Solarthermie: Der andere Weg, Sonnenlicht zu nutzen
Photovoltaik und Solarthermie werden oft als Rivalen behandelt, und bei der Stromerzeugung hat die Photovoltaik über den Preis weitgehend gewonnen. Sie beantworten aber verschiedene Fragen. Die eine liefert Elektronen in dem Moment, in dem Licht auftrifft; die andere liefert Wärme, die sich aufbewahren lässt - und rund die Hälfte des weltweiten Endenergiebedarfs ist ohnehin Wärme.
Zwei Techniken unter einem Namen
Die einfachere Familie ist der Flach- oder Vakuumröhrenkollektor: ein dunkler Absorber hinter Glas, durch den Wasser oder ein Wärmeträger zirkuliert. Er erreicht 60 bis 90 Grad, also genau das, was ein Haushalt zum Waschen und Heizen braucht, und zwar mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 50 bis 70 Prozent - weit über jedem Photovoltaikmodul, denn Licht in Wärme zu verwandeln ist thermodynamisch einfach.
Weltweit ist das der größere Ausbau. Hunderte Gigawatt thermischer Leistung stehen auf Dächern, ganz überwiegend in China, gefolgt von der Türkei, Israel, Indien und Griechenland. Ein Solarkollektor für Warmwasser ist für einen Haushalt oft die günstigste verfügbare Emissionsminderung, und in der Stromstatistik taucht er nicht auf, weil er nie Strom erzeugt.
Die zweite Familie bündelt Sonnenlicht, um Temperaturen zu erreichen, die ein Flachkollektor nicht schafft. Spiegel konzentrieren direktes Sonnenlicht um einen Faktor von mehreren hundert und erzeugen Wärme bei 400 bis 565 Grad. Das genügt, um Dampf unter Bedingungen zu erzeugen, die eine herkömmliche Turbine erwartet - die hintere Hälfte eines solchen Kraftwerks ist dieselbe Maschinerie wie in einem Kohle- oder Kernkraftwerk.
Vier Bauformen dominieren. Parabolrinnen bündeln auf ein Rohr entlang der Brennlinie und sind kommerziell am besten erprobt. Solartürme nutzen ein Feld nachgeführter Spiegel, die auf einen zentralen Empfänger zielen, erreichen höhere Temperaturen und damit besseren Umwandlungswirkungsgrad. Linear-Fresnel-Anlagen nähern die Rinne mit ebenen Spiegeln günstiger an. Dish-Systeme folgen der Sonne zweiachsig und treiben im Brennpunkt einen kleinen Motor.
Warum das Speichern der Wärme der Punkt ist
Ein Photovoltaikmodul erzeugt Strom, und Strom ist schwer und teuer zu speichern. Eine konzentrierende Anlage erzeugt Wärme, und Wärme ist leicht und günstig zu speichern. Diese eine Asymmetrie ist das gesamte Argument für die Technik.
Das übliche Mittel ist Salzschmelze, meist eine Mischung aus Natrium- und Kaliumnitrat, gehalten in gedämmten Tanks. Heißes Salz bei rund 565 Grad lässt sich abziehen, um Dampf zu erzeugen, wann immer der Betreiber es will. Die Verluste liegen bei etwa einem Prozent am Tag. Eine Anlage mit vollem Speicher kann 8 bis 15 Stunden nach Sonnenuntergang erzeugen und damit die abendliche Bedarfsspitze abdecken, die Photovoltaik vollständig verpasst.
Die Kosten dieses Speichers sind je Energieeinheit bemerkenswert niedrig, denn das Medium ist Industriesalz und der Behälter ein Stahltank. Verglichen mit den Kosten einer entsprechenden Batterie ist Wärmespeicherung in diesem Maßstab deutlich günstiger - wobei man genau sein sollte, was verglichen wird, denn die Anlage speichert Wärme und nicht Strom und kann sie nur über die eigene Turbine abgeben.
Das Ergebnis ist ein planbares Solarkraftwerk. Betreiber in Spanien, Marokko, Chile und den Vereinigten Arabischen Emiraten fahren konzentrierende Anlagen gezielt, um in den Stunden nach Sonnenuntergang Strom zu liefern, und mehrere sind auf eine Lieferung rund um die Uhr verpflichtet.
Wohin die Wirtschaftlichkeit ging
Um 2010 sahen konzentrierende Solarkraftwerke und Photovoltaik eine Zeit lang wie echte Konkurrenten aus. Dann fielen die Modulpreise binnen eines Jahrzehnts um rund 90 Prozent, und für gewöhnlichen Tagstrom war der Wettbewerb entschieden. Konzentrierende Anlagen sind kapitalintensiv, brauchen große ebene Flächen und viel Stahl, Glas und Spezialbau - und sie haben keine vergleichbare Lernkurve, weil jede Anlage ein Bauprojekt ist und kein gefertigtes Produkt.
Zwei Randbedingungen bestimmen, wo sie noch Sinn ergeben. Die erste ist die direkte Normalstrahlung: Spiegel können nur direktes Sonnenlicht bündeln, weshalb Dunst, Wolken und Feuchte ihnen weit mehr schaden als der Photovoltaik, die auch bei diffusem Licht arbeitet. Wirtschaftlich tragfähig sind deshalb Wüstengürtel - Spanien, Nordafrika, der Nahe Osten, Chile, Südafrika, der Südwesten der USA, Westchina.
