Forschung und Innovation für Nachhaltigkeit in der Stromerzeugung
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Forschung und
Innovation für
Nachhaltigkeit in der
Stromerzeugung
• Wege zu einer nachhaltigen Energieversorgung –
Die erneuerbaren Energien als Gesamtsystem
• Photovoltaik – Forschung und Verfahrens-
entwicklung im Zeichen der Nachhaltigkeit
• Solarthermische Kraftwerke – Europäische
Potenziale kostengünstig erschließen
• Windkraft, Wasserkraft und Meeresenergie –
Technik mit sozialer, ökologischer und
ökonomischer Akzeptanz
• Geothermie – Nachhaltige Stromerzeugung
mit Kraft-Wärme-Kopplung
• Stromerzeugung aus Biomasse –
Effizient, dezentral und grundlastfähig
37
01_strom_37_69.indd 37 31.05.2007 12:18:05 Uhr
Dr. Ole Langniß • Wege zu einer nachhaltigen Energieversorgung
FVS Themen 2006
Wege zu einer nachhaltigen Energie-
versorgung – Die erneuerbaren
Energien als Gesamtsystem
Dr. Ole Langniß Globaler Marktstatus zugrunde legt. Es liegt also noch ein langer
ZSW Weg vor einer in wesentlichen Anteilen auf
Ole.Langniss@zsw-bw.de erneuerbare Energien erneuerbaren Energien basierenden Versorgung.
Wolfram Krewitt
DLR Im Jahr 2004 wurden 13,1 % des weltweiten Die gute Nachricht ist, dass gerade die „neuen“
Wolfram.Krewitt@dlr.de Primärenergieverbrauchs durch erneuerba- erneuerbaren Energien in den vergangenen
re Energien gedeckt [1]. Mehr als drei Viertel 15 Jahren, wenn auch ausgehend von einem
entfielen dabei auf feste Biomasse, die meist niedrigen Niveau, ein erhebliches Wachstum
traditionell zum Kochen und Heizen eingesetzt aufweisen konnten. Die Windenergie wuchs mit
wird. Diese Form der Nutzung ist häufig nicht durchschnittlich 24,4 %, Biokraftstoffe und die
nachhaltig, da die verwendeten Biomassen Nutzung biogener Rest- und Abfallstoffe um
nicht nachhaltig erwirtschaftet wurden und die 8,1 % und Solarenergie um 6,1 % [4], wohl-
verwendeten Herde und Öfen viele Schadstoffe gemerkt jährlich! Mit über 86 % steht der ganz
emittieren, was zu erheblichen Gesundheits- überwiegende Teil der modernen Anlagen in
belastungen führt. OECD-Ländern, hier stellvertretend für die
entwickelten Länder. Entsprechend fand das
Wasserkraft hat mit einem Sechstel den zweit- Wachstum moderner Nutzungsformen –
größten Anteil an Primärenergiebereitstellung gestützt auf eine umfangreiche öffentliche
aus erneuerbaren Energien (2,2 % Anteil an Förderung – bisher fast ausschließlich in
der gesamten Primärenergiebereitstellung). entwickelten Ländern statt.
Über 90 % der Wasserkraftkapazität von insge-
samt mehr als 800 GW entfallen dabei auf große Deutschland steht dabei an herausragender
Wasserkraftwerke mit einer Leistung von über Stelle: Der Anteil erneuerbarer Energien am
20 MW [2]. Die mit großen Wasserkraftwerken Primärenergieverbrauch konnte hier von 2,6 %
einhergehenden großen Staudämme können im Jahr 2000 auf aktuell 4,6 % gesteigert und
gravierende ökologische und soziale Folgen der Anteil am Bruttostromverbrauch von 6,3 %
haben, die einer nachhaltigen Nutzung ent- auf 10,2 % erhöht werden. Besonders signifi-
gegenstehen [3]. kant fiel die Steigerung um 0,4 % pro Jahr auf
einen Anteil von 3,6 % im Kraftstoffbereich aus,
„Neue“ erneuerbare Energien, das sind insbe- während der Anteil zur Wärmebereitstellung nur
sondere Geothermie, Wind- und Solarenergie, moderat von 3,9 % auf zurzeit 5,3 % gesteigert
stehen für 3,5 % aller weltweit genutzten er- werden konnte. Wie das Beispiel Deutschland
neuerbarer Energien und decken nur ein halbes zeigt, ist eine Loslösung von der fossil-nuklearen
Prozent des weltweiten Energiebedarfs. Somit Energieversorgung möglich.
tragen erneuerbare Energien zwar schon heute
beträchtlich zur Deckung der weltweiten Ener- Auch andere Mitgliedsländer der Europäischen
gienachfrage bei, womit sich eine gute Aus- Union haben den Anteil erneuerbarer Energien
gangsbasis zur weiteren Steigerung der Anteile in den vergangenen 15 Jahren deutlich steigern
bietet. Allerdings haben moderne, nachhaltige können, etwa Dänemark, die Niederlande oder
Nutzungsformen daran bisher nur einen ge- Italien. Einige andere EU-Mitgliedsstaaten haben
ringen Anteil. Dies gilt, selbst wenn man be- zwar absolut betrachtet erneuerbare Energien
rücksichtigt, dass ein geringer Teil der Biomasse erheblich ausgebaut, gleichzeitig stieg aber die
auch in modernen Anlagen umgesetzt wird, Energienachfrage mindestens im selben Tempo,
38 und selbst wenn man die Substitutionsmethode wie etwa im Falle Spanien.
01_strom_37_69.indd 38 31.05.2007 12:18:06 Uhr
Dr. Ole Langniß • Wege zu einer nachhaltigen Energieversorgung
FVS Themen 2006
Aktuell nehmen moderne Nutzungsformen auch
160 151
verstärkt in Entwicklungs- und Schwellenländern Wasser Wind Wind Biomasse,
Onshore Offshore biog. Abfälle
zu. In der Rangliste der Länder mit der größten 140 Fotovoltaik Geothermie Europ. Verbund
Windenergiekapazität steht Indien mittlerweile
auf dem vierten Platz, noch vor Dänemark. 120
Die Philippinen stehen an dritter Stelle weltweit REF 2005
bezüglich der Stromproduktion aus Biomasse. 100
Und in China sind über 60 % aller Solarkollek-
REF 2002
toren weltweit installiert, mit einem weiterhin 80
überdurchschnittlichen Wachstum. Weltweit
führend bei der Produktion von Bioethanol sind 60
die fünf Länder Brasilien, USA, China, Spanien
und Indien. Der Vorwurf, erneuerbare Energien 40
könnten sich nur die reichen Industrieländer
leisten, hat also keinen Bestand. Im Gegenteil, 20
immer mehr Länder nicht nur in der entwickel-
ten Welt erkennen die Chancen, die mit dem 0
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020
Ausbau erneuerbarer Energien verbunden sind.
gen würde [5]. Tatsächlich wurden schon im Abbildung 1
Perspektiven erneuerbarer
Jahr 2005 über 62 TWh, das sind 10,2 % des Entwicklung der
Energien deutschen Stromverbrauchs, durch erneuerbare Stromerzeugung aus
Energien bereitgestellt. Erst die jüngste energie- erneuerbaren Energien
Angesichts steigender Preise fossiler Energieträ- wirtschaftliche Referenzprognose für das Bundes- bis 2020 nach [8] und
ger, einer stark wachsenden Energienachfrage in wirtschaftsministerium [6] berücksichtigt die Vergleich mit anderen
Ländern wie China und Indien, weiter steigen- im Strombereich in Deutschland eingesetzte Szenarien REF 2005
den Treibhausgasemissionen und der wachsen- Dynamik angemessen, sodass selbst Szenarien, [6], Politikszenario
den Abhängigkeit von Energieimporten aus nur die von einem forcierten Ausbau erneuerbarer 2002 [9] und REF
wenigen Ländern ist der verstärkte Ausbau er- Energien ausgehen, zumindest bis zum Jahr 2002 [5].
neuerbarer Energien bei gleichzeitig deutlicher 2010 auf kaum höhere Werte kommen [7].
