Solarpark in Nevada, Bild: SolarReserve

Das Redstone-Projekt versorgt rund 200.000 Haushalte und hat eine Leistung von 100 Megawatt sowie einen Salzspeicher für zwölf Stunden. Bild: SolarReserve

Ziel der Studie ist ein systemtechnischer, wirtschaftlicher und ökologischer Vergleich von solarthermischen und photovoltaischen Kraftwerken. Dazu analysiert das Projekt Thermovolt Konzepte, wie kommerzielle Kraftwerke aus Sonnenenergie kostengünstigen und jederzeit verfügbaren und somit planbaren Strom zuverlässig erzeugen können, und das auch zu Zeitpunkten, wenn die Sonne nicht scheint.

Solarstrom bedarfsgerecht bereit stellen

Solarthermische Kraftwerke (Concentrated Solar Power, CSP) verstärken mittels Spiegeln die Solarstrahlung, wodurch Wärme erzeugt wird. Die Wärme wird entweder gespeichert, oder direkt genutzt. Wobei verschiedene Anwendungsbereiche von der Stromerzeugung bis zur Herstellung von Treibstoffen (Wasserstoff) möglich sind.

Solarthermische Kraftwerke ermöglichen durch die Integration von thermischen Speichern und / oder der Kombination mit einem mit fossilen Brennstoffen oder in Zukunft auch Biomasse betriebenen Brenner (Hybridisierung) eine von der schwankenden Sonnenstrahlung losgelöste Stromerzeugung.

Dadurch kann Solarstrom bedarfsgerecht bereitgestellt und die Grundlastfähigkeit des Kraftwerkes erreicht werden. Diese Kraftwerke sind also in Hinsicht auf ihren Wert im Stromsystem gleichwertig zu konventionellen fossilen Großkraftwerken.

Solarstrahlung in elektrischen Strom umwandeln

Photovoltaikanlagen (PV) fangen das Sonnenlicht mittels ihrer Solarzellen ein und wandeln die Solarstrahlung direkt in elektrischen Strom um. Dieser Strom kann direkt genutzt, oder in Batterien gespeichert werden. Derzeit ist die Speicherung des PV-Stroms in Batterien weniger wirtschaftlich als die Speicherung von Solarthermie.

In den letzten Jahren hat die PV-Technologie ihre Stromerzeugungskosten deutlich senken können. Dennoch zählt sie zu den unsteten Stromeinspeisern und kann daher alleine keine Versorgungssicherheit gewährleisten. Es muss zusätzlich ein Backup durch fossile Energieträger im Stromverbundsystem vorgehalten werden.

Aktuelle Studien zeigen, dass bei einem größeren Anteil an regenerativ und fluktuierend erzeugtem Strom die Netze an Ihre Grenzen stoßen und daher der Anteil an erneuerbarem Strom begrenzt werden muss, wenn keine Speicherlösungen zur Verfügung stehen.

Kostensimulation von Kraftwerkskonzepten

Im Laufe der Studie simulierten die beteiligten Wissenschaftler die Kosten von verschiedenen PV- und CSP-basierten Kraftwerkskonzepten und von Kombinationen beider Technologien unter den gleichen Randbedingungen. Die virtuellen Kraftwerke mussten die Fähigkeit besitzen, verschiedenen vorab definierten Lastprofilen zu folgen und gleichzeitig bei geringsten Stromerzeugungskosten eine möglichst geringe Treibhausgasemission (CO2) erreichen.

Die untersuchten CSP Kraftwerke haben einen thermischen Energiespeicher sowie einen fossilen Brenner, der nur im Bedarfsfall verwendet wird. Die PV Kombi-Kraftwerke haben einen Batteriespeicher und ein fossiles Reservesystem, zum Beispiel ein Gaskraftwerk mit dem sie im Verbund betrieben werden.

Die Kraftwerksgröße lag bei 100 Megawatt und als repräsentative Standorte wurden sonnenreiche Regionen wie Marokko und Saudi Arabien untersucht. Das Rechenmodell umfasste die Jahre 2015, 2020 und 2030.

Die Berechnungen wurden für ein ganzes Jahr detailliert mit stündlicher Auflösung durchgeführt, wobei die optimale Größe des Solarfeldes und des Speichers ermittelt wurde. Für die Berechnung der Stromerzeugungskosten der optimierten Anlagen wurde schließlich ein Wirtschaftlichkeitsmodell erstellt, das verschiedene Effekte (zum Beispiel Abnutzung) und diverse Kostenszenarien berücksichtigt.

Solarzellen Detail, Bild: SolarReserve
CSP-Kraftwerk mit 110 Megawatt Leistung und einem Salzspeicher für zehn Stunden. Bild: SolarReserve

Kombination von CSP und PV kostengünstiger

Im Ergebnis zeigt sich, dass unter heutigen Voraussetzungen gerade die Kombination von CSP und PV in den meisten Szenarien kostengünstiger ist als die Nutzung von nur einer der beiden Technologien. Dabei liefert der photovoltaische Teil des Kraftwerks vorzugsweise am Tag direkt den Strom ins Netz und der solarthermische Anteil speichert die solare Energie im thermischen Speicher, um diese nach Bedarf, also meist nachts zu verstromen.

Bei hohem Strombedarf während der Nachtstunden sind die CSP-basierten Kraftwerke durch ihren thermischen Speicher im Vorteil. Gleichzeitig lässt sich ein Hybridbetrieb mit fossilen oder alternativen Energieträgern relativ einfach mit geringen Mehrkosten integrieren.

Während 2015 die Photovoltaik-Systeme aufgrund der noch teuren Batteriespeicherkosten die höchsten Stromerzeugungskosten hatten, könnten sich diese unter günstigen Voraussetzungen bis zum Jahr 2030 den solarthermischen Kraftwerken mit thermischem Speicher annähern oder sogar geringer werden. Dies ist allerdings stark abhängig vom betrachteten Zielmarkt und der Lastvorgabe.

Der Abschlussbericht der Studie wird bis Ende des Jahres 2016 vorgelegt. hei