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Solarkraftwerke

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Physik

Der Energiebedarf der Menschheit steigt kontinuierlich. Wäre das Internet ein eigenes Land, hätte es den sechstgrößten Stromverbrauch weltweit. Gleichzeitig beschleunigt die Energieproduktion aus Kohle und Öl den Klimawandel. Wir befinden uns in einer Energiekrise, obwohl die Strahlungsenergie, die uns von der Sonne erreicht, in zwei Stunden den weltweiten Energiebedarf decken könnte. Wie können wir also diese nachhaltige Energiequelle nutzen?

Eine Möglichkeit wären thermische Solarkraftwerke.

Thermische Solarkraftwerke – Definition

Solar leitet sich aus dem griechischen ab und bedeutet Sonne. Ein Kraftwerk ist eine Maschine, die Strom erzeugt.

Wir können also Energie aus dem Licht der Sonne erzeugen.

Dies geschieht hier allerdings über einen Zwischenschritt, bei dem das Sonnenlicht zuerst in Wärme umgewandelt wird. Daher kommt der Begriff thermisch.

Es gibt auch nicht-thermische Solarkraftwerke. Dazu zählen zum Beispiel Photovoltaikanlagen.

Als Solarkraftwerk bezeichnest Du eine technische Anlage, die die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie umwandelt.

In thermischen Solarkraftwerken (auch Solarwärmekraftwerken) geschieht dies durch einen Zwischenschritt, bei dem die Strahlungsenergie zunächst in Wärme und anschließend über einen Generator in Strom umgewandelt wird.

Mehr zum Thema Strahlungsenergie findest Du in unserem Artikel zur Sonne.

Der Vorteil an Energie aus solchen Solarkraftwerken ist, dass sie zu den sogenannten grünen Energien zählen. Als grüne Energie wird die Energie aus erneuerbaren Quellen (wie der Sonne oder Wind) bezeichnet, die nicht versiegen, wenn wir sie benutzen.

Thermische Solarkraftwerke – Funktionsweise und Aufbau

Inzwischen gibt es viele verschiedene Modelle für Solarwärmekraftwerke, deren grundlegendes Prinzip allerdings immer dasselbe ist. Zum Bau eines Solarkraftwerks werden sechs Hauptkomponenten benötigt:

  • Große Kollektorflächen (meist Parabolspiegel)
  • einen Receiver (dieser absorbiert die Strahlung der Sonne)
  • ein Medium als Wärmeträger (zum Beispiel Öl)
  • einen Dampfgenerator
  • eine Turbine und
  • einen Stromgenerator.

Solarkraftwerke Funktionsweise Baukasten für Solarkraftwerke StudySmarterAbbildung 1: Hauptkomponenten eines Solarkraftwerks

Wie wirken nun diese unterschiedlichen Komponenten zusammen, um die Solarenergie zu nutzen?

Im ersten Schritt fällt die Strahlung der Sonne auf die Kollektorflächen. Diese konzentrieren das Sonnenlicht und reflektieren es auf das Absorptionsobjekt. Dabei erhitzt sich der Wärmeträger in dem Absorptionsobjekt auf mehrere hundert bis tausend Grad Celsius und gibt diese Energie an einen Wasserkreislauf weiter.

Es entsteht heißer Wasserdampf im Dampfgenerator, der nun zu einer Turbine geleitet wird und diese antreibt.

Durch die Drehbewegung der Turbinen entsteht mechanische Energie, die vom Stromgenerator in elektrische Energie umgewandelt und ins Stromnetzwerk eingespeist wird.

Mehr zum Thema mechanische Energie und elektrische Energie findest Du in den entsprechenden Artikeln.

Damit es in diesen Anlagen nicht zur Überhitzung kommt, ist meistens noch eine Art Kühlanlage und ein Kondensator angeschlossen.

Thermische Solarkraftwerke – Arten

In den letzten Jahren haben sich drei verschiedene Modelle von Solarkraftwerken auf dem Markt etabliert:

  • Parabolrinnenkraftwerke
  • Solarturmkraftwerke
  • Paraboloidkraftwerke (Dish-Stirling-Anlage)

Sie folgen alle dem obigen Prinzip und unterscheiden sich vor allem in ihrer Größe und Ausarbeitung.

