Solare Energie rund um die Uhr - Concentrated Solar Power | CSP - Deutscher Industrieverband ...
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Concentrated Solar Power | CSP
Solare Energie
rund um die Uhr
GRÜNER STROM
GRÜNE WÄRME
GRÜNER WASSERSTOFF
AUSGABE 2021
Solarturm (CERRO DOMINADOR) Parabolrinne (FICHTNER GMBH & CO. KG) Fresnel-Kollektoren (FRENELL GMBH) Impressum Der Deutsche Industrieverband Herausgeber Concentrated Solar Power (DCSP) Deutscher Industrieverband Concentrated Solar Power (DCSP) Der DCSP setzt sich seit dem Jahr 2013 für die Anschrift Erzeugung und Nutzung von Strom, Wärme und Oranienburger Str. 15 Brennstoffen aus konzentrierenden Solartech- 10178 Berlin nologien ein (engl. CSP = Concentrated Solar Telefon: +49 30 232 56 53 0 Power). Seine Mitglieder decken die gesamte E-Mail: office@deutsche-csp.com CSP-Wertschöpfungskette ab. Diese reicht von www.deutsche-csp.com der Projektentwicklung und -planung, über Inge- Redaktion nieurdienstleistungen, Komponentenlieferungen Juliane Hinsch, Dr. Joachim Krüger, sowie Systemintegration bis hin zum Eigentum Jürgen Hogrefe und Betrieb von solarthermischen Kraftwerken Autor und Forschungseinrichtungen. Ziel des Verban- Jürgen Hogrefe / 1Future.international des ist es, Kräfte und Interessen der deutschen Layout Marktteilnehmer zu bündeln und die internatio- Angela Pelzl, www.apema.de nalen Marktchancen zu erhöhen. Titelbild Parabolrinnenkraftwerk Noor 2 und Solarturmkraftwerk Noor 3, Ouarzazate/ Marokko (Fichtner GmbH & Co. KG) Veröffentlichung Berlin, Mai 2021
Inhalt
04 – 05 CSP: Solarstrom rund um die Uhr
Der Beitrag der konzentrierenden Solarthermie (CSP)
zur globalen Energiewende
06 – 07 CSP – ein Multitalent
Wo solarthermische Energie eingesetzt werden kann
08 – 09 So funktioniert konzentrierende Solarthermie
10 – 11 Der thermische Speicher
CSP-Technologie liefert die Energie der Sonne auch nachts
12 – 13 Hybridkraftwerke
Durch CSP-Technologie kommen mehr Photovoltaik und
Windkraft ins Netz
14 – 15 Grüne Wärme mit CSP
... für Nah- und Fernwärmenetze und für die Industrie
16 – 17 Grüner Wasserstoff – ein Hoffnungsträger
... mit Hilfe von CSP
18 – 25 Der Preis der solarthermischen Energie …
... und ihr wahrer Wert
26 – 27 CSP kann ein Viertel der weltweiten Energie liefern
Die globalen Märkte für solarthermische Energie
28 – 29 Lokale Wertschöpfung
Solarthermische Kraftwerke fördern die Entwicklung in
Anwenderländern
30 – 31 Spitzenprodukte Made in Germany
Das Leistungsspektrum von Industrie und Forschung
04 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
CSP: Solarstrom
rund um die Uhr
Der Beitrag der konzentrierenden
Solarthermie (CSP) zur globalen
Energiewende
Wir stehen vor einer der bedeutendsten Transformationen Die konzentrierende Solarthermie ist eine ausgereifte Tech-
der Industriegeschichte. Die Versorgung von gut acht Milliar- nologie mit einer globalen Erfolgsbilanz von mehr als drei
den Menschen mit Energie, die die Ressourcen schont und Jahrzehnten. Weltweit sind mehr als sechs Gigawatt Leistung
den Klimawandel nicht weiter vorantreibt, ist gegenwärtig aus CSP-Kraftwerken installiert. Sie hat die frühen Entwick-
eine der größten Herausforderungen für Wissenschaft, Poli- lungsstufen einer Solarindustrie längst hinter sich und liefert
CSP: SOLARSTROM RUND UM DIE UHR
tik, Wirtschaft, die Finanzwelt und die Gesellschaft. mittlerweile Energie zu wettbewerbsfähigen Preisen. CSP ist
eine Energiequelle mit einem enormen Potenzial, das bei
Diese Mega-Aufgabe hat die wissenschaftlich-technische und weitem noch nicht ausgeschöpft ist.
unternehmerische Phantasie mobilisiert. Mit Regulierung und
erheblichem finanziellen Aufwand sind Entwicklungspfade er- Die Wärme der konzentrierenden Solarthermie kann
arbeitet worden, die in die richtige Richtung weisen: Energie
ª über Dampfturbinen grünen Strom produzieren und
muss erneuerbar sein.
in die Netze einspeisen
Mit der Bereitstellung von Energie aus Sonne, Wind, Was- ª kostengünstig solare Energie speichern
ser, Geothermie und bioenergenen Stoffen stehen wir global ª grüne Nah- und Fernwärme bereitstellen
jedoch erst ganz am Anfang: Der Anteil der Erneuerbaren
am Verbrauch der Primärenergie beträgt global momentan ª grünen Prozessdampf für die energieintensive
Industrie erzeugen
gerade einmal fünf Prozent. Die Klimavorgaben aus Paris je-
doch erfordern, dass wir in knapp 30 Jahren weltweit unsere ª einen bedeutenden Beitrag für die Produktion von
Energie klimaneutral produzieren müssen. grünem Wasserstoff leisten
Noch wenig bekannt ist, was die konzentrierende solarther- Der bedeutendste Beitrag von CSP-Kraftwerken ist womöglich
mische Energieerzeugung zur Lösung der nationalen wie der die Speicherbarkeit. Dank ihrer Fähigkeit, Wärme in großen
globalen Energie- und Wärmewende beitragen kann. Dabei ist Mengen kostengünstig zu speichern, können CSP-Kraftwer-
die CSP-Energie eine bewährte Lösung zur Dekarbonisierung ke grünen Strom rund um die Uhr liefern. „Clean Power on
der Energiesysteme: dem Ausstieg aus Kohle, Gas und Öl für Demand 24/7“ nannten die Weltbank und die Internationale
den Umstieg auf grünen Strom, grüne Wärme und grüne Käl- Energieagentur IRENA Anfang 2021 eine Studie, die die enor-
te. Sie hat ein großes Potenzial für die Produktion von grünem me Bedeutung der CSP-Technologie für die Energiesysteme
Wasserstoff und ist deswegen ein Hoffnungsträger für nach- hervorhebt.
haltige Brennstoffe in Industrie und im Verkehr.
Mit ihren Speichern kann CSP die globale Energiewende ent-
CSP ist natürliche Energie. Sie sammelt die Energiestrahlen scheidend voranbringen. Sie liefern auch dann grüne Energie,
der Sonne und konzentriert sie auf einen Punkt – daher der wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht. Somit
Name Concentrated Solar Power. CSP sammelt die Wärme kann das Netz, das ein komplexes Energiesystem darstellt,
der Sonne, wobei hohe Temperaturen von bis zu 1000 °C und stabilisiert werden. Die Gefahr von Stromschwankungen und
darüber hinaus entstehen. Stromausfällen wird minimiert.
Clean Power
on Demand
24 / 7
Solnova, Spanien (SIEMENS, 2009)
Die Wärme aus den Speichern von CSP-Kraftwerken ist das Deutsche Wissenschaftler, Unternehmen und Banken sowie
Bindeglied, um kostengünstig und problemlos mehr fluktuie- Institutionen der Bundesregierung haben wesentlich dazu
rende Energie aus Windanlagen und Photovoltaik in das Netz beigetragen, dass deutsches CSP-Know-how weltweit instal-
einzuspeisen. So werden Netze grün. liert ist und in der Forschung wie in der Anwendung weltweit
eine Spitzenstellung einnimmt.
Hybridkraftwerke, die die verschiedenen gängigen erneu-
erbaren Energien kombinieren, stehen vor einer rasanten Diese Spitzenposition kann durch vermehrten Ausbau von
Entwicklung. Multi-Technologie-Lösungen sind der Schlüssel CSP-Anlagen in aller Welt wie auch in Europa und in Deutsch-
zu stabilen grünen Energiesystemen. CSP nimmt dabei eine land erhalten und noch weiter ausgebaut werden.