Steigerung der Energieeffizienz unumgänglich. Demnach könnten erneuerbare Energien in
Selbst wenn sich die Abscheidung und anschlies- Deutschland 86 TWh Strom im Jahr 2010 bzw.
sende Einlagerung von Treibhausgasen als im 151 TWh im Jahr 2020 bereitstellen, letzteres
großen Maßstab umsetzbar erweisen sollte, so entspräche immerhin einem Viertel des gegen-
würde sie doch nur das Problem der Treibhaus- wärtigen Stromverbrauchs. Werden die Klima-
gasemissionen lösen und das auch nur in einem schutzziele ernst genommen, d. h. die Treib-
einzelnen Sektor, nämlich der Stromerzeugung. hausgasemissionen bis zum Jahr 2050 um 80 %
Analoges gilt für die Kernenergie. Solche tech- reduziert, so können erneuerbare Energien einen
nischen Optionen könnten somit – selbst wenn dann durch verstärkte Effizienzanforderung
sie gesellschaftliche Akzeptanz erringen sollten – deutlich reduzierten Stromverbrauch zu knapp
nur ein ergänzendes Element in einer nachhal- 70 % abdecken. An der gesamten Primärener-
tigen Energieversorgung darstellen. giebereitstellung hätten sie dann einen Anteil
von 42 %.
Die derzeit hohe Dynamik des Ausbaus erneu-
erbarer Energien macht realistische Prognosen Selbst bezüglich des Ausbaus erneuerbarer Ener-
und Szenarien schwierig. So ging beispielswei- gien pessimistische Szenarien gehen davon aus,
se eine Enquete-Kommission des Bundestages dass weltweit betrachtet die Nutzung erneuer-
noch im Jahr 2002 in ihrem Referenzszenario barer Energien absolut gesehen zunehmen wird.
davon aus, dass die Stromerzeugung aus erneu- Jüngst von der Internationalen Energie Agentur
erbaren Energien in Deutschland 46 TWh im (IEA) herausgegebene Szenarien gehen im Basis-
Jahr 2010 und 59 TWh im Jahr 2020 betra- fall davon aus, dass im Jahr 2050 durch erneu- 39
01_strom_37_69.indd 39 31.05.2007 12:18:07 Uhr
Dr. Ole Langniß • Wege zu einer nachhaltigen Energieversorgung
FVS Themen 2006
erbare Energien 101 EJ bereitgestellt werden, wie konventionelle Energieträger sind – und
das entspricht dem 1,7-fachen der heutigen damit also noch erhebliche Kostenreduktionspo-
Nutzung [10]. Allerdings würde in diesem Fall tenziale vorliegen –, teils auch, weil konventio-
der Anteil erneuerbarer Energien an der Primär- nelle Energieträger direkt, etwa über staatliche
energiebereitstellung etwas zurückgehen, da Beihilfen und umfangreiche Forschungsförde-
der Energieverbrauch sich in diesem Szenario rung, oder indirekt über eine unzureichende
mehr als verdoppeln würde, was auch zu einer Internalisierung externer (Umwelt-)Kosten
mehr als Verdopplung der Kohlendioxidemissi- subventioniert werden.
onen führte – eine alarmierende Aussicht! Einen
nachhaltigeren Pfad beschreibt die IEA im TECH Die Praxis hat gezeigt, dass sich eine erfolg-
Plus Szenario, dass trotz einem gegenüber heute reiche Förderpolitik auf drei Säulen stützen
um zwei Drittel erhöhten Primärenergiever- sollte:
brauch immerhin zu einer Emissionsreduktion
von 16 % gegenüber heute führt. Im TECH Plus 1. Förderung von Forschung, Entwicklung und
Szenario vervierfacht sich beinahe der Beitrag Demonstration, um die Kosten zu senken
erneuerbarer Energien auf 220 EJ, damit würden und die Leistungsfähigkeit der Systeme zu
30 % des Bedarfs über erneuerbare Energien erhöhen.
gedeckt. Nicht verschwiegen werden soll, dass
in diesem Szenario auch die Kernenergie einen 2. Entwicklung angepasster Strukturen z. B. über
erheblichen Ausbau erlebt, er fällt aber absolut eine angemessene Berücksichtigung erneuer-
betrachtet wesentlich geringer aus als der barer Energien in Gesetzen und in der
Ausbau erneuerbarer Energien. Rechtsprechung, aber etwa auch bei der
Aus- und Weiterbildung auf allen Ebenen.
Die Perspektiven für erneuerbare Energien sind
also auch langfristig gut. Und unter diesen Be- 3. Förderung der Marktentwicklung durch
dingungen werden sie wachsende Anteile zur Nachfragegenerierung, Beseitigung von
globalen Energieversorgung beitragen: Markteintrittsbarrieren und erleichterten
Zugang zu Kapital. Letzteres ist aufgrund der
• wesentliche Steigerung der Energieeffizienz typischerweise hohen Anfangsinvestitionen
• verstärkte Anstrengungen in Forschung und erneuerbarer Energien bei niedrigen laufen-
Entwicklung erneuerbarer Energien den Kosten von besonderer Bedeutung.
• Stützung der Demonstration und Markt-
einführung Was den Stromsektor angeht, hat Deutschland
• Schaffung eines stabilen, verlässlichen eine solche Förderpolitik mit einer umfassenden,
politischen Umfelds, daß eine Amortisation wenn auch schwankenden Forschungsförde-
langfristiger Investitionen in Innovationen rung, vielfältigen rechtlichen Maßnahmen wie
und kapitalintensive Anlagen erlaubt. etwa Änderungen des Baugesetzbuches und
schließlich dem Erneuerbare-Energien-Gesetz
(EEG) als Instrument zur direkten Nachfragege-
nerierung in den vergangenen 15 Jahren
Erforderlicher Instrumentenmix
erfolgreich betrieben. Dem EEG als Mindest-
für alle Energiemärkte preismodell wurde kürzlich auch von der
Europäischen Kommission im Vergleich mit
Derzeit bedürfen erneuerbare Energien häufig Fördermechanismen anderer Mitgliedsstaaten
noch der öffentlichen Unterstützung und ein exzellentes Zeugnis ausgestellt [11], was
Förderung, um in einen fairen Wettbewerb mit mehr und mehr Länder weltweit veranlasst,
konventionellen Energien treten zu können. ähnliche Wege zu beschreiten.
Den Technologien zur Nutzung erneuerbarer
Energien mangelt es häufig noch an Wettbe- Vergleichbare Entwicklungen im Kraftstoff- und
werbsfähigkeit, teils, weil sie als Newcomer, Wärmesektor stehen noch aus. Zwar konnte
obwohl technisch meist schon voll einsatzfähig, kurzfristig über eine Mineralölsteuerbefreiung
40 noch nicht auf dem selben Entwicklungsstatus der Anteil der Biokraftstoffe in Deutschland von
01_strom_37_69.indd 40 31.05.2007 12:18:12 Uhr
Dr. Ole Langniß • Wege zu einer nachhaltigen Energieversorgung
FVS Themen 2006
nur 0,4 % im Jahr 2000 auf 3,6 % im Jahr 2005 [3] Die Größe eines Wasserkraftwerkes
gesteigert werden. Für einen mittelfristig nach- entscheidet aber nicht zwangsläufig über
haltigen weiteren Ausbau ist allerdings eine die Nachhaltigkeit. Viele kleine Wasserkraft-
weiterhin verlässliche Förderung notwendig, werke können gravierendere Auswirkungen
gleichzeitig sind die Forschungs- und Entwick- haben als ein einzelnes großes, insbesonde-
lungsanstrengungen im Bereich der Kraftstoffe re wenn unterschiedlich vorbelastete
der 2. Generation zu intensivieren, um damit Gewässer betroffen sind.
auch die Rohstoffbasis auszubauen. Der Wärme- [4] IEA: Renewables Information 2006.
sektor schließlich stellt ein bisher vernachlässig- Paris 2006.