Parabolrinnenkraftwerke

In dieser Art von Kraftwerk werden als Kollektorflächen sogenannte Parabolrinnen genutzt. Das sind viele Meter lange Rinnen aus gewölbten Spiegeln, die parallel geschaltet werden. Diese siehst Du auch auf der folgenden Abbildung:

Solarkraftwerke Arten Parabolrinnenkraftwerk StudysmarterAbbildung 2: schematischer Aufbau eines ParabolrinnenkraftwerksQuelle: schott.com

In der Mitte dieser Rinnen befindet sich ein sogenanntes Absorberrohr (Receiver), in dem Thermoöl als Wärmeträger fungiert. Die Spiegel fokussieren das Sonnenlicht auf das Absorberrrohr. Dadurch erhitzt sich das Öl auf bis zu 400–500 °C. Das Öl erhitzt anschließend den Wasserkreislauf. Der dort entstehende Dampf treibt anschließend die Turbinen an und der Generator produziert Strom. Manchmal wird noch eine zusätzliche Heizung eingebaut.

Solarturmkraftwerke

Solarturmkraftwerke funktionieren nach einem sehr ähnlichen Prinzip. In der Mitte eines weiten Feldes steht ein Turm, auf dessen Spitze sich eine solare Brennkammer befindet. Statt der Parabolrinnen ist dieser allerdings von sogenannten Heliostaten umgeben. Das sind Spiegel, die sich automatisch ausrichten, um das Sonnenlicht zur Turmspitze zu reflektieren.

Je nach Größe des Kraftwerks können hundert bis tausend solcher Heliostate um den Turm herum platziert werden. Auf dem folgenden Bild siehst Du ein Solarturmkraftwerk:

Solarkraftwerke Arten Solarturm StudySmarterAbbildung 2: schematischer Aufbau eines SolarturmkraftwerksQuelle: press.lectura.de

Dadurch wird sehr viel Strahlungsenergie auf einen Punkt – die solare Brennkammer – konzentriert. Die Temperaturen in der Brennkammer erreichen bis zu 1300 °C. Als Folge dessen entsteht wiederum Wasserdampf, der eine Turbine antreibt und über einen Generator Strom produziert.

Paraboloidkraftwerke

Paraboloidkraftwerke werden auch als Dish-Stirling-Anlage bezeichnet. Das sind sozusagen die Miniversionen eines Solarkraftwerks. Ihre Form erinnert ein wenig an Satellitenschüsseln – nur viel größer. In ihrer schalenförmigen Wölbung sind Spiegel angebracht, die das Licht auf einen zentralen Stirlingmotor lenken, der die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt.

Solarkraftwerke Arten Paraboloidkraftwerk StudySmarterAbbildung 3: ParaboloidkraftwerkQuelle: baunetzwissen.de

Photovoltaikanlagen

Wenn es um Solarenergie geht, denken die meisten zuerst an die Solarzellen, die inzwischen in großflächigen Solarparks oder auf den Dächern von Neubauten aufgestellt werden. Doch wie genau funktioniert die Photovoltaik-Technik?

Photovoltaikanlagen wandeln die Strahlungsenergie der Sonne direkt in elektrische Energie um.

Die ersten Photovoltaikanlagen wurden übrigens 1963 während des sogenannten Space Race zwischen den USA und der Sowjetunion zum Betreiben der allerersten Satelliten hergestellt.

Funktionsprinzip der Photovoltaiktechnik

Das Prinzip der Photovoltaik beruht auf dem sogenannten inneren Photoeffekt. Licht besteht aus Quanten, den Photonen. Treffen diese zum Beispiel auf ein Metall oder einen Halbleiter, können sie dort Elektronen aus ihrer Atombindung lösen.

Mehr Informationen dazu findest Du in unserem Artikel zum Photoeffekt und dem Photon.

In Halbleitern, die meist für Photovoltaikanlagen verwendet werden, hinterlässt das Elektron dabei ein "positives Loch", das auch Defektelektron genannt wird.

Durch ein spezielles Verfahren (Dotierung), wird das Elektron von seinem Loch getrennt. Dies erzeugt eine Spannung zwischen zwei Halbleiterschichten und sorgt für einen gerichteten Stromfluss.

Solarkraftwerke – Wirkungsgrad, Effizienz und Energieflussdiagramm

Wenn wir nun die nahezu unerschöpfliche Energie der Sonne nutzen können, warum sprechen wir dann überhaupt von einer Energiekrise?

Das Problem ist, dass alle diese Kraftwerke nur einen Bruchteil der auftreffenden Strahlung in elektrische Energie umwandeln können. Sie besitzen also nur einen kleinen Wirkungsgrad.