Schlüsselrolle ein.
Die CSP-Technologie ist auf dem besten Weg, ihre volle
In dieser Darstellung wollen wir das große Potenzial der CSP- Bedeutung für die grünen Energiesysteme der Zukunft zu
Technologie beleuchten: Ihre Technik, ihre Einsatzmöglich- erweisen.
keiten, ihre Marktfähigkeit und ihre Bedeutung für das Klima.
06 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
CSP – ein Multi-Talent
Wo solarthermische Energie
eingesetzt werden kann
Das primäre Produkt von CSP-Anlagen ist Wärme, die durch Die Wärme aus CSP-Kraftwerken kann jedoch auch direkt
die Konzentrierung von Sonnenlicht gewonnen wird. Diese genutzt werden, zum Beispiel als Nah- und Fernwärme
Wärme kann sehr unterschiedlich genutzt werden. für Wärme- oder auch für Kältenetze. CSP-Anlagen können
Wärme auch in hohen Temperaturen als Wärme oder Dampf
Die geläufigste Anwendung ist Strom, der in einem solar- liefern, die für die industrielle Anwendung infrage kommen.
thermischen Kraftwerk erzeugt wird. Ein CSP-Kraftwerk funk-
tioniert wie ein traditionelles Dampfkraftwerk, das heißt, es Auch in den Energiesystemen der Zukunft kann CSP-Energie
produziert Dampf für den Betrieb einer Turbine, die über genutzt werden: zur Herstellung von grünem Wasserstoff
einen Generator Strom erzeugt. und seinen Derivaten durch Lieferung von kostengünsti-
CSP – EIN MULTI-TALENT
gem Strom, wie auch mit Dampf in hohen Temperaturen für
Beim CSP-Kraftwerk werden allerdings die sonst üblichen Ener- die Hochtemperatur-Elektrolyse HTEL zur Abspaltung des
gieträger wie Kohle, Öl oder Gas durch die Energie der Sonne Wasserstoffs.
ersetzt. Die Lichtenergie der Sonne wird in einem Spiegelsys-
tem konzentriert und über Wärmeträger und -wandler in den
Dampfkreislauf eingebracht. So entsteht grüner Strom.
SOLARSTROM RUND UM DIE UHR 07
Anwendungsbeispiele für
konzentrierende Solarthermie
Strom Thermische Nah- und Prozesswärme Wasserstoff
Speicher Fernwärme
ª Solarkraftwerke ª Von 2 MWh bis ª Grüne Wärme für ª Temperaturen ª Günstiger grüner
von 500 kWe bis 1 GWh Nah- und Fern- von 90 bis 430 °C Strom für Elek-
1 GW wärme trolyseure
ª Unterschiedliche ª Für die Industrie:
ª Hybridkraftwerke Technologien ver- ª Temperaturen von Brauereien, Le- ª Beiträge zur
mit PV und Wind fügbar 60 bis 160 °C bensmittelindus- Hochtempera-
trie, Chemie- und tur-Elektrolyse
ª Für grünen ª Nachnutzung von ª Kühlung und
Pharmaindustrie, (HTEL)
Strom Kohlekraftwerken Klimatisierungen
Papierindustrie
von Wohnberei- ª Prozesswärme
CSP – EIN MULTI-TALENT
chen und Gewerbe/ ª Meerwasserent- für Weiterver-
Industrie salzung arbeitung des
Wasserstoffs zu
ª Saisonale Speicher ª Solarthermisch
Produkten wie
verbesserte Öl-
Ammoniak und
rückgewinnung
Methanol
30 MW Fresnelsolarkraftwerk Puerto Errade 2,
Calasparra, Spanien (FRENELL GMBH)
08 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
So funktioniert
konzentrierende
Solarthermie
Die konzentrierende Solarthermie nutzt denselben Rohstoff niedrigen Kosten. Je stärker die Konzentration der Lichtstrah-
wie die Photovoltaik (PV) – das Licht der Sonne. Doch in der len, umso schneller können höhere Temperaturen erreicht
Anwendung und Nutzung sind diese beiden Solartechniken werden. Dadurch steigt der Wirkungsgrad des Prozesses. Je
sehr verschieden. höher dieser ist, desto weniger Kollektorfläche benötigt das
Kraftwerk zur Erzeugung der gewünschten elektrischen oder
Während die PV Sonnenlicht direkt über einen chemisch-mi- Wärmeleistung.
neralischen Umwandlungsprozess in elektrischen Gleich-
strom umwandelt, der über Wechselrichter normalerweise CSP ist High-Tech – und schon seit Jahrzehnten bewährt. CSP-
SO FUNKTIONIERT KONZENTRIERENDE SOLARTHERMIE
direkt in das Stromnetz eingespeist wird, geht man in der Kraftwerke funktionieren zuverlässig in den sonnenreichen
konzentrierenden Solarthermie einen anderen Weg: Hier Ländern rund um den Globus. Wegen der hohen direkten
bündelt man die Lichtstrahlen der Sonne mit Hilfe von Spie- Sonneneinstrahlung tragen sie hier schon in beträchtlichem
geln, die sich nach dem Verlauf der Sonne ausrichten, und Umfang zur Produktion von Strom bei. Das Leistungsvermö-
lenkt die Lichtstrahlen auf einen bestimmten Punkt oder auf gen von CSP-Anlagen erweist sich in der Fähigkeit, die Licht-
eine Brennlinie. Dadurch wird die Lichtenergie effektiv kon- leistung effizient in Wärme umzusetzen. Deshalb kann man
zentriert. Diese Konzentration erzeugt Wärme, wie bei einem hohe Leistungen auch bei niedrigen Umgebungstemperatu-
Brennglas. Daher der Name: Konzentrierende Solarthermie ren erzielen.
(Concentrated Solar Power - kurz: CSP).
Mittlerweile ist die CSP-Technologie so weit vorangeschritten,
Es gibt verschiedene CSP-Techniken. Doch allen ist gemein- dass sie auch zur Produktion von Wärme sowie Prozesswär-
sam, dass sie das Sonnenlicht in Hochtemperatur umwan- me für die Industrie in gemäßigten Klimazonen wie Mittel-
deln. Diese Wärme kann direkt genutzt werden oder über europa eingesetzt werden kann. Hier können ohne Weiteres
Wärmetauscher einen Wasser-Dampf-Kreislauf versorgen, in Bedarfe für Prozesswärme mit Temperaturniveaus von bis
dem mittels Dampfturbinen Strom erzeugt wird. zu 500 °C gedeckt werden.
Die technologische Herausforderung beim CSP-Solarfeld In der Praxis kommen drei verschiedene Techniken
besteht darin, die erforderliche optische Präzision und für die Konzentration der Solarstrahlung zum Einsatz:
gleichzeitige Robustheit gegen Umwelteinflüsse wie Wind Solartürme (1), Parabolrinnen (2) und Linear-Fresnel-
und Temperaturschwankungen zu erreichen - bei möglichst Systeme (3).
