Energie aus der Kraft der Sonne
Text: Dr. Dunja Beck
Über 2.000 Spiegel, mit insgesamt 18.000 Quadratmetern Spiegelfläche, und ein 60 Meter hoher Turm – im östlichen Anschluss des Jülicher Gewerbegebiets Königskamp steht die weltweit einzigartige Anlage: das solarthermische Demonstrations- und Versuchskraftwerk Jülich, der Solarturm.
Baubeginn des solarthermischen Demonstrations- und Versuchskraftwerks Jülich erfolgte am 14. Februar 2008. Beginn der Testbetriebsphase war am 7. Januar 2009 und am 20. August 2009 konnte die Anlage vom Generalunternehmer, der Kraftanlagen München GmbH (KAM), an den Auftraggeber und Betreiber, Stadtwerke Jülich GmbH, übergeben werden. Projektpartner der Stadtwerke Jülich GmbH (SWJ): Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) und Fachhochschule Aachen mit dem Solar-Institut Jülich (SIJ). Ein Großteil der Investitionsmittel bestand aus Fördermitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, des Ministeriums für Wirtschaft, Mittelstand und Energie NRW und des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie. Die elektrische Leistung des Solarturms beträgt 1,5 Megawatt. Die Spiegelfläche ist 18.000 Quadratmeter groß, der Turm 60 Meter hoch. Gesamtkosten: 23,2 Millionen Euro.
Herzstück des Solarturms ist der Strahlungsempfänger, der rund 22 Quadratmeter große Receiver am oberen Ende des Turms. „Der Receiver besteht aus vielen einzelnen quadratischen Absorbern aus einer speziellen porösen Keramik, die sich durch die einfallenden Sonnenstrahlen erhitzen“, erklärt Dr. Mark Schmitz, Abteilungsleiter Regenerative Systeme am Solar-Institut Jülich (SIJ). Das SIJ hat Planung, Bau und Inbetriebnahme des Projekts zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wissenschaftlich begleitet und unterstützt, und setzt die Zusammenarbeit auch weiterhin zur gemeinsamen Weiterentwicklung der Technologie fort.
Ausgerichtet auf den Receiver sind die über 2.000 Spiegel (Heliostate), die dem Lauf der Sonne folgen, sodass das Sonnenlicht jederzeit auf den Receiver reflektiert wird. Die keramischen Absorber-Elemente des Receivers werden von angesaugter Luft durchströmt, so dass diese sich bis auf rund 700°C erhitzt. Mit der erhitzten Luft wird in einem Abhitzekessel überhitzter Dampf erzeugt. Dieser treibt eine Dampfturbine mit 1.500 Kilowatt Leistung an und ein Generator wandelt diese Rotationsenergie in elektrischen Strom um, der dann ins öffentliche Netz eingespeist werden kann. Zusätzlich kann die erhitzte Luft auch einem thermischen Speicher zugeführt werden, der sich über zwei Stockwerke des Turms erstreckt. Der Speicher besteht aus einem keramischen Festbett innerhalb eines isolierten Stahltanks und dient zur Überbrückung von Wolkendurchzügen. Sprich: Auch ohne Sonne kann im Solarturm Strom produziert werden. „Durch den Einsatz des Speichers kann die Energieerzeugung zudem besser an den Bedarf im Netz angepasst werden“, ergänzt Mark Schmitz. Damit seien künftig bei der großtechnischen solarthermischen Stromerzeugung keine zusätzlichen konventionellen Kraftwerke zur Netzstützung erforderlich. Als weiteren Vorteil eines Solarturmkraftwerks nennt Mark Schmitz den potenziell hohen Systemwirkungsgrad: „Der Dampfturbinenprozess kann mit ebenso hohen Dampfparametern betrieben werden, wie sie in der konventionellen Kraftwerkstechnik üblich sind.“ Auch die Umweltfreundlichkeit sei ein wichtiger Punkt. Lediglich Luft und Wasser bzw. Wasserdampf kämen zum Einsatz. Und nicht zuletzt sei die Erschließung neuer Solarflächen nahezu unabhängig von der Geländeform möglich.
Was ist nun das Ziel des Solarturms? „Aufgabe des Projektes ist es, die in Deutschland entwickelte Technologie des Solarturmkraftwerks mit offenem volumetrischen Receiver erstmals als System zu demonstrieren und die Einzelkomponenten in ihrem Zusammenwirken als Gesamtsystem zu optimieren“, so Mark Schmitz. Die Schwerpunkte lägen dabei zum einen auf der Absorber- und Receiveroptimierung inklusive des Heißgaskreislaufes. Zum anderen werde eine Speichertechnologie und ihre Weiterentwicklung sowie die Entwicklung von Regel- und Steuerungsstrategien für alle Kraftwerkskomponenten zur maximalen Umwandlung von solarer Strahlung in Strom erprobt. Der Jülicher Solarturm diene als Referenzanlage, ohne die keine Vermarktung großer technischer Anlagen möglich sei. „Mit dieser Anlage sehen die Förderer und die Partner der Projektgruppe beste Möglichkeiten zum Know-how-Erhalt und zur kontinuierlichen Weiterentwicklung des Anlagenkonzepts in Deutschland, mittel- und langfristig also auch zu Schaffung und Erhalt von hoch qualifizierten Arbeitsplätzen in einem stark wachsenden Zukunftsmarkt.“
Und wie sieht die Zukunft aus? „Demnächst“, so Mark Schmitz, „können Versuche in großem Maßstab parallel zum regulären Betrieb des solarthermischen Versuchskraftwerks auf der Forschungsplattform stattfinden.“ Dies beschränke sich nicht nur auf rein solarthermische Versuche, sondern umfasse aufgrund der Möglichkeiten, die die Forschungsplattform biete, auch solar-thermochemische Versuche, wie die Wasserspaltung zur Wasserstoffproduktion. „Außerdem können im Rahmen der Begleitforschung und Optimierung des Kraftwerksbetriebs Prototypen, zum Beispiel im Bereich der Heliostaten oder auch in der Receivertechnologie, erstmalig im größeren Maßstab erprobt und evaluiert werden.“ So sei es möglich, auf der Forschungsplattform Komponenten zu testen, bevor sie in die- sem Kraftwerk sowie in geplanten Nachfolgeprojekten eingesetzt werden. „Hier bietet sich eine einmalige Kooperation von Anlagenbauer, Anlagenbetreiber und Forschung zur zielgerichteten Fortentwicklung der entscheidenden Komponenten und des Gesamtsystems solarthermischer Turmkraftwerke.“
Solar-Institut Jülich der FH Aachen
Dr. Mark Schmitz
Abteilungsleiter Regenerative Systeme
Heinrich-Mußmann-Straße 5, 52428 Jülich
Tel. +49 241 6009-53522
http://www.solarturmjuelich.de/
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