Als Wirkungsgrad einer technischen Anlage wird die Effizienz bezeichnet, mit der diese eine zugeführte Energieform in eine andere (für uns nutzbare) Energieart umwandelt. Du gibst den Wirkungsgrad in Prozent an und berechnest ihn aus dem Quotienten aus nutzbarer Energie und zugeführter Energie .

Solarkraftwerke Wirkungsgrad StudySmarter

Ein Wirkungsgrad eines Solarkraftwerks von 100 % würde also bedeuten, dass die gesamte auf den Spiegeln auftreffende Strahlung in für uns nutzbare Energie , z. B. elektrische Energie, umgewandelt wird.

Allerdings wird der Wirkungsgrad nie so groß. Bei der Umwandlung der Energie in andere Formen geht immer etwas Energie in eine für uns nicht nutzbare Form über.

Im Alltag wird oftmals von Energieverlust gesprochen. Das ist allerdings nicht ganz korrekt: Nach dem Energieerhaltungssatz kann Energie weder erschaffen noch vernichtet werden. Wenn wir von Energieverlust sprechen, meinen wir damit eigentlich, dass die Energie in eine für uns nicht nutzbare Form umgewandelt wird. Mehr dazu in dem Artikel zur Thermodynamik.

Eine Anlage rentiert sich nur dann, wenn ihr Wirkungsgrad ausreichend groß ist. Schließlich muss auch Energie für den Bau und Betrieb des Kraftwerks aufgewendet werden. Ist der Wirkungsgrad zu klein, braucht es vielleicht mehr Energie, die Anlage zu produzieren und am Laufen zu erhalten – eine solche Anlage hätte eine negative Energiebilanz.

Die folgende Tabelle gibt Dir einen Überblick über die verschiedenen Wirkungsgrade der besprochenen Solaranlagen:

AnlageParabolrinnenSolartürmeParaboloidkraftwerkePhotovoltaik
Wirkungsgradca. 10 - 15 %ca. 20 - 25 %ca. 16 - 20 %ca. 10 - 22 %

Diese Wirkungsgrade bedeuten, dass der Großteil der Sonnenenergie nicht in elektrische Energie umgewandelt wird. Selbst bei dem Spitzenwert eines Solarturms von 25 %, gehen drei Viertel der Sonnenstrahlung in eine für uns nicht nutzbare Form über.

Wir müssen außerdem beachten, dass uns nicht immer dieselbe Menge an Sonnenlicht zur Verfügung steht.

Schließlich basiert die Technologie auf Sonneneinstrahlung. In der Nacht, im Winter oder an stark bewölkten Tagen, kommt nur ein Bruchteil des Sonnenlichts an und es wird weniger bis gar keine elektrische Energie zu produziert. Deshalb werden solche Anlagen vor allem in Ländern mit dauerhaft hoher Sonneneinstrahlung installiert.

Energieflussdiagramm Solarkraftwerk

Um diese Umwandlung von Strahlungsenergie in andere Energieformen und den jeweiligen Wirkungsgrad graphisch darzustellen, eignen sich Energieflussdiagramme.

Ein Energieflussdiagramm (auch Sankey-Diagramm) ist eine visuelle Darstellung des Energieflusses in einem System. Damit kann auch die Umwandlung verschiedener Energieformen und die Energiemenge berücksichtigt werden.

In einem Energieflussdiagramm trägst Du die Energiequelle und die Strömungsrichtung des Flusses von links nach rechts ein, sowie die verschiedenen Energieformen. Die Energie wird dabei durch Pfeile dargestellt, deren Dicke von der Menge der Energie abhängt. Die folgende Abbildung zeigt Dir ein Energieflussdiagramm für Solarkraftwerke:

Solarkraftwerke Energieflussdiagramm StudySmarterAbbildung 4: Energieflussdiagramm eines Solarkraftwerks

Dabei bleibt die Gesamtenergie im Diagramm gleich. Seitliche Pfeile zeigen an, an welchen Stellen Energie in weniger nutzbaren Formen abfließt.

Der Wirkungsgrad dieser Solarkraftwerke ist also nicht so hoch, wie wir es uns wünschen würden. Lohnen sich solche Solarkraftwerke dann überhaupt oder sollten wir uns lieber auf andere Energiequellen fokussieren?

Thermisches Solarkraftwerk – Kosten

Je nach Größe und Art des Solarkraftwerks können sich die Kosten stark unterscheiden.

