Aus der Forschung
Prof. Hans Müller-Steinhagen mit einer Stahlplatte, bei der Sonnenenergie am Standort Koeln in kurzer Zeit ein Loch gebrannt hat. Foto: Thomas Klink
Prof. Dr. Hans Müller-Steinhagen ist Direktor des Instituts für Technische Thermodynamik, DLR. Seine Mitarbeiter haben wichtige Komponenten für moderne Solarthermische Kraftwerke entwickelt und zählen weltweit zu den führenden Experten.
Informationen zur Solarthermischen Forschung am DLR:
www.helmholtz.de/flyer-solarforschung-dlr
Informationen zum Desertec-Projekt:
Lösungen für morgen: Solarthermische Kraftwerke im Sonnengürtel der Erde
Schon Archimedes soll mit gespiegeltem Sonnenlicht eine römische Flotte versenkt haben, jedes Kind kann mit einer Lupe Löcher in Papier brennen. Doch erst seit kurzem gelten solarthermische Kraftwerke zur Stromerzeugung als realistisch. Warum hat es so lange gedauert, bis wir die Energie der Sonne direkt ernten?
Müller-Steinhagen: „Das erste solarthermische Kraftwerk wurde bereits 1912 in Ägypten gebaut. Dann aber wurde das Erdöl als billige Energiequelle entdeckt. Erst die Ölkrise in den 1970er Jahren bewirkte ein Umdenken und Anfang der 1980er Jahre gingen dann die ersten Kraftwerke in Kalifornien ans Netz, übrigens damals auch schon mit deutscher Beteiligung. Diese Kraftwerke liefern heute immer noch zuverlässig eine Leistung von insgesamt 350 MW. Aber dann stürzten die Öl- und Gaspreise wieder in den Keller und Strom aus solarthermischen Kraftwerken war im Vergleich deutlich teurer, so dass es nicht mehr zu weiteren Bauprojekten kam.“
Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt wird seit dreißig Jahren am Thema konzentrierende Solartechnik geforscht, das DLR zählt zu den führenden Forschungsinstituten weltweit. Um die Jahrtausendwende sollten diese Arbeiten jedoch eingestellt werden. Warum?
Müller-Steinhagen: „Es war einfach kein Markt da, die meisten Forschungsgruppen haben aufgehört auf diesem Thema zu arbeiten, genau wie die meisten Firmen. Doch der DLR-Vorstand hat damals beschlossen, diese Forschung aus Eigenmitteln weiter zu führen. Das war sehr weitsichtig. Wir hatten dann 2002 mit dem Vorstand vereinbart, dass wir die Arbeiten noch drei Jahre lang weiterführen, und dass wir radikal Schluss machen, wenn binnen dieser drei Jahre weltweit kein einziges Kraftwerk in den Bau geht. Allerdings haben wir damals schon gewusst, dass in Spanien Verhandlungen über ein Einspeisevergütungsgesetz laufen, das 2003 auch verabschiedet wurde. Und dann sind innerhalb weniger Monate die ersten Bauprojekte angekündigt und dann auch gestartet worden. Aber wenn das DLR nicht 30 Jahre lang geforscht, entwickelt und Ingenieure ausgebildet hätte, wäre die deutsche Industrie heute wahrscheinlich auf diesem Thema nicht relevant. Jetzt ist sie international führend.“
Heute gilt die Solarthermie als eine der ganz großen Hoffnungen für die Energieversorgung der Zukunft, im Desertec-Projekt sollen langfristig 400 Milliarden Euro alleine für die Stromversorgung von Europa investiert werden. Wie kam es zu dieser Wende?
Müller-Steinhagen: „Das ist eine Erfolgsstory der Großforschung, die ja langfristig und strategisch vorgeht – und vor allem auch über die Infrastrukturen verfügt, die für die Erforschung und Entwicklung solcher Großtechnologien notwendig sind. Nur in einem solchen Umfeld ist es möglich, komplexe Technologien zu entwickeln und zu demonstrieren, die eben erst mittel- bis langfristig zum Einsatz kommen werden. Natürlich mussten wir vor acht Jahren - nachdem fast 20 Jahre lang keine neuen solarthermischen Kraftwerke mehr gebaut wurde – auch kritisch diskutieren, ob wir jetzt weiter deutsche Steuergelder für eine schöne Idee ausgeben sollen. Aber die in den letzten Jahren in Betrieb gegangenen solarthermischen Kraftwerke, wie zum Beispiel ANDASOL 1+2, PS10 und PS20 in Spanien, haben gezeigt, wie gut die Technik funktioniert. Und zwar noch deutlich besser als die ersten Kraftwerke in Kalifornien, da ja die Ergebnisse von zwischenzeitlich 20 Jahren Forschung eingeflossen sind. Inzwischen sind weltweit Projekte im Wert von 32 Mrd. Euro in der Planung, es wird überall gebaut, wo es genügend Sonnenschein gibt, zum Beispiel in den USA, in Australien, Ägypten, Algerien, Marokko, Italien, Israel, Abu Dhabi, und möglicherweise China.“
Was sind denn die entscheidenden Neuerungen aus der DLR-Forschung seit den ersten Solarthermischen Kraftwerken in Kalifornien?