1 2 3
Solarturm mit Receiver Absorberrohr Konkav gewölbter Spiegel (Hohlspiegel)
Reflektor
Solarfeldverrohrung
Heliostate Absorberrohr und
Sekundärreflektor
Solarthermische Konzentrationstechnologien
(THE WORLDBANK, IRENA, CLIMATE INVESTMENT FUNDS)
SOLARSTROM RUND UM DIE UHR 09
Solarturm mit Receiver
Wärmespeicher
heißer Tank
Heliostate
Turbine
Stromgenerator
Dampferzeuger
heißes Salz
abgekühltes
Salz
Dampf
Wärmespeicher
kalter Tank
Kondensator
Wasser
Funktionsweise eines solarthermischen Kraftwerks,
SO FUNKTIONIERT KONZENTRIERENDE SOLARTHERMIE
hier gezeigt für ein Solarturmkraftwerk (DLR 2021)
Bei Solarturmkraftwerken lenken Spiegelflächen, die auf Die Absorberrohre sind das Herzstück der Kollektoren: Eine
zwei Achsen dem Verlauf der Sonne folgen, das Sonnenlicht optisch selektiv wirkende Beschichtung auf dem Rohr ab-
auf einen zentralen Strahlungsempfänger (Receiver), der sorbiert das sichtbare Licht und hemmt gleichzeitig die Ab-
hoch auf einem Turm angebracht ist. Ein Medium nimmt strahlung von Wärme. Das Absorberrohr ist von einem etwas
dort die Wärme auf. Als Medium wird üblicherweise flüssi- größeren Glasrohr umgeben, und ähnlich wie bei einer Ther-
ges Salz verwendet. Andere Medien mit bislang geringerer moskanne gibt es zwischen den beiden Rohren ein Vakuum.
kommerzieller Bedeutung sind Luft, Wasser und Thermoöle. Dadurch werden die Wärmeverluste durch Abstrahlung er-
Das Medium transportiert die Energie der Sonnenstrahlung in heblich reduziert.
den Wärmespeicher und weiter zum Kraftwerkskreislauf. Die
Spiegelflächen, auch Heliostate genannt, sind bis zu 200 Qua- Die Kollektoren sind bis zu sieben Meter breit und bis zu
dratmeter groß. In kommerziellen Kraftwerken sind mehrere 200 Meter lang. Die heute kommerziell eingesetzten Thermo-
tausend Stück davon im Halbkreis oder kreisförmig auf den öle in den Receivern erlauben eine Betriebstemperatur bis
Solarturm ausgerichtet. Ihre starke Strahlungskonzentration 430 °C. Es werden zurzeit neue Medien erforscht und erprobt,
erzeugt am Receiver Oberflächentemperaturen, die das Wär- die schadlos höhere Temperaturen aufnehmen können, z. B.
meträgermedium auf rund 600 °C erwärmen. Flüssigsalze mit bis zu 600 °C Betriebstemperatur.
Parabolrinnenkraftwerke wurden bisher kommerziell am Fresnel-Kollektoren funktionieren ähnlich wie Parabolrin-
häufigsten realisiert. Parabolisch geformte Spiegelrinnen, nen. Der konzentrierende Spiegel ist hierbei jedoch in lang-
auch Kollektoren genannt, werden hier auf einer Achse mit gestreckte, einzelne Facetten zerlegt, die sich ebenfalls nach
Hilfe hydraulischer Antriebe dem Lauf der Sonne nachge- dem Stand der Sonne richten. Sie befinden sich in einigem
führt. Sie fokussieren die Lichtstrahlen im Brennpunkt der Abstand horizontal angeordnet über dem Boden. Das Ab-
Spiegelrinne auf ein Absorberrohr, das im Abstand des hal- sorberrohr ist oberhalb der Spiegel angebracht. Die Gestelle,
ben Spiegelradius längs durch die Rinne verläuft. Die Energie von denen sie gehalten werden, sind ortsfest installiert. Diese
aller einfallenden Lichtstrahlen vereinigt sich in dieser Brenn- Bauart ist sehr robust und kann deshalb hohen Windlasten
linie, wodurch die Lichtenergie effektiv konzentriert wird. In widerstehen; außerdem sind kleine Bauweisen möglich, was
diesem Absorberrohr nimmt ein spezielles Thermoöl oder auch die Aufstellung auf Flachdächern erlaubt. Die spezielle
ein Fluid aus anderem Material die Wärme auf. Ein Pumpen- Kollektorgeometrie zieht einen geringeren optischen Wir-
system leitet die hoch erhitzten Fluide in den Wärmetauscher, kungsgrad nach sich, der aber durch niedrigere Kollektor-
der an einen Wasser-Dampfkreislauf angeschlossen ist. kosten kompensiert wird.
10 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
Der thermische Speicher
Speicher Andasol 3, Spanien, Eigentümer
Marquesado Solar (CSP SERVICES GMBH)SOLARSTROM RUND UM DIE UHR 11
CSP-Technologie liefert die Energie
der Sonne auch nachts
Eine wichtige Komponente solarthermischer Kraftwerke ist Heute werden im kommerziellen Betrieb üblicherweise Flüs-
der integrierte thermische Speicher. CSP ist in der Lage, sigsalzspeicher verwendet (auch Salzschmelzen genannt). Sie
Energie aus der Sonnenstrahlung zunächst in thermische bestehen aus zwei Tanks mit jeweils einem heißen und einem
Energie umzuwandeln. Diese Wärme kann man, je nach ge- kalten Temperaturniveau. Beim sogenannten Beladeprozess
nutztem Wärmetransfermedium (Heat Transfer Fluid HTF) wird das Flüssigsalz mit ca. 290 - 300 °C aus dem kälteren
entweder speichern oder auch direkt zur Wärme- oder Strom- Tank gepumpt und dann entweder direkt im Receiver von
erzeugung nutzbar machen. Die thermische Energiespeiche- der konzentrierten Sonnenstrahlung oder indirekt über einen
rung ermöglicht damit eine Nutzung der Sonneneinstrahlung anderen Wärmeübertrager erhitzt. Die Wärme wird danach
an 24 Stunden am Tag. CSP lässt gleichsam die Sonne auch in den heißen Tank geleitet. Beim Entladeprozess bzw. der
nachts scheinen. Die Wärme der Sonne macht’s möglich. Wärmeentnahme wird Flüssigsalz aus dem heißen Tank ge-
pumpt, und gibt die Wärme mittels eines Wärmeübertragers
Solarthermische Kraftwerke setzen auf die Speicherung des direkt oder indirekt an einen Damferzeugungsprozess ab,
Zwischenprodukts Wärme und nicht des Endprodukts Strom. wobei es wieder gekühlt und dann in den kalten Tank ge-
Während der Transport von Wärme über längere Entfernun- leitet wird. Bei Be- und Entladeprozessen verschieben sich
gen und größere Zeiträume teurer und komplizierter ist als somit die Füllstände der beiden Tanks wie in korrespondie-
der Transport von Elektrizität, gilt für die Speicherung von renden Gefäßen. Es muss im technischen Betrieb stets darauf
Wärme das Gegenteil. geachtet werden, dass eine Mindesttemperatur des Salzes
nicht unterschritten wird, damit das Gemisch nicht wieder
DER THERMISCHE SPEICHER
Beim Einsatz von großen Speichern, die über einen langen kristallisiert. Abhängig vom eingesetzten Salz sind Arbeits-
Zeitraum eine feste Leistung liefern können, ergibt sich eine temperaturen bis 565 °C möglich.
bessere Wirtschaftlichkeit für Wärmespeicher. Damit er-
möglicht die Speicherung von Wärme mit CSP-Technologie in Zur Stromerzeugung wird der Dampferzeuger mit Wärme-
sonnenreichen Gebieten bereits heute einen Strompreis in energie versorgt, die entweder direkt aus dem Solar-Receiver
der Größenordnung von konventionellen Kraftwerken oder oder aus dem Speicher kommt. Der mit der Wärme erzeugte
darunter. Dampf treibt dann einen klassischen Dampfturbinenprozess
an. Die Dampfturbinen, die in Solarkraftwerken zum Einsatz
IRENA und Weltbank haben 2021 in ihrer Studie festgehalten, kommen, lassen sich sehr flexibel betreiben und können so
dass die Stromerzeugung mit konzentrierenden solarthermi- der Nachfrage ideal folgen.
schen Anlagen und Wärmespeichern mit einer Kapazität von
mehr als vier (Volllast-)Stunden günstiger ist als die Strom- Die im kommerziellen Betrieb laufenden Anlagen verfügen
erzeugung aus PV mit der Speicherung von Strom in Batte- bereits heute über Speicherkapazitäten zwischen sechs und
rie-Systemen. Dieser Vorteil der CSP kann je nach Standort 15 Volllaststunden. Damit kann ein Betrieb rund um die Uhr
mit höherer Sonneneinstrahlung auch schon bei kleineren oder gezielt zu Spitzenbedarfszeiten erfolgen. Der thermi-
Speichergrößen erreicht werden, das heißt bei weniger als sche Speicher erlaubt die Verschiebung von Energiemengen
vier (Volllast-) Stunden. Es ist zu erwarten, dass sich Batte- über einen oder gegebenenfalls auch mehrere Tage hinweg.