ter Schlüsselmarkt dar, um zukünftig höhere [5] Endbericht der Enquete-Kommission
Anteile erneuerbarer Energien am Primärener- “Nachhaltige Energieversorgung unter den
gieverbrauch zu realisieren. Dazu ist kurzfristig Bedingungen der Globalisierung und der
die gegenwärtigen Förderung etwa im Rahmen Liberalisierung.” Dt. Bundestag, Druck-
des Marktanreizprogrammes abzusichern, mittel- sache 14/9400 vom 7.7.2002, Berlin.
fristig aber auf eine Förderung unabhängig von [6] EWI Köln, Prognos AG. Energiereport IV:
öffentlichen Haushalten umzustellen, um ein Die Entwicklung der Energiemärkte bis zum
kontinuierliches und beschleunigtes Wachstum Jahr 2030. Energiewirtschaftliche Referenz-
zu ermöglichen. prognose. Untersuchung im Auftrag des
BMWA, Köln, Basel 2005
[7] Frithjof Staiß et al.: Wirkungen des Ausbaus
Zusammenfassung erneuerbarer Energien auf den deutschen
Arbeitsmarkt. Forschungsvorhaben im
Erneuerbare Energien sind unstrittig ein unver- Auftrag des BMU. Endbericht. Stuttgart,
zichtbares Element einer nachhaltigen Energie- Berlin, Osnabrück 2006
versorgung. Bereits heute werden weltweit [8] J. Nitsch, F. Staiß, B. Wenzel, M.Fischedick,
rund 27 Mrd. € jährlich in erneuerbare Energien Aktualisierung und Detaillierung des
investiert (ohne große Wasserkraft) gegenüber Ausbaus erneuerbarer Energien im Strom-
120 Mrd. € im konventionellen Bereich. Will sektor bis zum Jahre 2020 mit differenzier-
man die Klimaerwärmung auf ein erträgliches ter Ermittlung der Vergütungszahlungen
Maß begrenzen, müssen bis zum Jahr 2050 und der Differenzkosten durch das EEG.
erneuerbare Energien die Hälfte globalen Energie- Untersuchung für das BMU, Dez. 2005
bedarfs abdecken. Dazu sind mit einem techno- [9] P. Markewitz, H.-J. Ziesing (Hrsg). Politik-
logiespezifisch angepassten Instrumentenmix szenarien für den Klimaschutz. Langfrist-
sowohl Forschung und Entwicklung wie auch szenarien und Handlungsempfehlungen
die direkte Markteinführung im globalen (Politikszenarien III). FZ Jülich, Reihe
Maßstab verstärkt zu fördern. Umweltband 50, Jülich 2005
[10] IEA: Energy Technology Perspectives 2006.
Scenarios and Strategies to 2050.
Literatur Paris 2006
[11] Europäische Kommission: Förderung von
[1] IEA: Renewables Information 2006. Strom aus erneuerbaren Energiequellen.
Paris 2006. Berechnung nach der inter- Mitteilung. KOM(2005) 627 endgültig.
national üblichen Wirkungsgradmethode. Brüssel 2005. Siehe dazu auch das zuge-
Nach der Substitutionsmethode abge- hörige „Impact Assessment“.
schätzt beträgt der Anteil erneuerbarer
Energien 17,6 %, wobei die Wasserkraft
dann für 6,3 % und die anderen erneuerba-
ren Energien für 1,5 % der Primärenergie-
bereitstellung stehen.
[2] REN21: Renewables Global Status Report
2006 Update. Paris, Washington 2006.
41
01_strom_37_69.indd 41 31.05.2007 12:18:13 Uhr
Prof. Dr. Hans-Werner Schock • Photovoltaik – Forschung im Zeichen der Nachhaltigkeit
FVS Themen 2006
Photovoltaik – Forschung und
Verfahrensentwicklung im Zeichen
der Nachhaltigkeit
Prof. Dr. Einleitung schaft bei privaten Verbrauchern als auch der
Hans-Werner Schock Installation auf Freiflächen durch Betreibergesell-
HMI In der Solarenergie hat die Photovoltaik das schaften. Zusammen mit den Finanzierungs-
hans-werner.schock@hmi.de
höchste Potenzial für eine Energieversorgung, möglichkeiten durch die Einspeisevergütung
die die Kriterien der Nachhaltigkeit erfüllt: durch das EEG ergab sich ein außerordentlich
Dr. Reiner Klenk
dynamisches Wachstum des Photovoltaikmarkts
HMI
klenk@hmi.de • Es gibt wenig Einschränkungen bezüglich in Deutschland und es wird erwartet, dass dieses
der Standortwahl. Wachstum bei ähnlichen Randbedingungen
Dr. Ralf Preu • Photovoltaiksysteme können in bestehende auch auf andere Staaten in der EU und auch
Fraunhofer ISE bauliche Strukturen leicht integriert werden. weltweit übergreift. Die Grafik in Abb.1 illustriert
ralf.preu@ise.fraunhofer.de • Die Modularität der Photovoltaik erlaubt, die dynamische Entwicklung des Photovoltaik-
sie in beliebigen Einsatzfeldern und weiten marktes. Im Jahr 2005 wurden weltweit Module
Dr. Johann Springer Leistungsbereichen einzusetzen. mit einer Spitzenleistung von über 1,7 GW
ZSW • Direkte Emissionen während des Betriebs sind produziert, davon etwa 30 % in Deutschland.
johann.springer@zsw-bw.de
praktisch zu vernachlässigen.
Die gesamte Spitzenleistung der in Deutschland
Dr. Jan Schmidt
Aspekte der Nachhaltigkeit müssen daher vor installierten Photovoltaikanlagen erreicht 2006
ISFH
allem bei der Herstellung der Photovoltaikmo- über 2 GW, so dass die Photovoltaik nun etwa
j.schmidt@isfh.de
dule und nach Ablauf der Lebenszeit berück- 1% des Elektrizitätsverbrauchs in Deutschland
sichtigt werden. abdeckt.
Dr. Wolfhard Beyer
FZJ
w.beyer@fz-juelich.de Diese Vorteile führen zu einer hohen Akzeptanz Langfristig muss sich aber – vor allem durch
von Photovoltaiksystemen sowohl in der Gesell- Reduktion der Produktionskosten – ein selbst
2000
Abbildung 1
Entwicklung der welt-
weiten Produktion von 1500
Photovoltaikmodulen.
Die Leistung bezieht
MWp
1000
sich auf die Spitzen-
leistung MWp der
1
Module bei AM1,5 500
(Solarstrahlung auf
der Erde um den 50.
Breitengrad); 1 kW/m 2. 0
1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2006
geschätzt
Jahr
Quellen: P. Maycock PV
News, EPIA
1
Air Mass, kurz AM, auch Luftmasse, bezeichnet die
Abschwächung der Strahlung durch die Atmosphäre.
42 AM1: Solarstrahlung auf der Erde und Sonne im Zenit
01_strom_37_69.indd 42 31.05.2007 12:18:14 Uhr
Prof. Dr. Hans-Werner Schock • Photovoltaik – Forschung im Zeichen der Nachhaltigkeit
FVS Themen 2006
tragender Markt entwickeln. Gegenwärtig wer-
100 % gegenwärtige Kosten von mc-Si-Solarzellen
den 90 % der Module aus Solarzellen auf Basis
von kristallinem Silicium produziert. Die Kosten
gesamte Systemkosten
folgten lange Zeit einer Lernerfahrungkurve, 80 %
die bei jeder Verdopplung der Produktion eine
Kostenreduktion um 20 % erlaubte. Durch die 60 %
gegenwärtige Knappheit von Reinstsilicium stag-
nieren die Modulpreise bzw. steigen sogar an. 40 %
Langfristige Kostendegression auf Werte deutlich
unter 1€/W erfordert neue Technologien wie 20%
die Dünnschichttechnik. Die Marktsituation
bietet aufgrund der hohen Nachfrage und der 0%
gegenwärtigen Preisstagnation jetzt die Mög-
mc-Si
Thin Film-Si
on glass
Thin Film-Si
on flexible
CIGS
CdTe
lichkeit, große Produktionsvolumina von Dünn-
schichtsolarzellen am Markt zu platzieren.
