Parabolspiegel-Anlagen Dish-Stirling-Systeme

Parabolspiegel Anlagen (Dish-Stirling-Systeme)

Eine weitere Form der solarthermischen Kraftwerke beinhaltet den Einsatz von Parabol-Spiegeln, die das Sonnenlicht auf (nur) einen Brennpunkt fokussieren und dort Temperaturen bis 800°C erreichen. Dabei wird die Wärme nicht nur zum Betrieb eines Wasser-Dampf-Kreislaufs genutzt, sondern – wie auch überwiegend umgesetzt – zum direkten Antrieb eines Stirlingmotors (s.d.). Diese zweiachsig nachgeführten Systeme sind besonders für den dezentralen Einsatz geeignet (stand-alone-systems) und liegen typischerweise im Leistungsbereich zwischen 5 kW und 50 kW. Für größere Leistungen lassen sich die Systeme zu einer Farm zusammenschalten.

Das südbadische Unternehmen Bomin-Solar von Prof. Hans Kleinwächter in Lörrach-Haagen gilt seit 1970 als Pionier bei der Entwicklung dieses Anlagentyps. Gemeinsam mit seinem Sohn Jürgen (s.o.) erfindet er 1972 ein Vakuumsystem zur Verformung flexibler Spiegeloberflächen, womit eine extreme Preis- und Gewichtsreduzierung gegenüber festen Spiegeln erreicht wird. Diese Folienspiegel aus Hostaflon ET sind kratzfest, und dadurch gegen Hagel- und Sandstürme gefeit, auch ihre Nutzungsdauer von 10 Jahren liegt nicht hinter der konventioneller Glas- oder Metallspiegel zurück. Der zu einer metallisierten Folie verarbeitete Flour-Kunststoff ist chemisch mit Teflon verwandt. Die Folie wird über einen Rahmen aus Faserverbundwerkstoffen gespannt und mittels einer Vakuumpumpe in die gewünschte Parabolform gebracht. Derartige Spiegel weisen einen Wirkungsgrad von 80 % – 90 % auf. Dieses Unterdruck-Verfahren wird inzwischen weltweit bei Metallspiegeln angewandt.

Ab 1982 bietet Bomin-Solar 1 kW – 10 kW Sonnenkraftwerke in Leichtbauweise an (3 m – 10 m Durchmesser). Als Wirkungsgrad werden 70 % genannt, sofern die Abwärme zur Meerwasserentsalzung genutzt wird. Bei diesen Kuppelkraftwerken werden die Reflektoren zum Schutz vor Witterungseinflüssen von einer durchscheinenden Plastikfolie umhüllt, die sich über eine kuppelförmige Stahlkonstruktion spannt. Herzstück der Anlage ist der bereits 1816 erfundene Stirling-Motor, der hier eine Arbeitstemperatur von 600°C – 650°C erreicht, und für den Vater und Sohn Kleinwächter eine magnetische Energieauskopplung entwickeln, um seinen Hauptschwachpunkt – die mangelhafte Abdichtung – zu umgehen: Am unteren Ende des Arbeitskolben brachten sie zwei Magnete an. Diese nehmen zwei weitere, an der Außenwand des Zylinders beweglich montierte Magneten bei jedem Kolbenhub mit. Diese magnetische Kupplung überträgt die Kolbenbewegung nach außen – und der Zylinder selbst, den keine Kolbenstange mehr durchdringen muß, kann als hermetisch abgeschlossener Raum mit einem geschlossenen Gaskreislauf gestaltet werden.

1984 wird ein Prototyp bei Heilbronn vorgestellt, und 1985 folgt nach Tests bei der DFVLR der Bau von zwei Dish-Kraftwerken mit je 17 m Durchmesser und einer Leistung von 50 kW im saudischen Riadh. Dort wird bei einer Receiver-Temperatur von 700°C Wasserstoff als Arbeitsgas für den 4-Zylinder-Stirling-Motor eingesetzt. Die Finanzierung von 3 Mio. $ teilen sich die King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST) und das BMFT, den Bau führt das Ingenieurbüro Schlaich, Bergermann & Partner durch. Bis 1988 werden rund drei Dutzend Patente durch Bomin-Solar angemeldet.