riespeicher durch Kostensenkungen langfristig dem Kosten- Da die Stromerzeugung flexibel an die Nachfrage angepasst
vorteil der CSP-Speicher annähern. Deswegen wird sich der werden kann, gehören solarthermische Kraftwerke zu den
Vorteil der thermischen Speicher mit der Zeit hin zu größeren regelbaren Kraftwerken. Sie sind grundlastfähig, weil sie
Speichern verschieben. in der Lage sind, eine berechenbare Menge Strom zuverläs-
sig über einen langen Zeitraum in ein Energiesystem wie die
Die thermischen Speicher auf Basis von Flüssigsalz sind Be- Netze einzuspeisen.
hälter (Tanks) mit bis zu 40 Metern Durchmesser und 15 Me-
tern Höhe. Sie sind mit einem Gemisch aus Kaliumnitrat und Obwohl CSP-Speichertechnologie seit langem bewährt und
Natriumnitrat befüllt, das ab 250 °C flüssig wird. Die Tanks mit schon jetzt zuverlässig ist, sind durch Forschung sowie ver-
den geschmolzenen Salzen werden genutzt, um die Wärme mehrten Einsatz und Massenproduktion noch Entwicklungs-
aus den Solar-Kollektoren und Receivern aufzunehmen und sprünge zu erwarten. Diese können zu einer weiteren Kos-
zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. tenreduzierung führen.12 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
Hybridkraftwerke
Durch CSP-Technologie kommen
mehr Photovoltaik und Windkraft
Für Kopplung in sogenannten Hybrid-Anlagen sprechen
ans Netz eine Reihe von Gründen.
Der indirekte Weg, die Solarstrahlung zunächst in Wärme- Werden CSP-Kraftwerke mit Photovoltaik-Feldern kombi-
energie und erst dann in elektrische Energie umzuwandeln, niert, so können die spezifischen Stromgestehungskosten
erscheint umständlich im Vergleich zu PV-Solarzellen, die (LCOE) für die CSP-Anlage erheblich reduziert werden. Das
das Sonnenlicht sofort in Strom umwandeln. Tatsächlich CSP-Kraftwerk kann dieselbe Turbine betreiben, aber sein
liegt aber gerade darin einer der Vorzüge solarthermischer Solarfeld kann kleiner und diverse Nebenanlagen geringer
Kraftwerke und ein enormer Wert für zukünftige Ener- dimensioniert werden, da die PV-Module die Lastspitzen im
giesysteme ohne fossile Brennstoffe: Wärme lässt sich Netz kostengünstiger bedienen können. Zugleich kann der
einfacher und kostengünstiger speichern als Strom. Über überschüssige Strom aus PV-Modulen zur Temperierung der
ihre kostengünstigen, direkt im Kraftwerk integrierten Wär- Salzspeicher verwendet werden.
mespeicher können CSP-Anlagen grünen Strom auch dann
liefern, wenn Photovoltaik und Windkraft nicht liefern, bei- PV und CSP können sich auch die allgemeinen Versorgungs-
spielsweise nachts und bei Windstille. einrichtungen und Infrastruktur teilen, die ein Solarpark be-
nötigt: Leitungsanbindung, Telekommunikation, Verwaltung,
HYBRIDKRAFTWERKE
In der europäischen wie der globalen Energiewende insge- Sicherheit, Verwaltungsgebäude und Wartung der techni-
samt wird in Zukunft die Komplementarität der verschiede- schen Anlagen. Das gleiche gilt grundsätzlich auch für Wind-
nen erneuerbaren Energieproduktionsformen eine größere kraftparks. Die Investitionskosten sinken dadurch signifikant.
Rolle spielen. Gerade in der Kopplung unterschiedlicher er-
neuerbarer Energien wird sich ihr Vorteil umso mehr erwei- Wenn Erzeuger erneuerbarer Energien wie PV- oder Wind-
sen – sowohl in Bezug auf die ökonomische als auch auf die anlagen keinen Strom liefern können (zum Beispiel in Teillast
ökologische Bilanz. oder in den sogenannten Dunkelflauten), verlagern sie die
Aufgabe der Netzstabilisierung gegenwärtig meist auf andere
Unlängst haben die Weltbank und die Internationale Energie- Kraftwerke, die überwiegend fossil betrieben sind. CSP-Kraft-
agentur IRENA festgestellt, dass solarthermische Kraftwerke werke können in solchen Zeiten diese Netzdienstleistung mit
gekoppelt mit PV oder Windkraftanlagen eine zunehmend abdecken. So können fossile Kraftwerke durch CSP ersetzt
bedeutende Rolle beim globalen Ausbau der erneuerbaren und dadurch Treibhausgase kostengünstig reduziert oder
Energien zuteilwerden wird. Das gilt insbesondere für die ganz vermieden werden.
Stromproduktion in den sonnenreichen Ländern.
Funktionsweise eines integrierten CSP-PV-Hybridkraftwerks
Photovoltaik-Feld
(TSK FLAGSOL ENGINEERING GMBH)
Stromnetz
Parabolrinnenfeld Dampf, 540 °C
Elektrische Heizung
(Aufladen und/oder
Dampf- G
Überhitzung) turbine
Luft Luft
Ventilator Luftgekühlter
Kondensator
Luft
Kalter Heißer
Salztank SalztankSOLARSTROM RUND UM DIE UHR 13
CSP-PV-Hybridkraftwerk (co-located) Cerro Dominador,
Maria Elena, Chile (CERRO DOMINADOR)
Die Speicherung von Energiemengen und die damit verbunde- Dazu kommt die klimapolitische Bedeutung von CSP-Techno-
HYBRIDKRAFTWERKE
ne Regelbarkeit von CSP-Anlagen ermöglicht den Ausgleich logie für die europäische und deutsche Wasserstoffstrategie
von fluktuierenden Energien und sichert die erforderliche und für die Bereitstellung für Wärme für Fernwärmenetze. Sie
Spannung im Netz. Diese Fähigkeit zur Netzstabilisierung wird hier gesondert auf den Seiten 14 -15 behandelt.
ist eine zentrale Eigenschaft solarthermischer Kraftwerke.
Sie macht den Wert dieses Anlagentyps für ein zukünftiges
System zur Produktion von grünem Strom aus.
DIE ZUKUNFT DER KOMBI-SYSTEME
HAT SCHON BEGONNEN
Ein Hybrid-Kraftwerk mit großer Leistung entsteht bald in Der Solarkomplex DEWA IV ist mit 950 MW nicht nur das
Marokko. Das Kraftwerk NOOR Midelt in Marokko soll CSP größte Kraftwerksprojekt für erneuerbare Energien welt-
und PV für eine installierte Gesamtleistung von 800 MW weit bei einer Investitionssumme von 4,2 Mrd. US-Dollar.
kombinieren. Das Projekt DEWA „Mohammed bin Rashid Al Er ist Bestandteil eines großen Solarkomplexes von ins-
Makhtoum Solar Park Phase IV” in Dubai, das 2022 in Be- gesamt fünf GW. Dabei wird auch der bisher geringste
trieb gehen soll, kombiniert 700 MW CSP mit 250 MW PV. Strompreis für ein CSP-Kraftwerk benannt: Der Vertrag für
Als CSP-Technologien werden ein Solarturm mit 100 MW den Strom sieht einen Abnahmepreis von 0,073 US-Dol-
Leistung und einem thermischen Speicher von 15 Stunden lar pro kWh vor. Dieser gilt für eine Laufzeit von 35 Jahren.
Kapazität sowie drei CSP-Parabolrinnenkraftwerke einge-
setzt. Letztere verfügen über eine Leistung von je 200 MW Zu dieser erheblichen Vergünstigung des CSP-Strompreises
und Speicher mit einer Kapazität von jeweils 12,5 Stunden. haben in den zurückliegenden Jahren wesentlich die rapide
Technisch ist dies kein eigentliches Hybridkraftwerk, son- gesunkenen Gestehungskosten für CSP beigetragen (siehe
dern eine Addition unterschiedlicher Technologien. Das In- Kapitel Preise S. 18-25).
teressante daran ist jedoch, dass hier die CSP-Kraftwerke
für die Spitzenlast im Netz sorgen, die in den Abendstunden
liegt – nach Sonnenuntergang, wenn PV nicht liefern kann.14 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
Grüne Wärme mit CSP
... für Nah- und Fernwärmenetze
und für die Industrie temperatur. In dieser Spanne können CSP-Anlagen selbst in
Deutschland grüne Prozesswärme sowie Nah- und Fernwär-
me bereitstellen.