Abb. 2 zeigt, dass die Kosten aus heutiger Abbildung 2
1. Kriterien für die
Sicht bis auf 30 % der heutigen Kosten sinken Entwicklungspotenziale
Nachhaltigkeit können. Ausgehend vom gegenwärtigen verschiedener Photo-
Entwicklungsstand der Systeme mit multikristal- voltaiktechnologien.
Die Einflussfaktoren auf die Nachhaltigkeit linen Si-Solarzellen ist das Potenzial für die Die Fehlerbalken geben
während des gesamten Lebenszyklus der Photo- Reduktion der Systemkosten für alle Techno- die Variationsbreite
voltaikmodule sind vielfältig, ihre Gewichtung logien vergleichbar, da auch die Fehlerbalken der Kosten an.
und Auswirkungen sind nicht leicht zu quanti- vergleichbare Längen haben.
fizieren. Für die Nachhaltigkeit von Entwick- Quelle: O. Hartley,
J. Malmström, A. Milner, 21st
lungen gelten folgende Kriterien: Energierückzahlzeit und Erntefaktor
European Photovoltaic Solar
Eine der wichtigsten Anforderungen für eine Energy Conference, Dresden,
• kurze Energierückzahlzeiten und hoher nachhaltige, erneuerbare Energietechnologie 4-8 September 2006
Erntefaktor ist eine kurze Energierückzahlzeit. Die für die
• geringer Flächenbedarf und Integrations- Herstellung und den Aufbau einer PV-Anlage
möglichkeit in bestehende Infrastrukturen aufgewandte Primärenergie muss sich in
• geringe Materialkosten und ausreichende möglichst kurzer Zeit wieder einspielen. Wird
Materialverfügbarkeit die Lebensdauer der Anlage mit eingerechnet,
• geringe Emissionen während der Material- ergibt sich der Erntefaktor, d. h. das Verhältnis
gewinnung, Produktion und im Betrieb von erzeugter Energie zu aufgewandter Energie.
• Recyclingfähigkeit am Ende der Lebensdauer Dieser sollte möglichst groß sein. Heute wird
von einer durchschnittlichen Lebensdauer der
Die bisherige Entwicklung zeigt zwar eine sehr PV-Module von 25 Jahren ausgegangen.
starke Dominanz der Siliciumtechnologie auf Längere Lebensdauer vergrößern den Ernte-
dem gegenwärtigen Photovoltaikmarkt. faktor, erfordern aber auch die langfristige
Allerdings ist noch offen, mit welcher Technolo- Integration des PV-Systems in entsprechende
gie die Kostenziele für den Wettbewerb mit Infrastrukturen. Die Nachhaltigkeit eines PV-
konventionellen Energiequellen erreicht werden Systems muss daher immer im Zusammenhang
können. Verschiedene Abschätzungen zeigen, mit den Anwendungen beurteilt werden.
dass Kosten unter 1€/W langfristig erreichbar
werden, Dünnschichttechnologien sind wegen Schon heute spielen die Photovoltaikmodule
des geringeren Materialverbrauchs dabei aus kristallinem Silizium die investierte Energie
potenziell im Vorteil. Allerdings müssen die mit für die Produktion in Deutschland spätestens
diesen Technologien hergestellten Solarzellen nach 6 Jahren wieder ein. Neuere Entwicklun-
bezüglich Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit gen reduzieren diese Zeit auf 3 Jahre. In sonnen-
konkurrenzfähig sein. reichen Gegenden im Süden Europas ist dieses 43
01_strom_37_69.indd 43 31.05.2007 12:18:17 Uhr
Prof. Dr. Hans-Werner Schock • Photovoltaik – Forschung im Zeichen der Nachhaltigkeit
FVS Themen 2006
Recycling
4 Obwohl Photovoltaikmodule verschleißfrei
arbeiten, ist doch ihre Lebensdauer wegen
Energierückgewinnungszeit in Jahren
der Belastungen unter unterschiedlichen Wit-
3 terungsbedingungen begrenzt. Gangbare
Recyclingkonzepte sind daher eine wichtige
Voraussetzung für einen nachhaltigen Beitrag
2 der Photovoltaik zu unserer Energieversorgung,
Bereich aktueller Produktion von CIGS Solarzellen insbesondere weil sie auch wertvolle wieder ver-
wendbare Rohstoffe enthalten. Forschung und
Entwicklung begleiten die Fragen des Recyclings
1
von Produktionsabfällen und Modulen, die
das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben.
0
10 20 30 40 50 100 200
Produktionskapazität [MW/Jahr] 2. Forschung und Entwicklung
für Nachhaltigkeit
Abbildung 3 Verhältnis noch wesentlich günstiger. Dünn-
Energierückge- schichtsolarzellen erreichen aufgrund des Aspekte der Nachhaltigkeit der Photovoltaik
winnungszeiten von geringen Materialeinsatzes eine kürzere Rück- sind zentrale Forschungsthemen im Forschungs-
CIGS-Modulen in zahlzeit, die auch stark mit dem Produktions- Verbund Sonnenenergie. Denn die Photovoltaik
Abhängigkeit vom volumen skaliert. braucht wegen ihres enormen Potenzials und
Produktionsvolumen. der daraus resultierenden zukünftigen Bedeutung
Abhängig vom weiteren Abb. 3 zeigt anhand des Beispiels von Kupfer- dieser Energiequelle einen breiten Forschungs-
Ausbau reduziert sich Indium-Gallium-Diselenid (Cu(In,Ga)Se2) – und Entwicklungshintergrund. Die Grafik in
die Rückzahlzeit auf Kurzbezeichnung CIGS-Module, dass bei Abb. 2 zeigt, dass verschiedene Technologien
deutlich unter zukünftiger Produktion sehr kurze Rückzahl- ein großes Potenzial zur Kostenreduktion haben.
einem Jahr. zeiten erreicht werden können. Zusammen mit Daher befasst sich die Forschung und Entwick-
einer Zunahme der Produktionskapazität führt lung mit Verbesserungen bestehender und
Quelle: M. Shibasaki, die Optimierung der Technologie zur Verbesse- neuer Technologien bezüglich Produktionstech-
N. Warburg, J. Springer,
rung der Umweltverträglichkeit dieses Dünn- niken und Wirkungsgrad der Solarzellen. Sie
Sustainability Evaluation of
Solar Energy Systems schichtphotovoltaiksystems. Abhängig von untersuchen auch die Fragen der Umweltkom-
(SENSE), FP5 ENK5-CT- Herstellungstechnologie, Anwendung (Kraft- patibilität der Herstellungsprozesse.
2002.00639
werke auf Freiflächen, dachintegrierte Systeme,
mobile Anwendungen) und Standort (Zentral-
europa, Mittelmeerraum, Sonnengürtel) ver- 2.1 Materialeinsatz und Strukturen
kürzt sich die Energierückzahlzeit um etwa 30%,
d.h. für dachintegrierte Systeme im Mittelmeer- Siliciumtechnologien
raum auf 1,3 Jahre, für Freiflächenanlagen in In der Siliciumtechnologie bezieht sich dies auf
derselben Region auf 1,5 Jahre. Durch die sich die Reduktion der Dicke der Wafer und die damit
abzeichnende Vergrößerung der Produktions- verbundenen Anforderungen an die weitere
kapazitäten wird ein weiterer Rückgang der Prozessführung. Die Herstellung von Solarzellen-
Energierückzahlzeit der dachintegrierten Systeme strukturen durch Prozesse und Verfahren, die
auf 1 Jahr bzw. auf 1,2 Jahre für Freiflächen- nur sehr niedrige Temperaturen benötigen und
anlagen erwartet. Mit weiteren Entwicklungen z. B. Lasertechniken zur Herstellung von Kontakt-
und der Erhöhung der Produktionskapazitäten strukturen verwenden, ermöglichen ebenfalls
von derzeit weniger als 20 MWp/a auf zukünfti- Wirkungsgrade der Zellen und Produktions-
ge 100-200 MWp/a ist noch ein großes Poten- ausbeuten erheblich zu steigern. Das Ziel ist
zial für die Reduktion der Energierückzahlzeit dabei „mehr Leistung mit weniger Silicium“.
und damit noch höherer Nachhaltigkeit Da der Großteil der Kosten einer PV-Anlage
44 gegeben. flächenproportional ist, bewirkt eine Erhöhung
01_strom_37_69.indd 44 31.05.2007 12:18:20 Uhr
Prof. Dr. Hans-Werner Schock • Photovoltaik – Forschung im Zeichen der Nachhaltigkeit
FVS Themen 2006
Abb. 4
Abb. 5
des Solarzellenwirkungsgrades eine Verringe- diesen am Fraunhofer ISE entwickelten Systemen Abbildung 4
rung der erforderlichen Modulfläche und kann eine sehr kurze Energierückgewinnungszeit Die Vorderseite einer
darüber zu einer erheblichen Kostenreduktion erreicht. RISE (rear-interdigita-
führen. ted single-evaporated)
Solarzelle.