Müller-Steinhagen: „Natürlich sind alle Komponenten weiter entwickelt worden, die Spiegel, die Trägerstrukturen, Absorberrohre, die Regelung. Zum Beispiel setzen die neuen solarthermischen Kraftwerke vielfach als zentrale Komponenten Parabolrinnenkollektoren ein, die vom DLR und seinen Projektpartnern entwickelt wurden. Weiterhin hat das DLR optische Verfahren zur Qualitätssicherung beim Bau und beim Betrieb der Kraftwerke entwickelt, die so gefragt sind, dass wir eine Firma namens CSP-Services für diese Dienstleistungen ausgegründet haben. Eine wesentliche Innovation ist, dass einige der neuen Kraftwerke in Spanien riesige Wärmespeicher besitzen und damit auch noch acht Stunden nach Sonnenuntergang Strom erzeugen. Diese vierzehn Meter hohen Tanks mit einem Durchmesser von 36 Metern sind mit Salz gefüllt, das bei 200 Grad flüssig wird und das tagsüber durch zur Stromerzeugung nicht benötigte Solarwärme von 300 Grad auf 400 Grad aufgeheizt wird. Wenn die Sonne nicht scheint, wird das Salz wieder auf 300 Grad abgekühlt und die freiwerdende Wärme zur Erzeugung von Dampf bei hohem Druck und hoher Temperatur, und damit dann zur Stromerzeugung eingesetzt. Auch wenn tagsüber eine Wolke vorüberzieht oder die Nachfrage steigt, weil zum Beispiel alle mittags ihre Klimaanlage einschalten, kann dieser Speicher genutzt werden, um mehr Strom zu erzeugen. Damit kann planbarer Strom geliefert werden, anders als mit Photovoltaik oder Windkraftanlagen. Die derzeitigen Speicherverfahren sind sehr teuer. Das DLR hat alternative Technologien entwickelt, mit denen die anfallende Wärme kostengünstiger oder effizienter gespeichert werden kann. Einige dieser Technologien werden derzeit bereits in Spanien in großen Anlagen erprobt.“
Aufgrund der Arbeiten und Konzepte aus dem DLR sollen nun in der Sahara solarthermische Kraftwerke gebaut werden, die nicht nur die Nachfrage in Nordafrika decken, sondern auch noch Strom nach Europa exportieren können. Gibt es schon Abschätzungen, ob die Spiegel den Sandstürmen standhalten? Und wie sehen die ökologischen Auswirkungen solcher Großkraftwerke aus, zum Beispiel was den Wasserverbrauch betrifft?
Müller-Steinhagen: „90 Prozent der Sahara sind keine Sandwüste, sondern haben felsigen Untergrund. Und an den Spiegeln und Absorberrohren der kalifornischen Kraftwerke, die teilweise seit 25 Jahren in Betrieb sind, finden sich nach unseren Untersuchungen keine Abnutzungserscheinungen. Küstennahe Kraftwerke können mit Wasser gekühlt werden, im Landesinneren bietet sich Luftkühlung an. Am DLR haben wir zu den ökologischen Aspekten so genannte Lebenszyklusanalysen gemacht und bilanziert, welche Ressourcen für die Herstellung der optischen Komponenten und der Stahlgerüste eingesetzt werden müssen. Dabei stellte sich heraus, dass solarthermische Kraftwerke ähnlich wenig ressourcenintensiv sind wie Windkraftwerke. Nach rund einem halben Jahr hat das Kraftwerk die Energie, die für die Herstellung seiner Bauteile und für seine Errichtung benötigt wurde, bereits wieder eingespielt.“
Gibt es noch Spielräume für weitere Verbesserungen bei solarthermischen Kraftwerken?
Müller-Steinhagen: „Ja – und wie! Kohlekraftwerke werden ja schon seit über 150 Jahren gebaut und werden auch heute noch weiter verbessert. Und bei den Solarkraftwerken stehen wir auf der zeitlichen Entwicklungsschiene da, wo wir vor hundert Jahren bei den Kohlekraftwerken waren. Deshalb brauchen wir hier auch immer noch erhebliche Grundlagenforschung, zum Beispiel zu Werkstoffen, optischen Verfahren, Regelungsalgorithmen, Speichertechnologien. Insgesamt forschen zur Zeit etwa 20 Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler des DLR im Rahmen ihrer Doktorarbeiten an solchen Themen. Und an unseren großen Versuchseinrichtungen in Spanien und am Sonnenofen in Köln-Porz können wir diese Ergebnisse dann unter realen Bedingungen austesten. Außerdem begleiten wir die Industrie bei der Umsetzung neuer Ergebnisse in die industrielle Anwendung. Wir haben die nächste Generation von innovativen Technologien vorbereitet, die jetzt von der Industrie weiterentwickelt werden, und wir arbeiten bereits an der übernächsten Generation. Ein ganz spannendes Thema ist zum Beispiel die thermochemische Herstellung von Treibstoffen oder von Wasserstoff mittels hochkonzentrierter Solarstrahlung bei Temperaturen über 1000 Grad. “
Vielen Dank für das Gespräch!