Die Umstellung auf grüne, also erneuerbar hergestellte Wär-
me ist einer der noch am wenigsten durchdrungenen und Nah- und Fernwärme
durchgeplanten Sektoren der Energiepolitik. Dabei ist der
Handlungsbedarf enorm. Die Betreiber von deutschen Fernwärmenetzen stellten im
Jahr 2017 rund 161 TWh Wärme zur Verfügung, fast aus-
Im Industrieland Deutschland hat die Industrie einen Anteil schließlich aus fossiler Erzeugung. CSP-Solarkollektoren kön-
von 29 Prozent am Endenergieverbrauch. Der weit überwie- nen – hierzulande errichtet und betrieben – künftig einen
gende Teil davon, fast 75 Prozent wird als sogenannte Pro- erheblichen Beitrag zur Deckung dieses Bedarfs an Warm-
zesswärme in den höheren Temperaturbereichen benötigt. wasser- und Raumwärme liefern.
Faktisch heißt das: Der Verbrauch an Energie für die Bereit-
stellung von Prozesswärme in der Industrie entspricht in etwa Der große Vorteil der konzentrierenden Solarthermie ist bei
dem gesamten deutschen Stromverbrauch. der Wärmeproduktion derselbe wie bei der Stromproduktion:
CSP-Solarkollektoren sammeln die Wärmestrahlung der Son-
Die Bundesregierung hat das Ziel ausgerufen, den Anteil er- ne und konzentrieren sie zu hohen Temperaturen, die eine
neuerbarer Energien am Endenergieverbrauch für Wärme effektive Speicherung erlauben. Die Speicherung führt zu
GRÜNE WÄRME MIT CSP
(Raum-, Kühl- und Prozesswärme sowie Warmwasser) bis einem hohen Deckungsgrad und zu einer saisonal ausgegli-
zum Jahr 2030 auf 30 Prozent zu erhöhen. cheneren Versorgung mit Wärme.
Im globalen Maßstab überstieg der industrielle Wärmeener- Entgegen einer weit verbreiteten Vorstellung funktionieren
giebedarf gar den gesamten weltweiten Stromverbrauch um Parabolrinnen- und Fresnel-Kollektoren auch in sonnenär-
18 Prozent. meren Breitengraden technisch gut und können auch wirt-
schaftlich sinnvoll sein. Das gilt sogar bei vergleichsweise
Der weitaus größte Teil der Wärme wird gegenwärtig noch geringen Betriebstemperaturen ab 60 °C. Mittlerweile haben
mit fossilen Energieträgern erzeugt. Die konzentrierende verschiedene wissenschaftliche Untersuchungen das Poten-
Solarthermie (CSP) kann mit ihren technologischen Möglich- zial von Parabolrinnen-Kollektoren für die Wärme in Deutsch-
keiten zu einem guten Teil zum Gelingen der deutschen und land aufgezeigt. Die positiven Ergebnisse fanden mittlerweile
europäischen Wärmewende beitragen. unter anderem Eingang in die VDI-Richtlinie 3988 „Solarther-
mische Prozesswärme“. VDI-Richtlinien bilden den Stand der
Konzentrierende Kollektorsysteme wie Parabolrinnen und Technik ab und setzen die richtungsweisenden und praxis-
Fresnel-Spiegel produzieren – je nach Konstruktion und Funk- orientierten Standards.
tionsweise – Wärme zwischen 60 und etwa 500 °C Betriebs-
CSP-Kollektoren können bereits heute Wär-
megestehungskosten erreichen, die mit
Industrie
Transport Niedertemperaturwärme denen stationärer Kollektoren vergleichbar
(unter 150 °C)
Wohnraum/-sektor Sieden (kochendes Wasser), sind, wenn die Temperaturen bei 80 °C oder
pasteurisieren, sterilisieren, putzen,
andere 45% Kohle
trocknen, waschen, bleichen, darüber liegen und ein Solarfeld in einer
26% 30% dünsten, marinieren, kochen.
Größe von einigen tausend Quadratmetern
Elektrizität
Mitteltemperaturwärme zum Einsatz kommt. CSP-Kollektoren mit
22% (150 bis 400 °C)
13% Destillieren, Nitrate schmelzen, niedrigeren Anforderungen an Temperatur
74% 74% färben, komprimieren.
32% Wärme 30% Erdgas Wärme
als 80 °C sind schon heute ökonomisch sinn-
=
24% 85 EJ voller, wenn Speicher integriert sind.
48%
15% Öl Hochtemperaturwärme
(über 400 °C)
Materialtransformationsprozesse. Die Wirtschaftlichkeit von CSP-Wärmean-
31% 9% Erneuerbare Energien lagen hat sich sogar noch höher im Norden
1% andere EJ = Exajoule
erwiesen. In Dänemark, einem Land mit
großen kommunalen Wärmenetzen, wurden
Weltweiter Endenergiebedarf nach Sektoren im Jahr 2014 (EPP 2017)SOLARSTROM RUND UM DIE UHR 15
bereits 1,6 Millionen Quadratmeter Kollektorfläche zur Nah- Die Ergebnisse der Untersuchungen für Deutschland und
wärmeversorgung errichtet, oft in Verbindung mit saisona- des Betriebs in Dänemark sind weitgehend übertragbar auf
len Wärmespeichern. Knapp 50.000 Quadratmeter wurden in ganz Mitteleuropa. So produziert ein deutsches Unterneh-
jüngeren Projekten mit CSP-Kollektoren errichtet. men in Belgien mit seinen Parabolspiegeln die Wärme für
Industrieanlagen im Hafen von Antwerpen und Oostende.
Hier hat sich herausgestellt, dass Parabolrinnen-Kollektoren Der solar hergestellte Dampf dient der Temperierung von
ab einer Betriebstemperatur von 50 - 80 °C höhere jährliche Behältnissen eines Lager- und Umschlagsunternehmens für
Wärmeerträge liefern als Flachkollektoren mit der gleichen chemische Produkte. Die klimatischen Bedingungen für CSP-
Kollektorfläche. Bei ähnlichen Investitionskosten weisen kon- Anlagen sind in Südeuropa indes natürlich noch vorteilhafter
zentrierende Kollektoren vergleichbare oder – bei höheren als in Mitteleuropa.
Temperaturen – sogar eine deutlich bessere Wirtschaftlich-
keit auf. In Deutschland wird gegenwärtig der Einsatz von Pa- Prozesswärme für die Industrie
rabolrinnen zur Fernwärmeunterstützung von Stadtwerken
geprüft. Die Anlagen werden dabei jeweils zwischen 10.000 Konzentrierende Kollektorsysteme sind je nach Konstruktion
und 50.000 Quadratmeter Spiegeloberfläche aufweisen und für die Erzeugung von Prozesswärme bis zu einer Betriebstem-
in der Lage sein, die Grundlast im Sommer solar zu erbringen. peratur von 400 °C und darüber hinaus geeignet. Damit kann
CSP-Wärme in weiten Bereichen der Industrie eingesetzt wer-
Anders als bei der Stromerzeugung ist die Erzeugung von den, z. B. in der Lebensmittel-, Textil- und Automobilbranche.
Wärme lokal gebunden, das heißt: nicht über größere Ent-
fernungen wirtschaftlich zu transportieren. Die Nutzung von Vor allem vier energieintensive Branchen nutzen Hoch-
Biomasse ist die einzige thermische Alternative im größeren temperaturwärme im Bereich oberhalb von 400 °C: Eisen
Maßstab. Allerdings benötigt die Biomasse zur Wärmeerzeu- und Stahl, Aluminium, Chemie und Petrochemie, Kalk und
gung mehr als zehnmal so viel Fläche. Dennoch: An geeig- Zement. Solarturmsysteme erzeugen Temperaturen von über
neten Standorten können Solarthermie und Biomasse syn- 1000 °C und können die dafür benötigte Wärme in den jewei-
ergetisch miteinander gekoppelt werden, weil die Biomasse ligen Prozess einbringen – entweder direkt durch konzent-
GRÜNE WÄRME MIT CSP
berechenbar Wärme in Netze einspeisen kann. rierte Strahlung oder über geeignete Wärmeträgermedien.