Die zweite ist, dass der Wert im Speicher liegt und nicht in der Erzeugung. Wo ein Netz Solarstrom nach Einbruch der Dunkelheit braucht und dafür zahlen kann, sind konzentrierende Anlagen wettbewerbsfähig. Wo es nur Tagesenergie braucht, gewinnt Photovoltaik ohne Einschränkung.
Eine wachsende Anwendung umgeht den Wettbewerb ganz: industrielle Prozesswärme. Sehr viele industrielle Prozesse brauchen Wärme zwischen 100 und 400 Grad, also oberhalb dessen, was eine Wärmepumpe erreicht, und unterhalb dessen, was ein Ofen verlangt. Konzentrierende Kollektoren liefern das unmittelbar, ohne Umweg über Strom und zurück, und das ist derzeit der am schnellsten wachsende Teil des Felds.
Das Argument der Ergänzung
Solarthermie ordnet man am sinnvollsten danach ein, was sie zu einem System beiträgt, und nicht nach ihren Kosten je Kilowattstunde für sich genommen. Photovoltaik liefert günstige Energie bei Tageslicht. Konzentrierende Solarthermie mit Speicher liefert teurere Energie zu einem Zeitpunkt, den der Betreiber wählt. Das sind verschiedene Produkte, und ein Netz kauft beide.
Diese Betrachtung kehrt in Energiesystemen immer wieder. Wind und Photovoltaik liefern Energie, wenn das Wetter es zulässt; Wasserkraft mit Speicher, Geothermie und Kernspaltung liefern sie auf Abruf. Der wirtschaftliche Wert einer Megawattstunde hängt stark davon ab, wann sie ankommt, und Vergleiche, die den Zeitpunkt ausblenden, führen in beide Richtungen in die Irre.
Niedertemperatur-Solarthermie macht einen anderen, einfacheren Punkt. Rund die Hälfte des weltweiten Endenergiebedarfs ist Wärme und nicht Strom, und ein großer Teil dieser Wärme liegt bei Temperaturen, die ein Flachkollektor erreicht. Sonnenlicht in Strom zu wandeln, um damit Warmwasser zu erzeugen, enthält eine Umwandlung, die die Physik nicht verlangt.
Dieses Prinzip - Energie in der Form nutzen, die die Aufgabe tatsächlich braucht - steht auch hinter Wärmepumpen, Fernwärme und industrieller Wärmerückgewinnung, und es ist häufig die größere und günstigere Gelegenheit, als mehr Strom zu erzeugen.
Häufige Fragen
Was unterscheidet Solarthermie von Photovoltaik?
Photovoltaik wandelt Licht in einem Halbleiter unmittelbar in Strom. Solarthermie fängt Sonnenlicht als Wärme ein, entweder bei niedriger Temperatur für Warmwasser und Heizung oder konzentriert auf mehrere hundert Grad, um Dampf für eine Turbine zu erzeugen. Die eine liefert Elektronen, die andere Wärme, die sich speichern lässt.
Kann ein Solarkraftwerk nachts erzeugen?
Ein konzentrierendes Solarkraftwerk mit Wärmespeicher kann das. Tagsüber erhitzte Salzschmelze steht in gedämmten Tanks und wird nach Sonnenuntergang abgezogen, um Dampf zu erzeugen, typischerweise 8 bis 15 Stunden lang. Die Verluste liegen bei etwa einem Prozent am Tag. Photovoltaikanlagen brauchen dafür getrennte Batterien.
Warum braucht konzentrierende Solarthermie klaren Himmel?
Spiegel können nur direktes Sonnenlicht bündeln. Diffuses Licht, von Wolken oder Dunst gestreut, kommt aus allen Richtungen und lässt sich nicht auf einen Empfänger konzentrieren. Photovoltaikmodule erzeugen auch aus diffusem Licht, weshalb sie in Nordeuropa arbeiten, während konzentrierende Anlagen auf Wüstenregionen beschränkt bleiben.
Ist Solarthermie effizienter als Photovoltaik?
Für die Wärmeerzeugung ja, und mit deutlichem Abstand: Ein Flachkollektor wandelt 50 bis 70 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in nutzbare Wärme, gegenüber 22 bis 24 Prozent bei einem Photovoltaikmodul, das Strom erzeugt. Die Erträge sind aber nicht vergleichbar. Für die Stromerzeugung kommt eine konzentrierende Anlage insgesamt auf etwa 15 bis 20 Prozent.
Warum hat Photovoltaik die konzentrierende Solarthermie überholt?
Die Modulpreise fielen in den 2010er Jahren um rund 90 Prozent, weil Module gefertigte Produkte mit steiler Lernkurve sind. Eine konzentrierende Anlage ist ein Bauprojekt mit Stahl, Spiegeln, Fläche und Erschließung, die nicht auf dieselbe Weise günstiger werden. Ein Vorteil bleibt nur dort, wo das Netz gerade für planbaren Ertrag nach Sonnenuntergang zahlt.