Zur Überbrückung von Ausfallszeiten bzw. für den nächtlichen Betrieb entwickelt die Bomin-Solar außerdem eine Methode der Energiespeicherung, die sich ideal in das vorhandene Konzept einpassen läßt: Das von einem Parabolspiegel gebündelte Licht trifft mit 450°C auf einen mit Magnesiumhydrid gefüllten Behälter, wodurch sich dort der Wasserstoff vom Magnesium trennt und in einen zweiten Behälter fließt, wo er sich mit einer Eisen-Titan-Legierung verbindet. Bei beiden Prozessen wird Wärme frei, die zu Heizzwecken oder zum Betrieb eines Motors genutzt werden kann. Bei Nacht oder bei Bedeckung kehrt sich das Ganze um: Der Wasserstoff verlässt die Eisen-Titan-Legierung und strömt zurück zum Magnesium, wobei sich der zweite Speicher bis auf minus 20°C abkühlt. Und indem im ersten Speicher Wasserstoff und Magnesium wieder miteinander reagieren, entsteht dort Wärme über 450°C, die jetzt den Motor antreiben kann.

Auch in den USA werden leistungsfähige Dish-Systeme entwickelt. Ab 1979 wird auf der Edwards Airforce Base in der Mojave-Wüste ein 11 m Dish mit einem Output von 23,5 kW getestet, dessen Reflektor aus 220 einzelnen Spiegelsegmenten besteht. Die sonnennachgeführte Anlage, die von dem Unternehmen United Stirling AB of Sweden geliefert wurde, kann im geschlossenen Wasserstoff- oder Helium-Kreislauf betrieben werden und erreicht am Receiver eine Temperatur von 700°C. Auf dem Foto erkennt man sehr gut den Ort, an dem sich bei einem 25 kW Receiver von Stirling Energy Systems die Sonnestrahlen treffen: es ist der Trichter aus spiralförmig angeordneten Metallröhrchen, welche die Hitze aufnehmen.

Ab 1981 ist ein weiteres System beim Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Betrieb. Die Anlage gibt 250 kW ins Netz des Stromversorgers Southern California Edison ab.

Unter dem Namen Vanguard I existiert bis 1985 außerdem eine 35 kW Anlage der Firma Advanco Corp. mit einem Durchmesser von 11 m. Geplant wird eine 30 MW Anlage für die Southern California Edison, die im Hybridverfahren (Solar/Gas) funktioniert, der Vertrag für diese Vanguard II Anlage wird mit der United Gas Corp. of USA geschlossen.

Eine besonders große Dish-Farm ist die SolarPlant 1 der LaJet Energy Company in Abilene, Texas, die Mitte 1984 mit insgesamt 700 Konzentratoren vom Typ LEC-460 auf der Warner Ranch in der Nähe von Warner Springs, etwa 45 Meilen nordöstlich des kalifornischen San Diego, in Betrieb geht. Damals wurde besonders die kostengünstige Errichtung dieser Farm betont, deren Strom zu jener Zeit nicht teurer war als der aus fossilen oder nuklearen Quellen.