Abb. 4 zeigt eine neuartige Solarzelle, die nur 2.2 Prozesstechniken Die Rückseite trägt
auf der Rückseite Kontakte besitzt, sodass die beide Kontakte, daher
Vorderseite vollständig verschattungsfrei ist. Nachhaltigkeit in der Prozesstechnik ist ein ist die Vorderseite
Sie wird ausschließlich mit berührungslosen weiterer wichtiger Gesichtpunkt. Ein Beispiel vollständig ver-
Verfahren hergestellt und ist daher auch für dafür ist die Reinigung der Beschichtungs- schattungsfrei.
besonders dünne und daher bruchanfällige anlagen bei der Deposition von amorphem oder
Quelle: P. Engelhart, A. Teppe,
Silicium-Scheiben gut geeignet. Im Labor mikrokristallinem Silicium. Der Ersatz von klima-
A. Merkle, R. Grischke,
konnten am ISFH mit dieser Zellenart bereits schädlichen Gasen wie SF6 (Schwefelhexafluorid) R. Meyer, N.-P. Harder,
sehr hohe Wirkungsgrade bis zu 22 % er- durch das weniger klimaaktive NF3 (Nitrogen R. Brendel, Techn. Digest
15th PSEC, Shanghai (2005),
reicht werden. Trifluoride) hat zudem noch eine geringere p. 802
Auswirkung auf nachfolgende Beschichtungen
Dünnschichttechnologien und erlaubt eine Gasausnutzung von nahe
Weitere Entwicklungsmöglichkeiten bieten 100 %. Abbildung 5
die Dünnschichttechnologien. Abb. 5 zeigt Dünnschichtmodul
ein CIGS-Dünnschichtmodul auf Metallfolie. Für alle Technologien gilt, dass jede Steigerung aus Cu(In,Ga)Se2
Laborsolarzellen aus diesem Material erreichen des Wirkungsgrades die Wirtschaftlichkeit pro- auf Metallfolie.
am HMI Wirkungsgrade über 18 %. portional verbessert. Prinzipiell neue Konzepte, Quelle: ZSW
mit neuen, vom klassischen pn-Halbleiter-
Bei den Dünnschichtsolarzellen ist das Ziel, sehr übergang abweichenden Materialkombina-
kurze Taktzeiten bei der Modulproduktion zu tionen, wie sie z. B. am HMI erforscht werden,
erreichen und den Material- und Energieeinsatz versprechen weiteres Potenzial zur Kosten-
sowie die Prozessausbeute weiter zu verbessern. reduktion.
Konzentratorsolarzellen
Photovoltaik-Module, in denen sich das Sonnen-
licht mittels optischer System auf kleine, hoch-
effiziente Solarzellen konzentriert, erreichen sehr
hohe Wirkungsgrade bis zu 40 %. Durch den
geringen Einsatz von Halbleitermaterial wird mit 45
01_strom_37_69.indd 45 31.05.2007 12:18:23 Uhr
Prof. Dr. Hans-Werner Schock • Photovoltaik – Forschung im Zeichen der Nachhaltigkeit
FVS Themen 2006
3. Zusammenfassung
Das dynamische Wachstum des Photovoltaik-
markts unterstreicht die Attraktivität dieser
erneuerbaren Energiequelle. Eine Produktion
in großem Maßstab stellt eine große Heraus-
forderung dar, auch wenn die Photovoltaik
als eine der nachhaltigsten Energiequellen gilt.
In diesem Beitrag werden die unterschiedlichen
Voraussetzungen und Entwicklungsmöglich-
keiten der gegenwärtigen Solarzellentechno-
logien analysiert und in den Entwicklungs-
horizont der Photovoltaik eingefügt.
Es sind noch erhebliche Forschungsanstren-
gungen notwendig, um die Photovoltaik
zu einer in allen Anwendungsbereichen wirt-
schaftlichen Energiequelle zu entwickeln.
Der ForschungsVerbund Sonnenenergie stellt
sich dieser Herausforderung mit einem breit
angelegten Forschungsprogramm, das zum
einen aktuelle Entwicklungen unterstützt, zum
andern eine nachhaltige Entwicklung der Pho-
tovoltaik durch Forschungsarbeiten an neuen
Konzepten gewährleistet.
46
01_strom_37_69.indd 46 31.05.2007 12:18:43 UhrProf. Dr. Robert Pitz-Paal • Solarthermische Kraftwerke – Europäische Potenziale
FVS Themen 2006
Solarthermische Kraftwerke –
Europäische Potenziale kosten-
günstig erschließen
1. Einleitung unterschiedliche Förderprogramme und Ein- Prof. Dr.
speisegesetze werden inzwischen an verschiede- Robert Pitz-Paal
Solarthermische Kraftwerke gelten als geeignete nen Stellen auf der Welt wieder solarthermische DLR
Großtechnologie, um im Sonnengürtel der Erde Kraftwerke gebaut. In Europa spielt Spanien eine robert.pitz-paal@dlr.de
günstigen Kraftwerksstrom aus Sonnenenergie Vorreiterrolle, da hier erste Anlagen bereits in
Dr. Werner Platzer
zu erzeugen. Neben den relativ niedrigen Strom- Betrieb genommen werden. Fraunhofer ISE
erzeugungskosten ist insbesondere die Möglich- werner.platzer@
ise.fraunhofer.de
keit, Strom nach Bedarf zu produzieren, attraktiv.
In Zeiten fehlender Solareinstrahlung kann näm-
2. Potenziale und Märkte
lich entweder auf Brennstoffbetrieb umgestellt
werden oder, falls verfügbar, Energie aus einem in Europa
thermischen Energiespeicher verwendet
werden. Für solarthermische Kraftwerke ist die direkte
Solarstrahlung nutzbar, da nur sie sich optisch
Seit Anfang der neunziger Jahre speisen Solar- konzentrieren lässt. Abb. 1 zeigt die Verteilung
kraftwerke 354 MW Spitzenlaststrom, der aus der jährlichen Strahlungssumme im Mittelmeer-
der Mojave Wüste stammt, ins kalifornische raum, die vom DLR aus Satellitendaten ermittelt
Stromnetz. Doch nach dem Konkurs der wurde. Ökonomisch sinnvoll lassen sich Solar- Abbildung 1
israelischen Herstellerfirma LUZ International kraftwerke bauen, wenn ausreichend Direkt- Jährliche Direktnor-
Limited war es lange still um diese Technologie. strahlung (>2000 kWh/m2a) zur Verfügung malstrahlung im
Erst die Erkenntnis, dass für einen effizienten steht, die Fläche nicht anders genutzt wird, Mittelmeerraum
Klimaschutz schnell große Kapazitäten an CO2- sie ausreichend flach ist und zahlreiche weitere für das Jahr 2002,
freier Stromerzeugung notwendig sind, eröff- Kriterien erfüllt werden (für Details siehe [1]). ermittelt aus
nete ihr eine neue Chance. Angestoßen durch Zählt man das Potenzial aller dieser Standorte Satellitendaten [1]Prof. Dr. Robert Pitz-Paal • Solarthermische Kraftwerke – Europäische Potenziale
FVS Themen 2006
in Europa zusammen, dann ließen sich allein in Banken. Dies erklärt auch, dass bei diesen ersten
Südeuropa (Spanien, Portugal, Italien, Griechen- europäischen Kraftwerken weniger technische
land, Malta) mehr als 1500 TWh an elektrischer Innovation als vielmehr das geringe technische
Energie durch Solarkraftwerke erzeugen. Das Risiko im Vordergrund stand. Daher ist es nicht
entspricht etwa der Hälfte des Stromverbrauchs verwunderlich, dass sich die entwickelten Syste-
der EU-Staaten und ist vergleichbar mit dem in me technisch sehr nahe an den letzten gebau-
Europa zur Verfügung stehenden Windenergie- ten Solarkraftwerken in Kalifornien anlehnen.
potenzial (Onshore und Offshore). An einem
Standort komprimiert benötigte man dazu eine Insgesamt befinden sich zurzeit in Spanien mehr
Fläche von etwa 90 km x 90 km. als 500 MWel in der konkreten Planung oder im
Bau und mehr als 1,5 GWel in der Vorbereitung.