Die konzentrierende Solarthermie hat gegenüber Flach- Technologien für Anwendungen in diesen Branchen befinden
bett-Kollektoren den Vorzug, dass sie auf einer begrünten sich noch in frühen Entwicklungsstadien. Doch die industrielle
Fläche betrieben werden kann. Pflanzen können unter den Anwendungsphase hat begonnen.
CSP-Kollektoren dauerhaft bestehen und so etwa dem Na-
turschutz dienen, sie bieten auch Raum für Artenvielfalt. In Zypern beispielsweise nutzt ein Unternehmen der Lebens-
Zudem können bei der Umstellung auf CSP-Anlagen beste- mittelindustrie den bis zu 425 °C heißen Dampf aus Solar-
hende Wärmenetze weiterverwendet werden und auch die kollektoren eines deutschen Herstellers unter anderem für
Haustechnik, die auf höhere Temperaturen ausgerichtet die Pasteurisierung von Fruchtsäften. Das in Köln entwickel-
ist, muss nicht komplett ausgewechselt werden. Beides zu- te Kraftwerk reduziert den Schwerölverbrauch des zyprioti-
sammen verringert die Kosten für die Umstellung auf grüne schen Unternehmens um rund 20 Prozent. 150 Tonnen des
Wärme erheblich. Treibhausgases Kohlendioxid bleiben der Atmosphäre so Jahr
für Jahr erspart.
Thermische Kollektoren sind langlebig; Ihre Laufzeit wird
auf 30 Jahre und länger veranschlagt.
Prozesswärme für die chemische Industrie in Oostende, Prozesswärme in der Lebensmittelindustrie,
Belgien (SOLARLITE CSP TECHNOLOGY GMBH) Limassol, Zypern (PROTARGET AG)16 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
Grüner Wasserstoff
– ein Hoffnungsträger
... mit Hilfe von CSP
Der fundamentale Umbau der Energieversorgung erfordert Anlagen für Stromerzeugung und Elektrolyse möglichst rund
mehr als nur die Umstellung auf Elektrifizierung, die CO2-neu- um die Uhr ausgelastet werden.
tral ermöglicht wird. Wir brauchen alternative Energieträger,
die nachhaltig genutzt werden. Hier gilt Wasserstoff (H2) als Diese Voraussetzungen sprechen dafür, dass die konzent-
Schlüsselelement. rierende Solarthermie hier einen ganz wesentlichen Beitrag
leisten kann.
H2 kann aufgrund seines hohen Energiegaehalts und seiner
sauberen Verbrennung nicht nur als Brennstoff in künftigen Solarthermische Kraftwerke bieten in Verbindung mit PV aus-
Energiesystemen fungieren, sondern sogar als zentraler Ener- gezeichnete Möglichkeiten, geringe Stromerzeugungskosten
gievektor, also als Energie- und Materieträger, als Speicher- mit sehr hohen Volllaststunden zu kombinieren. An son-
medium und als Reaktant für die chemische Industrie wie nenreichen Standorten wie beispielsweise im Nahen Osten
auch als Ausgangsstoff für flüssige Brennstoffe. H2 ist hin- sind bei 7000 Volllaststunden Betrieb Erzeugungskosten mit
sichtlich der klimapolitischen Ziele nur sinnvoll, wenn er – zu- CSP in Kombination mit PV deutlich unter 3 €/kg darstellbar.
GRÜNER WASSERSTOFF – EIN HOFFNUNGSTRÄGER
mindest mittelfristig – emissionsfrei produziert werden kann.
PV liefert dabei den Strom während der Sonnenscheinstun-
Zur Produktion von Wasserstoff sind große Mengen Energie den und belädt tagsüber gleichzeitig mit der solarthermischen
erforderlich. Deutschland hat nicht genügend Fläche, um die Anlage den Wärmespeicher. Wenn die Sonne nicht scheint,
Produktion von grünem H2 im eigenen Land zu sichern. Es wird der genutzt, um Strom und gegebenenfalls Wärme für
wären etwa vier- bis sechsmal so viele PV- und Windflächen die Elektrolyse bereitzustellen. Bei derart konstanter Aus-
im Vergleich zu heute nötig, um eine Emissionsminderung um lastung eines Elektrolyseurs sind auch hohe Umwandlungs-
85 Prozent zu erreichen. Deutschland wird auf den Import wirkungsgrade möglich. Zudem wird die zum Transport not-
von grünem Wasserstoff angewiesen sein. wendige Infrastruktur – wie etwa Pipelines – kostengünstiger
zu betreiben sein, wenn die solaren Energieproduktionsfor-
Noch ist H2 um den Faktor zwei bis vier teurer als die fossile men miteinander in Hybridkraftwerken kombiniert werden.
Option. Um Wasserstoff zu einem bedeutenden Faktor von
Energie- und Wärmewende zu machen, muss zu seiner Pro- Auch bei der Elektrolyse selbst können solarthermisch pro-
duktion erneuerbarer Strom zu geringsten Kosten zur Ver- duzierter Strom wie auch die Wärme der CSP-Anlagen von
fügung stehen. Die Umwandlungstechnik und -struktur muss Bedeutung sein. Solarthermische Energie ist besonders ge-
möglichst günstig sein. Technisch ist anzustreben, dass die eignet für die Hochtemperaturelektrolyse (HTEL), die bei
Umwandlungswirkungsgrade möglichst hoch sind und die hohen Betriebstemperaturen von 700 °C bis 1000 °C eine
Chemiewerk mit Solarkraftwerken, Fotomontage (DLR)17
Der Beitrag von CSP zur Wasserstoffproduktion
(MODIFIZIERTE DARSTELLUNG NACH HERBERT SMITH FREEHILLS)
GRÜNER WASSERSTOFF – EIN HOFFNUNGSTRÄGER
deutlich höhere Effizienz in Bezug auf den eingesetzten Strom sinken die Betriebskosten, und die Menge produzierten Was-
erreichen kann: Denn etwa 20 Prozent der Energie können als serstoffs wird größer.
Hochtemperaturwärme in den Elektrolyse-Prozess zugeführt
werden. Ein Doppelnutzen der Solarthermie, der noch große Bei der Weiterverarbeitung des Wasserstoffs zu Produkten
Bedeutung erlangen kann. wie Ammoniak und Methanol (zur Erleichterung der Speicher-
und Transportlogistik) kann der Einsatz der konzentrierenden
Die HTEL steht erst am Beginn ihrer industriellen Entwicklung, Solarthermie zur Prozesswärmebereitstellung ebenfalls zu
bislang sind nur einige Pilotanlagen in Betrieb. Es wird je- einer Kostenreduktion beitragen.
doch erwartet, dass die Investitionskosten für HTEL-Anlagen
deutlich unter denen der heute gebräuchlichen alkalischen Allen grünen Technologien – bei der Stromerzeugung wie bei
Elektrolyse-Anlagen (AEL) liegen werden, die ohnehin einige der Elektrolyse – ist allerdings eigen, dass sie bei der Preis-
technologische Nachteile aufweisen. So sinkt im Teillastbe- bildung mit den vergleichsweisen günstigen Kosten fossiler
trieb die erreichbare Gasreinheit und es treten Degradati- Energieträger konkurrieren. Es müssen die Transport- und
onsprobleme auf. Verschleiß und Reparaturkosten sind die Logistikkosten eingerechnet werden. Erst bei der Abnahme
Folge. Außerdem benötigt die AEL bislang eine relativ lange großer Mengen Wasserstoff wird sich der Transport rechnen.
Kaltstartzeit von etwa 50 Minuten. Das macht sie für unregel-
mäßig eingespeiste Energie relativ ungeeignet. Auch wegen der geografischen Nähe und entsprechend güns-
tiger Transportkosten sind die Länder des Nahen Ostens als
Die Wasserstoff-Erzeugungskosten können weiter gesenkt Standort zur Herstellung von grünem Wasserstoff eine wich-
werden, wenn die HTEL-Technologie mit anderen Systemen tige Option – wie auch die Länder Südeuropas und hier ins-
wie der PEM-Analyse gekoppelt wird. Die PEM (Protonen-Aus- besondere Spanien und Italien.
tausch-Membran-Elektrolyse) ist eine recht junge Technolo-
gie, die besonders geeignet ist für fluktuierenden erneuerba- Die deutsche Bundesregierung hat angekündigt, bei den
ren Strom wie Wind oder PV. Sie verfügt allerdings über etwas Wasserstoff-Technologien auch international eine Techno-
geringere Wirkungsgrade als bewährte Systeme, außerdem logie-Führerschaft zu übernehmen. Schon jetzt sind deutsche
benötigt sie das seltene Metall Iridium für ihre Elektroden. Unternehmen in diesem Sektor international gut aufgestellt.
