnenkraftwerk sehr ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass es hier nicht ein gebogener Spiegel sondern viele Einzelspiegel eingesetzt werden, wie im Bild zu sehen ist.

Seit April 2010 wird in Sevilla, Spanien, das weltweit größte Fresnel-Solarkraftwerk gebaut. Es heißt Puerto Errado 2 (PE2), hat eine Gesamtspiegelfläche von 302.000m² und soll so eine Leistung von 30 MW erzeugen. Damit können 20.000 spanische Haushalte mit Strom versorgt werden. Bei der Fresnel-Technologie kommen sogenannte Fresnelspiegel zum Einsatz, die nebeneinander am Boden installiert sind und die Sonnenstrahlen auf ein Absorberrohr konzentrieren. Dieses Rohr ist in der Mitte über den Spiegeln angebracht (siehe Bild) und enthält spezielles Thermoöl oder Wasserdampf. Ein Vorteil gegenüber der Parabolrinnentechnik ist die Möglichkeit, die Spiegel sehr dicht aneinander zu reihen. Es ist aber ein ebener Untergrund erforderlich. Allerdings wird eine Effizienz von nur 50% bis 70% verglichen mit einem Parabolrinnenkraftwerk festgestellt.

Der große Vorteil der Solarkraftwerke besteht darin, dass sie keine Schadstoffe erzeugen und die Energiequelle Sonne quasi unerschöpflich ist. Nachteilig ist allerdings, dass diese Kraftwerke wetterabhängig sind und zudem nur am Tag funktionieren. Um diesem Problem entgegenzuwirken, werden Wärmespeicher eingesetzt.

Und wenn die Sonne nicht scheint...

In Phasen starker Sonneneinstrahlung wird nicht die gesamte erzeugte Wärme zur Stromgewinnung genutzt. Den übrigen Teil verwendet man dann, um riesige Wärmespeicher zu erhitzen. Diese liefern dann in der Nacht oder bei schlechtem Wetter genügend Wärme, um die Stromproduktion aufrecht zu erhalten.

Die momentan populärste Form der Wärmespeicherung ist der Flüssigsalzspeicher. Ein solcher Speicher besteht aus zwei Salztanks, einem „heißen” und einem „kalten”. Allerdings hat auch der „kalte” Salztank eine Temperatur von etwa 290°C, da das Salz immer flüssig bleiben muss und das nur bei hohen Temperaturen gewährleistet ist. Man benötigt flüssiges Salz, da es in einem Kreislauf zwischen dem kalten und dem heißen Salztank hin und her gepumpt werden muss. Bei guter Sonneneinstrahlung wird das Salz vom „kalten” Tank durch das Solarkraftwerk auf etwa 350°C erhitzt und in den heißen Tank überführt. Das Erwärmen des Salzes findet im sogenannten Wärmetauscher des Kraftwerks statt. Umgekehrt gibt das heiße Salz während der Nacht in diesem Wärmetauscher die Wärme ab, so dass diese zur Aufrechterhaltung der Stromproduktion genutzt werden kann. So kann der Kraftwerksbetrieb bis zu 7,5 Stunden aufrecht erhalten werden.

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Im Tagbetrieb wird ein Teil des erhitzten Thermoöls in einen zweiten Wärmetauscher geleitet. Dort gibt es Wärme an das Salz ab, das vom unteren in den oberen Salztank gepumpt wird.

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Im Nachtbetrieb wird das Salz vom oberen heißen Tank in den unteren gepumpt. Dabei gibt es seine Wärme an das Thermoöl ab. So kann der Kraftwerksbetrieb auch ohne Sonne aufrecht erhalten werden.

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Quellen:

Präsentationen zur Verfügung gestellt von Schott Solar
http://www.solarmillennium.de/upload/Download/Technologie/Andasol1-3deutsch.pdf (23.03.2011)
http://weltderwunder.de.msn.com/balance-article.aspx?cp-documentid=154783412&page=3 (23.03.2011)
http://www.dlr.de/desktopdefault.aspx/tabid-344/1345_read-8384/ (11.03.2011)
http://www.solarturm-juelich.de/de/technik (11.03.2011)
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenw%C3%A4rmekraftwerk (11.03.2011)
http://www.puertoerrado2.com/ (11.03.2011)
http://www.pressebox.de/attachments/details/198536 (11.03.2011)
http://www.spiegel.de/images/image-36466-galleryV9-ngvk.jpg (11.03.2011)