Der Solarturm Crescent Dunes in Nevada hat zum Beispiel eine Milliarde Euro gekostet und besteht aus über 10.000 Spiegeln. Die sogenannte Ouarzazate Solar Power Station (OSPS) in Marokko kostete sogar 2,5 Mrd. Euro. Sie kombiniert einen Solarturm mit Parabolrinnentechnologie und hat eine Kapazität von etwa 500 Megawatt.

Das wohl ambitionierteste Projekt ist der Solarpark, der momentan in den Vereinigten Emiraten gebaut wird und nach Fertigstellung der größte der Welt sein soll. Die geschätzten Kosten des gesamten Parks liegen bei 12 Mrd. Euro. Der Solarturm des Parks allein kostet wahrscheinlich 3,9 Mrd. Euro.

Solarkraftwerke – Vor- und Nachteile

Ob sich Solarkraftwerke lohnen, hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Auch hier gibt es sowohl Nach- als auch Vorteile.

Vorteile
Nachteile
Nutzung einer nahezu unerschöpfbaren Energiequelle Leistung abhängig von Standort, Wetter und Jahreszeit
Grüne Energie (Betrieb verursacht keine Treibhausemissionen)Große Flächen nötig
Geringe WartungskostenHohe Baukosten

Diese Aspekte sind von Anlage zu Anlage unterschiedlich, doch sie zeigen, dass es sich an manchen Orten besonders lohnt, Solarkraftwerke zu installieren. Besonders in Spanien und in den südlichen Teilen der USA sind Solarkraftwerke deshalb beliebt. In Deutschland gibt es bisher nur sehr wenige Solaranlagen, da hier die klimatischen Verhältnisse nicht optimal sind. Dennoch werden auch hier in den letzten Jahren verstärkt Photovoltaikanlagen gefördert, um die grüne Energie der Sonne zu nutzen.

Solarkraftwerke - Das Wichtigste

  • Als Solarkraftwerk bezeichnet man eine technische Anlage, die die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie oder Wärme umwandelt.
  • Die meisten Solarkraftwerke besitzen 6 Hauptkomponenten: Kollektorflächen (Spiegel), ein Absorptionsobjekt, einen Wärmeträger, einen Dampfgenerator, eine Turbine und einen Stromgenerator.
    • Die Kollektorflächen reflektieren das Sonnenlicht auf das Absorptionsobjekt, wodurch sich der in ihm enthaltene Wärmeträger erhitzt.
    • Der Wärmeträger gibt seine Energie an einen Wasserkreislauf ab. Es entsteht Wasserdampf, der eine Turbine antreibt. Ein Generator wandelt die mechanische Energie der Turbinenbewegung in Strom um.
  • Es wird zwischen drei wesentlichen Formen von Solarkraftwerken unterschieden: Parabolrinnen, Solartürme und Paraboloidkraftwerke.
  • Die produzierte Energie der Anlagen ist durch ihren Wirkungsgrad begrenzt. Dieser liegt je nach Anlage zwischen 10 und 25 %.
  • Du berechnest den Wirkungsgrad mit dem Quotienten aus der nutzbaren Energie und der zugeführten Energie : Solarkraftwerke Wirkungsgrad Formel StudySmarter .
  • Mit einem Energieflussdiagramm kannst Du den Energiefluss in einem System visuell darstellen.
  • Zu den Nachteilen von Solarkraftwerken gehören insbesondere ihre Wetter- und Standortabhängigkeit.
  • Zu den Vorteilen von Solarkraftwerken gehören vor allem die Gewinnung grüner Energie und die Nutzung einer unerschöpflichen Energiequelle.
  • Solarkraftwerke finden vor allem in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung Einsatz.

Solarkraftwerke

Ein Solarkraftwerk bündelt die Sonnenstrahlen durch Spiegel und reflektiert sie auf einen Receiver mit einem Wärmeträger. Dieser wird erhitzt und treibt über eine Turbine ein Generator an, der Strom erzeugt.

Der größte Solarturm soll bis 2030 in den Vereinigten Emiraten gebaut werden und voraussichtlich 3.9 Mrd. Euro kosten.

Es gibt viele verschiedene Arten von thermischen Solarkraftwerken, zum Beispiel Parabolrinnenkraftwerke, Solarturmkraftwerke und Paraboloidkraftwerke.

Solarkraftwerke werden in der Regel in Regionen mit kontinuierlich hoher Sonneneinstrahlung, wie dem Süden der USA oder in Spanien betrieben. In Deutschland gibt es vor allem Photovoltaikanlagen.

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