Mit seinem signifikanten Beitrag zur grünen Strom- wie zur
Mit CSP-Technologie kann Hochtemperaturwärme zwischen grünen Wärmeproduktion in internationalen Märkten liefert
200 °C und 800 °C zur Verfügung gestellt werden, die in CSP- die CSP-Technologie wichtige Beiträge, um diesen Anspruch
Anlagen kostengünstig produziert wird. Durch Kopplung zu realisieren.18 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
Der Preis der
solarthermischen Energie ...
... und ihr wahrer Wert
Noch vor wenigen Jahren waren erneuerbare Energien er- Kraftwerke auf der Basis erneuerbarer Energien produzieren
heblich teurer als die Energie, die mithilfe fossiler Energie- den Strom billiger als es mit der neuesten Technologie auf
träger wie Gas, Kohle und Öl produziert wurde. Deswegen Kohle-Basis möglich gewesen wäre.
haben Regierungen weltweit unterschiedliche unterstützen-
de Maßnahmen ergriffen, um erneuerbare Energien in die Bei Wind und bei PV hat sich diese Trendwende schon vor
Energiesysteme und in die Märkte zu bringen. Mittlerweile einiger Zeit ergeben. Die CSP-Technologie hat in jüngster Zeit
hat sich vielerorts die Situation gewandelt. Erneuerbare sind erheblich aufgeholt. Dies gilt für die Preise bei der Strom-
DER PREIS DER SOLARTHERMISCHEN ENERGIE ... UND IHR WAHRER WERT
in vielen Ländern nicht nur wegen Ihrer Bedeutung für das produktion wie auch bei der Produktion von Wärme für die
Klima, sondern auch unter wirtschaftlichen Aspekten oft die direkte Anwendung in Wärmenetzen und in der Industrie für
bessere Wahl. Die Tendenz ist klar: 56 Prozent aller großen Prozesswärme.
Strom
Die Internationale Energieagentur IRENA hatte bereits in einer Studie 2020 festgestellt, dass der Strom aus CSP-Anlagen in den
zurückliegenden zehn Jahren erheblich gesunken ist. In ihrer jüngsten Erhebung kamen IRENA und Weltbank zu dem Ergebnis,
dass die Preise von CSP-Kraftwerken pro geleistete Kilowattstunde (kWh) in sonnenreichen Regionen heute etwa im Bereich von
konventionellen Kraftwerken liegen.
PV-STROM CSP-STROM WINDSTROM (FESTLAND) WINDSTROM (OFFSHORE)
0,4
2019 US-DOLLAR/KILOWATTSTUNDE
0,378
0,346
0,3
0,259
FOSSILER BRENNSTOFFE
0,2
0,182
KOSTENSPANNE
0,161
0,1 0,086
0,082
0,039 0,075 0,043
0,0
2010
2015
2021
2010
2015
2021
2010
2015
2021
2010
2015
2020
2023
Auktionspreise/Stromabnahmepreise berechnete Stromgestehungskosten
Kostenentwicklung regenerativer Energieerzeugung seit 2010.
Die grau schattierte Fläche zeigt die Bandbreite der Kosten fossiler Energieerzeugung (IRENA 2020)
Kostenentwicklung regenerativer Energieerzeugung seit 2010. Die grau schattierte Fläche zeigt die Bandbreite der Kosten fossiler Energieerzeugung.
(IRENA 2020: Renewable Power Generation Costs)SOLARSTROM RUND UM DIE UHR 19
Die Entwicklung lief dabei durchaus sprunghaft. Wurde für etwa PV und Wind nicht haben. Fluktuierend in das System
eine kWh in einem spanischen Solarkraftwerk im Jahre 2012 eingespeister Strom erfordert eine Reserve an Stromerzeu-
im Rahmen eines Einspeisetarifs noch 0,40 US-Dollar gezahlt, gungskapazität (back-up-capacity), die in die Gestehungskos-
so liefert das 950 MW CSP/PV-Kraftwerk DEWA in Dubai den ten mit eingerechnet werden müssten. Genau diese Leistung
Strom demnächst für 0,073 US-Dollar pro kWh. Es wird er- – die Stabilisierung der Netze oder Energiesysteme – schafft
wartet, dass die Preise weiter rasant fallen werden. die solarthermische Technologie – und zwar mit grüner Ener-
gie. Insoweit unterscheidet sich der Preis der Kilowattstunde
Das liegt unter anderem daran, dass mit dem Aufwuchs von vom Wert der Kilowattstunde.
CSP-Anlagen der übliche Skalierungseffekt eintritt, der auch
bei PV zu beobachten war, als die installierte Kapazität welt- Ein interessanter und hilfreicher Kostenvergleich ergibt sich,
weit um ein Vielfaches gestiegen ist: Von 41 GW in 2010 auf wenn man die Gestehungskosten für PV und Windanlagen
580 GW in 2019. In diesem Zeitraum sind die PV–Gestehungs- mit Batteriespeicherung mit denen von CSP-Kraftwerken mit
kosten etwa auf ein Zehntel des Preises gefallen. Mit ver- integriertem thermischem Speicher vergleicht. Die Berech-
mehrtem Bau von Anlagen wird ein ähnlicher Skaleneffekt nung ist nicht einfach und hängt sehr von den Standortfak-
auch bei CSP zu beobachten sein. toren und dem eingesetzten Material ab.
Gleichzeitig wird in deutschen und europäischen Forschungs- Die internationale Energieagentur IRENA hat ermittelt, dass
einrichtungen mit Hochdruck an Innovationen geforscht, die 2019 die Stromgestehungskosten für PV-Strom aus einer Li-
ebenfalls zu Kostenreduktionen führen werden. thium-Ionen-Batterie mit vier Stunden Entladedauer bei circa
DER PREIS DER SOLARTHERMISCHEN ENERGIE ... UND IHR WAHRER WERT
0,2 US-Dollar für eine kWh Strom liegen. Für Strom aus solar-
thermischen Kraftwerken berechnete IRENA für das gleiche
Jahr durchschnittliche Strom- Gestehungskosten in Höhe von
Die Integration von CSP-Kraftwerken 0,182 US-Dollar pro Kilowattstunde.
ermöglicht eine zuverlässige
Generell gilt, dass große thermische Speicherkapazitäten den
Energieversorgung ausschließlich Strompreis tendenziell sinken lassen. Das gilt umso mehr,
auf erneuerbarer Grundlage zu wenn CSP mit Wind oder PV kombiniert wird und den Strom
aus Hybridkraftwerken liefern, die keine weitere – womöglich
wettbewerbsfähigen Preisen
fossile – Reservekapazität benötigen.
Die erforderliche solare Direktstrahlung vorausgesetzt, sind
Derartige Potenziale durch Innovation, die zu sprunghaften thermische Speicher in einem zukünftigen, treibhausgasneut-
Kostenreduktionen führen können, sind bei PV nicht mehr zu ralen Energiesystem eine wichtige Ergänzung zu den volatilen
erwarten, weil die Technologie als reif gilt. PV- und Windanlagen, die nur am Tag beziehungsweise bei
guten Windverhältnissen preisgünstiger sind.
Die Art und Weise, wie die Kosten für Solarstrom berechnet
werden, müssen indes genauer betrachtet werden. Denn
es gibt Berechnungsmethoden, die Gestehungskosten des THERMISCHER SPEICHER ODER BATTERIE?