Die Anlage hat eine elektrische Leistung von 4,92 MW, die an die San Diego Gas & Electric (SDG&E) verkauft wird, und besteht aus zwei unterschiedlichen Konzentrator-Feldern: Im ersten Feld wird Dampf mit einer Temperatur von 276°C erzeugt, aus dem anschließend das Wasser abgeschieden und in den Kreislauf zurückgespeist wird. Im zweiten Feld erfolgt dann eine Nacherhitzung auf 371°C und die Weiterleitung zu zwei Turbinen. Von diesen hat die erste eine Leistung von 3,68 MW, während die zweite für 1,24 MW ausgelegt ist und primär beim Hoch- bzw. Herunterfahren der Anlage eingesetzt wird, wenn nicht genug Dampf für den Betrieb der großen Turbine erzeugt wird, bzw. bei einer zu geringen Sonneneinstrahlung, die nicht für den gemeinsamen Betrieb beider Turbinen ausreicht.

Man hatte bereits 1979 mit der Entwicklung der LEC-460 Konzentratoren begonnen und im Laufe der Jahre insgesamt sechs verschiedene Modelle gebaut, bis das Ziels eines hochoptimierten Konzentrators erreicht war. Jeder einzelne LEC-460 besitzt zugunsten schneller Reaktionszeiten und zur Vereinfachung der Gesamtanlagen-Software eine eigene Prozessorsteuerung zur Sonnennachführung. Jeder Konzentrator besteht aus 24 runden Einzelspiegeln aus einer leichten Polymerfolie, deren Wölbung mittels kleiner Vakuumpumpen exakt gesteuert wird. Der Konzentrationsfaktor beträgt 225. Die Edelstahl-Receiver, die alleine durch das Sonnenlicht eine permanente Schwärzung erreichen, sind mit einer Salzschmelze gefüllt, in der sich die wasserführenden Rohre erhitzen. Diese Schmelze wirkt bis zu 30 min. lang auch als Wärmepuffer. Die low-cost Trägerkonstruktion aus Metall und Karbonfasern ist auf eine Massenfertigung zugeschnitten. Im Gegensatz zu den Bauzeiten von 10 – 15 Jahren bei Brennstoff- oder Nuklear-Energieanlagen rechnet man bei einer SolarPlant mit Bauzeiten von nur einem Jahr. Dafür wird die Lebensdauer der Anlage mit 20 – 30 Jahren angegeben, bei einer Amortisationszeit von 10 Jahren. An den Reflektoren müssen die Polymerfolien allerdings schon nach 5 Jahren ausgetauscht werden. Das Gelände der SolarPlant 1 Anlage wird übrigens begrünt, um die lokale Staubfreisetzung zu reduzieren.

Die Entwicklung des LEC-460 Konzentrators und der ganzen Anlage erfolgt ohne öffentliche Förderung und ausschließlich aus privaten Mitteln – nach dem und Bau wird die SolarPlant 1 für 18,65 Mio. $ an die LEC Solar Partners verkauft, eine Gruppe, die durch die Merrill Lynch Capital Markets in New York gebildet wird. Im Vergleich zu der Solar One Rinnenkollektoranlage, bei der mit einem kW-Installationspreis von 14.000 $ gerechnet wird, kostet die SolarPlant 1nur 3.790 $ pro installiertem kW. In einem Angebot von LaJet, das ich 1987 eingeholt habe, wird sogar ein Installationspreis von nur 3.000 $ pro kW angegeben. Es ist völlig unverständlich, daß man später nicht das geringste mehr über diese Pionier-Anlage hört, obwohl bereits 1985 der Plan bestand, mit der Solarplant 2 eine zweite, diesmal sogar 10 MW leistende Anlage zu errichten.

1995 befindet sich außerdem ein 50 kW Parabolspiegel auf dem Testgelände der Sandia National Laboratories. Und ab ca. 2000 arbeiten in den USA drei Konsortien an der Markteinführung.