Südlich des Mittelmeers ist das wirtschaftliche Es ist erfreulich zu beobachten, dass inzwischen
Potenzial um etwa den Faktor 400 größer und auch in Portugal, Griechenland, Frankreich und
damit nach menschlichem Ermessen nahezu Italien in neueren Einspeisegesetzen solarthermi-
unbegrenzt. Hier könnten solarthermische sche Kraftwerke berücksichtigt werden, selbst
Kraftwerke erhebliche Beiträge zum schnell wenn zum Teil die oben identifizierten Erfolgs-
wachsenden Strombedarf der Region leisten kriterien noch nicht überall erfüllt sind.
und der Export von Solarstrom in ein europäi-
sches Verbundnetz könnte auch zu einem
zukünftigen erneuerbaren Energiemix in
3. Rolle und Produkte der
Europa beitragen [2].
deutschen Industrie
Da die solarthermische Stromerzeugung mit
kalkulierten Kosten von 11-25 ct/kWh noch Obwohl die solarthermische Stromerzeugung in
teurer ist als der fossil erzeugte Strom, begann Deutschland selbst keine wirtschaftliche Option
eine Markteinführung, nachdem entsprechende darstellt, gibt es sowohl in der Industrie als auch
erhöhte Vergütungen durch gesetzliche Rege- in der Forschung eine lange Tradition, sich in
lungen garantiert wurden. Einen ersten Ansatz diesem Gebiet zu engagieren. Schon bei den
gab es hier bereits 1998 in Spanien. Doch erst ersten Solarkraftwerken in Kalifornien stammten
als im Jahr 2004 die folgenden Randbedingun- die 2,5 Mio. m2 Spiegel und 90 km Glashüll-
gen erfüllt waren, konnten erste Projekte rohre aus deutscher Produktion. Doch inzwi-
realisiert werden: schen wollen die Deutschen auch am Gesamt-
system verdienen.
1. Ausreichend hohe Einspeisevergütung,
die auch von mit der Technik wenig vertrau-
ten Großkonzernen als gewinnträchtig
Abbildung 2 eingestuft wird (ca. 21 ct/kWh)
Teststrang des 2. Sicherheit der Tarifhöhe über die Lebens-
Parabolrinnenkollek- dauer des Kraftwerks (> 25 Jahre)
tors SCAL-ET mit 3. Große Kraftwerkseinheiten möglich (50MW)
Absorberrohren von 4. Hybridbetrieb zur Pufferung kleiner Wolken-
Schott Rohrglas lücken möglich (12-15 % fossiler Anteil)
betrieben kommer-
ziellen SEGS V in Anders als beim Markteinstieg von Wind oder
den USA Photovoltaik sind wegen der großen Einheiten
sehr viel größere Investitionen pro Projekt not-
wendig. Hier hat es viel Zeit gekostet, Großkon- Parabolrinne
zerne, die in der Lage sind, Projekte von mehr Heute kann das gesamte Solarfeld aus deutscher
als 200 Mio. € Gesamtumfang umsetzen zu Hand angeboten werden (Abb. 2). Die Technolo-
können, vom begrenzten technischen Risiko zu gie basiert auf einem von dem deutschen Kon-
überzeugen. Zeitlich ebenso aufwändig waren sortium mit dem DLR neu entwickelten Kollektor
48 die entsprechenden Verhandlungen mit den mit Namen SCAL-ET. Dieser ist kompatibel zu
01_strom_37_69.indd 48 31.05.2007 12:18:47 UhrProf. Dr. Robert Pitz-Paal • Solarthermische Kraftwerke – Europäische Potenziale
FVS Themen 2006
Abbildung 3
Animation eines
linearen Fresnelkollek-
tors zur Heißdampf-
erzeugung
den Spiegelfacetten und zur Absorberrohrgröße Linearer Fresnel-Kollektor
des kalifornischen Designs aber hinsichtlich Bei linearen Fresnel-Kollektoren besteht der
Steifigkeit, Gewicht und optischer Genauigkeit Konzentrator aus einzelnen Facetten planer
deutlich überlegen. Das ebenfalls neu von der Spiegel (Abb.3). Bei den dafür erforderlichen
Firma Schott, dem Fraunhofer ISE und der DLR Bauteilen handelt es sich zu einem hohen Anteil
entwickelte Absorberrohr zeichnet sich aus um kostengünstige Standardkomponenten, die
durch eine bessere optisch selektive Schicht, fast weltweit verfügbar sind, eine hohe lokale
weniger Abschattungsverluste und eine längere Wertschöpfung ermöglichen und damit auch
Lebensdauer als die bisher verfügbare Technik Wettbewerbsvorteile gegenüber anderen
aus Israel. Das Solarfeldengineering sowie die Technologien erwarten lassen. Darüber hinaus
Sensortechnologie und Steuerung für die Nach- ist die Fresnel-Technik unempfindlich gegen
führung des Kollektors werden von der Firma Windlasten und erlaubt eine hohe Landausnut-
Flagsol aus Köln angeboten. Um das System zu zung. In technischen und wirtschaftlichen
qualifizieren, wurde ein kompletter Strang in das Studien wurden Funktionsfähigkeit und poten-
existierende Kraftwerk in Kalifornien integriert ziell günstige Stromgestehungskosten bestätigt.
und parallel zu den vorhandenen Kollektoren Optimierungspotenziale im Bereich der Re-
über mehr als zwei Jahre betrieben. Dabei konn- ceiver- und der Sekundäroptik sowie unter-
te ein um mehr als 10 % erhöhter Jahresertrag schiedliche kommerzielle Konzepte (der Firmen
nachgewiesen werden. Solar Power Group und Solar Heat and Power)
wurden theoretisch untersucht. An Luft stabile
Dieses System kommt nun beim ersten Parabol- Absorberschichten für die Receiverrohre wurden
rinnenkraftwerk in Spanien (Andasol I), das von am Fraunhofer ISE mit Unterstützung des BMU
der deutschen Solar Millennium AG entwickelt entwickelt. Regelungsaspekte und Fragen zur
wurde und Mitte 2008 in Betrieb gehen soll, mit Direktverdampfung wurden auf Basis von
510.000 m2 zum Einsatz. Auch bei den Kompo- Simulationen geklärt.
nenten der herkömmlichen Kraftwerkstechnik
konnte Siemens bereits eine Dampfturbine für Technische und wirtschaftliche Voraussagen
ein neues Parabolrinnenkraftwerk in den USA müssen jedoch über Demonstrationsprojekte
verkaufen. verifiziert werden, denn der Verweis auf reale
Referenzprojekte ist entscheidend für den 49
01_strom_37_69.indd 49 31.05.2007 12:19:01 UhrProf. Dr. Robert Pitz-Paal • Solarthermische Kraftwerke – Europäische Potenziale
FVS Themen 2006
0,165
konzentrierte Solarstrahlung
0,16
s= 6.98mrad
s=6.98mrad
Stromgestehungskosten [€/kWh]
0,155 s= 4.65mrad
s=4.65mrad
0,15 s= 2.32mrad
s=2.32mrad
vorgewärmte Luft 100° C
0,145
0,14
0,135
0,13
0,125
0,12
20 25 30 35 40 45 50
Abb. 4 Anzahl der Spiegelreihen N Abb. 5 Heißluft 700 °C
Abbildung 4 kommerziellen Erfolg. Zur Verifizierung der Darüber hinaus sind deutsche Firmen als Zulie-
Beispiel der wirtschaft- Modellrechnungen wird derzeit die Errichtung ferer für Komponenten für Turmkraftwerke im
lichen Optimierung eines Demonstrationskollektors auf der Platafor- Geschäft, so zum Bespiel der Getriebehersteller
des Solarfeldes beim ma Solar in Almería von MAN Ferrostaal Power Flender, der die Getriebe für die Heliostate eines
Fresnel-Kollektor Industry und Solar Power Group vorbereitet Turmkraftwerks in Spanien liefert.