Stroms ermitteln, aber den Wert der bereitgestellten Energie
nicht wirklich erfassen. Mehrere wissenschaftliche Studien aus jüngerer
Zeit haben festgehalten, dass CSP-Kraftwerke
Sinnvollerweise muss es – auch aus Gründen des Kosten- tendenziell mit immer größeren thermischen Spei-
vergleichs – eine gemeinsame Berechnungsgrundlage für chern ausgerüstet werden, weil die Integration von
den Strompreis geben. Der übliche Vergleichsmaßstab sind thermischen Speichern die Kosten pro erzeugte
die kalkulierten Stromgestehungskosten, englisch Levelized Kilowattstunde senken. IRENA und Weltbank wie
Cost of Energy (LCOE) pro Kilowattstunde. Die LCOE reichen auch ein Forschungsverbund rund um das Institu-
jedoch zur realen Bewertung des produzierten Stroms im te for Advanced Sustainable Studies IASS in Pots-
Energiesystem nicht aus. Unter anderem, weil nicht die Kos- dam stellen fest, dass Batteriespeicher unterhalb
ten über die gesamte Laufzeit einer Anlage eingerechnet wer- einer Speicherzeit von zwei Stunden die bessere
den, die ja immer auch die Betriebs- und Verschleißkosten Option darstellen, ab vier Stunden Speicherdauer
mit einbeziehen müssen. jedoch solarthermische Speicher die bessere Wahl
sind. In der Zeit zwischen zwei und vier Stunden
Vor allem jedoch ist der LCOE wenig brauchbar, weil er nicht Speicherdauer geben jeweils konkrete Standort-
berücksichtigt, dass solarthermische Kraftwerke wegen ihrer faktoren und Umstände den Ausschlag für die zu
integrierten thermischen Speicher regelbaren, erneuerbaren wählende Option.
Strom bereitstellen und somit einen Mehrwert bieten, den20 CSP – CONCENTRATED SOLAR POWER
MAKING THE SUN SHINE AT NIGHT
„Nachhaltige Stromsysteme brauchen erneuerbare und kürzere Speicherzeiten wettbewerbsfähig ist während
regelbare Energie. Solarenergie ist weltweit eine reichlich CSP+TES bei längeren Speicherzeiten wirtschaftliche Vor-
vorhandene Quelle erneuerbarer Energie, die jedoch von teile erzielt (auch gegenüber PV+TES). Die entsprechenden
Natur aus nur tagsüber und vor allem bei klarem Wetter Kipp-Punkte liegen bei 2-3 Stunden (aktuelle Kosten), und
verfügbar ist. Wir vergleichen drei Technologiekonfigura- 4-10 Stunden, wenn Erwartungen über zukünftige Kosten-
tionen, die die in der Lage sind, auch in Zeiten ohne Son- entwicklungen berücksichtigt werden. PV+TES wird nur
nenschein einsatzfähigen Solarstrom zu liefern: Photovol- wettbewerbsfähiger als CSP+TES bei immensen zusätzli-
taik (PV) kombiniert mit Batterie (BESS) oder thermischer chen Kostensenkungen der PV. Es verbleiben also deutliche
Energiespeicherung (TES) und konzentrierende Solarener- Nischen für zwei Technologien: PV+BESS für kurze Speicher-
gie (CSP) mit TES. Bei der Modellierung verschiedener Pe- dauern und CSP+TES für längere Zeiträume.“
rioden ohne Sonnenschein, finden wir, dass PV+BESS für
Aus: „Making the Sun Shine at Night“ (IASS POTSDAM UND ANDERE, 2021)
DER PREIS DER SOLARTHERMISCHEN ENERGIE ... UND IHR WAHRER WERT
Wärme
Die Datenlage für die Preisentwicklung bei solarer Wärme und solarer Prozesswärme (Solar Heat for Industrial Processes, kurz
SHIP) ist im Vergleich zum Strompreis noch sehr spärlich. Die Anwendung steht erst am Beginn ihrer Entwicklung. Gegenwärtig
sind nach Erhebung von IRENA und Solar Payback gerade einmal 786 MW an Kapazität für solare Prozesswärme installiert. Die
meisten Anlagen nutzen Flachbett- oder Vakuum-Röhren-Technologie. Weltweit sind 57 Projekte mit einer installierten Leistung
von 98 MW für eine bewertende Datenlage identifiziert.
Solare Prozesswärme (SHIP) und Raumwärme Fernwärme
Gesamt: 652 Projekte mit insgesamt 128 MW,
davon 203 SHIP mit insgesamt 71 MW
Wärmekapazität (kW)
Wärmekapazität (kW)
100 Fernwärmeprojekte
mit insgesamt 658 MW
Prozesswärme
(flüssig)
Prozesswärme
(Dampf)
Prozesswärme
(Luft)
Zentrales
hoher Solaranteil
Warmwasser
Raumwärme
Raumwärme
Fernwärme
Australien Frankreich Jordanien Spanien USA
Belgien Deutschland Mexiko Schweiz Vietnam
China Griechenland Singapur Thailand
Zypern Indien Südafrika Vereinigte Arabische Emirate
Solar Payback, Datenbank, 2021 (IRENA)SOLARSTROM RUND UM DIE UHR 21
Die Reduktion der Kosten und Preise ist auch hier erheblich: Jahreserträge von Wärmeanlagen mit Parabolrinnen sind
von 2004 - 2020 fielen die Systemkosten für SHIP-Anlagen in ab ca. 80 °C Temperatur mindestens vergleichbar mit ande-
Europa durchschnittlich um 43 Prozent. Noch stärker als die ren Technologien. In Vorstudien, die die Rheinenergie (Stadt-
Systemkosten, nämlich um 58 Prozent, sind die Gestehungs- werke Köln) für ihr Fernwärmenetz angefertigt hat, wurden
kosten (Levelized Cost of Heat, kurz LCOH) für Solarthermie im Vergleich mit stationären Kollektoren die geringsten Wär-
auf 76 US-Dollar pro MWh in 2020 gefallen. megestehungskosten für Parabolrinnen ermittelt.
Die Datenbasis für die Wärme aus konzentrierender Solar- Auch bei hohen Temperaturen über 100 °C kann so solare
thermie ist derweil noch schmaler. Sie liegt – je nach an- Wärme effizient bereitgestellt werden.Deutsche Stadtwerke
gewandter Technologie und Anwendung als Dampf oder beginnen sich für die Technologie zu interessieren, da not-
Heißwasser, etwas oberhalb der Flachbettkollektoren, in wendige Temperaturen durch Parabolrinnen sicher zur Ver-
nicht-OECD-Ländern jedoch darunter. fügung gestellt werden können und die Jahresertragswerte
gut sind.
In Mitteleuropa stehen konzentrierende Systeme zur Wärme-
erzeugung erst ganz am Beginn ihrer Bewährung. Parabolrin- Wie beim Strom, so gilt auch bei der Wärme: CSP-Anlagen
nen-Anlagen eines deutschen Unternehmens in Antwerpen sind im Wärmesektor gut geeignet für die thermische Spei-
und Oostende (Belgien) sind gleichsam Pionieranlagen, die cherung und damit zur Erzielung hoher Deckungsgrade.
Anwender halten sich einstweilen noch zurück. Das liegt of-
DER PREIS DER SOLARTHERMISCHEN ENERGIE ... UND IHR WAHRER WERT
fenbar daran, dass die CSP-Technologie und ihre Vorzüge für Gerade die Parabolrinnen-Technologie hat ein hohes Poten-
die Wärmeproduktion hierzulande noch nicht hinreichend zial für die Dekarbonisierung der Wärmesysteme. Ihre An-
bekannt sind. wendung wäre ein Technologiesprung, der mit einem signi-
fikanten Beitrag zur Erreichung der Klimaziele einhergeht.
Nach ersten Berechnungen und Untersuchungen kommt das
Deutsche Zentrum für Luft- Raumfahrt (DLR) zu der klaren
Aussage, dass konzentrierende Solartechnik für den Einsatz
in unseren Breitengraden gut geeignet ist. Die Wärmege-
stehungskosten (LCOH) hängen danach stark ab von der
Größe des Solarfeldes, der eingesetzten Technologie und der
erforderlichen Betriebstemperatur.
Wärmegestehungskosten LCOH Wetter Potsdam
0,09
0,08
0,07
LCOH in €/kWh
0,06
Parabolrinne 230 €/m²
0,05
Parabolrinne 300 €/m²
0,04
Flachkollektor 200 €/m²
0,03
Flachkollektor 310 €/m²
0,02
Vakuumröhre 350 €/m²
0,01
0
0 50 100 150 200 250
Mittlere Kollektorbetriebstemperatur in °C
Konzentrierende Solarthermie für Wärme in Deutschland (DLR)Sie können auch lesen