In Deutschland entwickelt Schlaich, Bergermann & Partner mit sechs weiteren Partner aus Deutschland und Spanien mit EU-Förderung ein fortschrittliches System mit dem Namen EuroDish, bei dem es in erster Linie um eine Kostenreduzierung gegenüber den Vorgängermodellen geht. So wird der 8,5 m durchmessende Konzentrator als dünnwandige Sandwichschale aus glasfaserverstärktem Epoxidharz hergestellt. Außerdem wird die Konzentratorfläche um 25 % größer ausgelegt als für die Nennleistung des Stirlingmotors erforderlich ist. Zwar geht so bei maximaler Einstrahlung ein Teil der Wärme verloren, die durch ein kleines Gebläse an den Receiverrohren abgeführt wird, doch bei mittlerer und geringen Einstrahlung kann der Motor trotzdem mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Im Jahresmittel kann der Ertrag bei Standorten mit nur wenigen Stunden maximaler Einstrahlung um fast 30 % gesteigert werden. Seit 2000 bzw. 2001 werden zwei EuroDish-Prototypen in Almería getestet.

Die Anutech Pty Ltd., kommerzieller Arm der Australian National University, und die Pacific Power and Transfield Pty Ltd. erhalten vom Australian Greenhouse Office einen Betrag von 2 Mio. $, um 18 große dish-Kollektoren auf dem Gelände des Eraring Kraftwerks in der Nähe des Macquarie-Sees in New South Wales zu installieren. Der Gesamtoutput wird 2,3 MW betragen und ins öffentliche Stromnetz geleitet werden.

In der Negev-Wüste betreibt das Ben Gurion National Solar Energy Center zu dieser Zeit den weltgrößten Solar-Parabolspiegel mit einer Reflexionsfläche von 420 m2. Er besteht aus 216 einzeln einstellbaren Dreieckspiegeln, die Licht auf eine nur einen Quadratmeter große Fläche lenken. Der Dish-Konzentrator befindet sich in dem Photon Energy Transformer & Astrophysics Laboratory (PETAL) im israelischen Sde Boqer. Er konzentriert 400 kW Sonnlicht um das 10.000fache.

Seit Januar 2005 betreibt Stirling Energy Systems eine Anlage mit sechs Schüsseln auf dem Testgelände der Sandia National Laboratories in New Mexico, die eine Maximaleffizienz von 29,4 % erreichen – ein neuer Rekord. Das Unternehmen will seine Investitionen durch die hohe produzierte Strommenge wieder hereinholen. Auch sollen die Kosten durch die Massenproduktion der Schüsseln sinken. Die Prototypen im Sandia-Labor kosteten derzeit 150.000 $ pro Stück – in der Wüste in der Nähe von Los Angeles sollen sie dann weniger als 50.000 $ kosteten.

Einer der größten US-amerikanischen Stromversorger mit rund 13 Millionen Kunden, die Southern California Edison (SCE), sowie die Stirling Energy Systems aus Phoenix verkünden im August 2005 den Bau eines Dish-Stirling-Kraftwerks mit 500 MW Leistung rund 110 km nordöstlich von Los Angeles. Eine derartige Anlage kann Strom für 278.000 Häuser liefern. Außerdem besteht die Erweiterungsoption auf 850 MW. Stirling Energy Systems baut innerhalb von 18 Monaten nahe Victorville, Kalifornien, ein 1 MW Testfeld mit 40 Stück seiner Dish-Stirling-Systeme. Innerhalb von vier Jahren soll anschließend ein Kraftwerk mit 20.000 Einheiten entstehen, die eine Fläche von mehr als 1.800 Hektar abdecken. Es wäre dann das erste kommerzielle Kraftwerk dieser Art.

Die SCE gilt schon heute als größter Einkäufer von Strom aus erneuerbaren Energiequellen in den USA. Mehr als 2.500 MW der Energie, die an die Kunden gehen, stammen aus Wind-, Erdwärme-, Solar-, Biomasse- oder Wasser-Kraftwerken. Das sind immerhin rund 18 % der Gesamtenergiemenge, die das Unternehmen verkauft.

Hier folgen nun die Solarturm-Anlagen, bei denen eine Vielzahl an Spiegeln ihre Strahlen bündeln und auf einen zentralen Punkt konzentrieren.