(Anzahl der Spiegelrei- (Abb. 4). Die wissenschaftliche Charakterisie-
hen N, abhängig vom rung wird vom DLR und dem Fraunhofer ISE Dish Stirling
optischen Fehler „s“ durchgeführt. Weitere Fresnel-Kollektorprojekte Auch Dish Stirling Systeme sind komplett aus
der Primärspiegel) [3] von Solar Heat and Power Ltd., Australien, deutscher Hand zu beziehen. Das Stuttgarter
und der Startup-Firma Novatec Biosol AG, Ingenieurbüro Schlaich, Bergermann und Partner
Abbildung 5 Karlsruhe, sind in Vorbereitung. hat ein System entwickelt, das auf dem 10 kW
Schema des volumetri- Stirlingmotor der SOLO Kleinmotoren GmbH
schen Luftreceivers Turm basiert. Bislang existiert eine Reihe von Prototy-
HitREC Das deutsche Engagement in der Turmtechno- pen, die ihre Leistungsfähigkeit über etliche
logie befasst sich mit Luft als Wärmeträgerme- tausend Stunden Betrieb bereits nachgewiesen
dium. Die Mitte der achtziger Jahre unter dem haben. Für den Markteinstieg soll als nächstes
Namen PHOEBUS entwickelte Technologie eine Kleinserienproduktion vorbereitet werden.
wurde in einer vom DLR weiterentwickelten
Form unter dem Namen HITREC von der Kraft-
anlagen Anlagentechnik München lizenziert.
4. Zukünftige Herausforde-
Das Receiverprinzip ist in Abb. 5 dargestellt. rungen für Forschung und
Umgebungsluft wird durch einen bestrahlten
porösen keramischen Absorber gesaugt und
Entwicklung
erwärmt sich dabei auf bis zu 800 °C. Sie kann
dann zur Erzeugung von Dampf verwendet Um eine nachhaltige Marktdurchdringung
werden. Geringe thermische Trägheiten und der solarthermischen Kraftwerke zu erzielen,
die Hochtemperaturfähigkeit sind Vorteile des ist es notwendig, die Stromerzeugungskosten
Systems. Eine erste Prototypanlage mit einer weiter zu senken. Forschungsvorhaben dafür
Leistung von 1,5 MWel ist zur Zeit in Jülich in sind die Reduktion von Materialeinsatz, die
Planung. Bei der Standortauswahl stand nicht Steigerung der Effizienz, zum Beispiel. durch
die Verfügbarkeit von solarer Strahlung im höhere Temperaturen und die Nutzung von
Vordergrund, sondern die Möglichkeit, das thermischen Energiespeichern [4]. Im Folgen-
System in einer kompetenten und geschützten den werden einzelne wichtige Themen
50 Umgebung entwickeln zu können. ausführlicher dargestellt:
01_strom_37_69.indd 50 31.05.2007 12:19:04 UhrProf. Dr. Robert Pitz-Paal • Solarthermische Kraftwerke – Europäische Potenziale
FVS Themen 2006
Reflektoren / Absorber beizutragen. Entscheidend ist weiterhin die
Hochtemperaturstabile und leistungsfähige Tatsache, dass der Kraftwerksblock insgesamt
Receiverrohre können mittels der physikalischen über mehr Betriebsstunden genutzt werden
Vakuumbeschichtung sowohl für die Anwen- kann und sich damit seine Investitionskosten
dung in der Parabolrinne als auch im Fresnelkol- auf die Gewinnung von mehr elektrischem
lektor optimiert und weiterentwickelt werden. Strom verteilen. Herausforderungen bei der
Der für Parabolrinnen entwickelte Parabolic Entwicklung von Speichern bestehen hinsicht-
Trough Receiver (PTR) der Firma Schott auf der lich Kosten, Langzeitstabilität und Be- bzw.
Basis von Cermet-Schichten erreicht mit einem Entladeleistung. Thermische Verluste hingegen
Absorptionsgrad von 95 % der Sonnenstrahlung sind aufgrund der großen Abmaße und des
und 14 % Emission thermischer Abstrahlung 1 damit verbundenen großen Volumen-zu-
bei 400 °C Arbeitstemperatur sehr gute Werte. Oberflächen-Verhältnisses kein Problem.
In einem laufenden Vorhaben wird der Parabol-
rinnenreceiver für den Einsatz bei noch höheren Ein Forschungsschwerpunkt liegt zurzeit auf
und damit für den Kraftwerkswirkungsgrad der Entwicklung von Latentwärme-Speichersys-
vorteilhafteren Temperaturen von bis zu 500 °C temen für Wasser/Dampfsysteme, die unter
für den direkt verdampfenden Parabolrinnen- hohem Druck (>100 bar) betrieben werden.
kollektor entwickelt. Hier kann zum Beispiel die Phasenwechselener-
gie, die zum Aufschmelzen von Salzgemischen
Beim Fresnelreceiver ist die Glashülle und das benötigt wird, als Speicherenergie genutzt
Vakuum nicht notwendig, das Schichtsystem werden. Da erstarrte Salze aber eine geringe
muss jedoch einen anderen Aufbau besitzen, um Wärmeleitfähigkeit besitzen, sind intelligente
Oxidation und Diffusion verhindern zu können. Überlegungen zur wärmetechnischen Anbin-
In einem laufenden BMU-Vorhaben konnten am dung gefragt. Eine Möglichkeit ist das Verpres-
Fraunhofer ISE bereits bei 450 °C an Luft stabile sen des Salzes in eine gut Wärme leitende
Absorberschichten mit 90 % Absorption und Grafitmatrixstruktur.
1
20 % Emissionsgrad (siehe Fußnote ) hergestellt
werden. Durch eine Optimierung von Prozess- Kraftwerkskreislauf
führung, Substratbehandlung und Schichtdicken Die Entwicklung von neuartigen Kraftwerkskreis-
sollen Emission und Absorption noch weiter läufen hat das Ziel, die solare Wärme optimal zu
verbessert werden. Höhere Reflexionswerte als integrieren. Die optimale Integration hängt im
Glasspiegel mit Rückseitenbeschichtung können Wesentlichen vom verwendeten Wärmeträger
prinzipiell durch vorderseitige Beschichtung und seiner Temperatur ab. Während bisherige Pa-
erreicht werden. Aber auch hier stellt sich die rabolrinnensysteme mit Thermoöl nur bis zu einer
Frage der Stabilität der Beschichtung gegenü- Temperatur bis zu 390 °C betrieben weden, lassen
ber Sand und anderen Umwelteinflüssen, z. B. direktverdampfende Kollektoren oder Turmkraft-
in einem Turmreceiver auch gegenüber hoher werke mit höheren Temperaturen andere Kreis-
Temperaturbelastung. Reflexionsgrade über laufvarianten zu. Die Einkopplung von Hochtem-
95 % sind auch hier das Ziel. peraturwärme von mehr als 1000 °C, wie sie in
Turmkraftwerken erzeugt werden kann, in einen
Thermische Energiespeicher Gas- und Dampfturbinenprozess, könnte zu
Die Einbindung thermischer Energiespeicher einem Sprung im Wirkungsgrad bei solarthermi-
trägt dazu bei, Strahlungsangebot und Strom- schen Kraftwerken führen.
nachfrage tageszeitlich zu entkoppeln und
damit ggf. höhere Erlöse zu erzielen. Speicher Eine weitere wichtige Herausforderung ist die
ermöglichen zudem, das Kraftwerk immer unter Verminderung oder Vermeidung des Bedarfs an
Nennlast-Bedingungen zu betreiben und damit Kühlwasser für diese Kraftwerke, das an guten
zu einer zuverlässigen Energiebereitstellung Solarstandorten typischerweise nicht kosten-
günstig zur Verfügung steht. Hier stellen Gastur-
binensysteme ebenfalls eine Alternative dar,
1
Die Emission thermischer Abstrahlung definiert sich als
Verhältnis der thermischen Verluste des Absorbers zu einem
da sie ohne Kühlwasser auskommen und ihre
ideal schwarzen Körper. Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Dampfkraft- 51
01_strom_37_69.indd 51 31.05.2007 12:19:11 UhrProf. Dr. Robert Pitz-Paal • Solarthermische Kraftwerke – Europäische Potenziale
FVS Themen 2006
6. Zusammenfassung und
Ausblick
Nach langer Pause entwickelt sich nun welt-
weit erneut ein Markt für solarthermische Kraft-
werke. In Europa spielt Spanien hier eine Vor-
reiterrolle. Deutsche Firmen konnten sich mit
Unterstützung der Forschungskompetenzen im
ForschungsVerbund Sonnenenergie, als Pro-
jektentwickler sowie als Komponenten- und
Subsystemlieferanten in diesem Markt gut
positionieren. Weitere Forschungs- und Entwick-
lungsarbeiten sind notwendig, um den Wett-
bewerbsvorsprung auszubauen und entspre-
chende Lieferanteile abzusichern. Die deutsche
Abbildung 6 werken mit Trockenkühlturm weniger stark mit Forschung ist durch ihren Zugang zur Plata-
Formabweichung eines steigenden Umgebungstemperaturen abnimmt. forma Solar in Almería gut aufgestellt, den
Parabolrinnenkollek- Darüber hinaus werden zurzeit Versuchsanlagen Unternehmen exzellente Entwicklungs-
tors von der idealen erprobt, bei denen das Kühlwasser zwischenge- möglichkeiten zu bieten.
Parabelform (überhöht speichert wird, um den Unterschied zwischen
dargestellt) ermittelt Tag- und Nachttemperaturen ausnutzen zu
mit dem DLR Meßsys- können.
tem OPAL [5] Literatur
Standardisierung und Qualitätssicherung
Die optischen Genauigkeitsanforderungen [1] Franz Trieb (Ed): MED-CSP Concentrating
an konzentrierende Solarsysteme sind sehr Power for the Mediterranean Region, Final
hoch und lassen sich mit den heutzutage in Report, www.dlr.de/tt/med-csp, 2005
der Baubranche verwendeten Methoden zur [2] Franz Trieb (Ed) Trans-CSP Trans Mediterra-
Sicherung der Maßhaltigkeit nicht leicht nean Interconnection for Concentrating
erzielen. Ähnliches gilt für die optischen und Solar Power, Final Report www.dlr.de/tt/
thermischen Eigenschaften von Absorbern trans-csp, 2006
und Reflektoren. Daher sind neue Methoden [3] Gabriel Morin et.al., Road Map towards the
zur Qualitätssicherung zu entwickeln (Beispiel Demonstration of a Linear Fresnel Collector
in Abb.6) und mittelfristig in Richtlinien und using a Single Tube Receiver, 13th Solar-
Standards umzusetzen, um die Systeme zu PACES International Symposium, Sevilla,
vereinfachen und Produkte verschiedener 20.-23. Juni 2006
Hersteller besser optimieren zu können. [4] Pitz-Paal R., et al. Development Steps for
Concentrating Solar Power Technologies
with maximum Impact on Cost Reduction,
Proceedings of ISEC2005 ASME Internatio-
nal Solar Energy Conference, August 6-12,
Orlando, Florida, ISEC2005-76126, 2005.
[5] Pottler, K.; Lüpfert, E.; Johnston, G.; Shortis
M.: Photogrammetry: A Powerful Tool for
Geometric Analysis of Solar Concentrators
and Their Components. J. Solar Energy
Engineering, Vol. 127, February 2005, pp
94-101.
52
01_strom_37_69.indd 52 31.05.2007 12:19:12 UhrJochen Bard • Windkraft, Wasserkraft und Meeresenergie
FVS Themen 2006
Windkraft, Wasserkraft und Meeres-
energie – Technik mit sozialer,
ökologischer und ökonomischer
Akzeptanz
1. Windenergie von 10 % je Verdoppelung der kumulierten Jochen Bard
installierten Leistung ableiten. Hiernach ergibt ISET
Die jährlichen Zuwachsraten der neu installier- sich als Wert für das Jahr 1990 ein spezifischer jbard@iset.uni-kassel.de
ten Windkraftanlagen liegen seit Jahren im zwei- Anlagenpreis von ca. 0,85 €/kWh · a am Refe-
stelligen Bereich. Diese rasante Entwicklung renzstandort. Dieser konnte bis 2004 auf etwa
wurde im Wesentlichen durch Forschungs- und 0,40 €/kWh · a reduziert werden. Dies entspricht
Förderprogramme der Länder und des Bundes, einer Preisreduktion von 53 % innerhalb von
insbesondere jedoch durch wegweisende ge- 15 Jahren bzw. einer Lernrate von 10 % je Ver-
setzgeberische Maßnahmen wie das Strom- doppelungsschritt der installierten Leistung.
einspeisungs-Gesetz (StrEG) und das Erneuer- Die günstigsten Windkraftanlagen in Deutsch-
bare Energien Gesetz (EEG) ermöglicht. land erzeugen Windstrom für etwa 4 ct/kWh.
Ende Juli 2006 waren in Deutschland ca.
17.841 Windenergieanlagen mit zusammen 1.2 Das Wissenschaftliche Mess- und
etwa 19.276 MW Leistung in Betrieb, die etwa Evaluierungsprogramm
6 % des deutschen Strombedarfs decken. Trotz
insgesamt rückläufiger Installationszahlen in Mit dem Ziel, statistisch relevante Erfahrungs-
Deutschland konnten durch eine Erhöhung des werte über den praktischen Einsatz von Wind-
Exportanteils auf etwa 50 % die Fertigungska- energieanlagen in Deutschland zu gewinnen,
pazitäten ausgelastet werden. Von den weltweit fördert das Bundesministerium für Umwelt
6,3 Mrd. Euro Umsatz der Windindustrie im (BMU) den Breitentest „250 MW Wind“. Das
Jahr 2004 wurden 3,15 Mrd. in Deutschland seit 1990 parallel laufende „Wissenschaftliche
erwirtschaftet. Nach Angaben der Fachverbände Mess- und Evaluierungsprogramm“ (WMEP)
waren in 2004 über 60.000 Menschen in der [1] begleitet diese Fördermaßnahme und damit
Windenergiebranche beschäftigt. Damit ist auch den Aufbau der Windenergienutzung in
Deutschland nicht nur wie bereits seit Jahren Deutschland mit wissenschaftlich-technischen
führend in der Anwendung der Windenergie Auswertungen:
sondern auch in der Entwicklung innovativer
Technologien. • meteorologische Bedingungen, denen die
Windenergieanlagen ausgesetzt sind
• Zuverlässigkeit, mit der die Anlagen arbeiten,
1.1 Preisentwicklung bzw. der Störungen, die an den Anlagen
auftreten
Obwohl bei den spezifischen Investitionskosten • Stromerzeugungsbeitrag durch die
der Windenergieanlagen in Bezug auf ihre Nenn- Windenergie
leistung (€/kW) kaum noch weitere Preisreduk- • Kosten für die Bereitstellung der elektrischen
tionen messbar sind, ist der Trend der auf den Energie
Jahresenergieertrag am Referenzstandort bezo-
genen Investitionskosten auch weiterhin fallend. Die bis heute mit den Auswertungen des WMEP
Aus der vom ISET für die Windenergie ermittel- erzielten Erkenntnisse geben Politik, Wissen-
ten Lernkurve kann man eine Preisreduktion schaft und Industrie mit dem jährlich erschei- 53
01_strom_37_69.indd 53 31.05.2007 12:19:19 UhrSie können auch lesen
