Monitoring soll Solarkraftwerke effizienter machen

Das DLR entwickelt eine intelligente Messtechnik, um wichtige Prozessparameter in Solarkraftwerken zu überwachen. Die sollen sich so effizienter und kostengünstiger betreiben lassen.

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Solarthermische Kraftwerke können im Gegensatz zu Photovoltaikanlagen auch große elektrische Leistungen erzeugen. "Wie der Name schon besagt, wird in Solarkraftwerken über einen thermischen Zwischenschritt elektrischer Strom aus Sonneneinstrahlung gewonnen. Dabei macht man sich nicht die Lichteigenschaften, sondern die in der Sonnenstrahlung mitgeführte Wärmeenergie zu Nutze", beschreibt deren Prinzip Springer-Spektrum-Autor Wolfgang Osterhage in seinem Buchkapitel Solarkraftwerke auf Seite 11.

Ein grundlegendes Prinzip ist das Einfangen und Bündeln von Sonnenstrahlen in gewölbten Spiegeln wie Parabolspiegeln oder Scheibenkonzentratoren und deren Projizierung auf einen mit Wasser, Ölen oder geschmolzenen Salzen gefüllten Behälter. Die hohen Temperaturen von bis zu 3.000 °C sind in der Lage, ähnlich wie Kraftwerke auf Dampfbasis große Generatoren anzutreiben. Ein einzelnes solches Objekt ist in der Lage, bis zu 30 Megawatt (MW) Leistung zu erzeugen, also das Fünffache der derzeit größten Windkrafträder. Eine Anlage in der Mojave-Wüste in Kalifornien konzentriert mehrere solche Anlagen, die diese Leistung mehr als verzehnfachen – mit über 300 MW etwa so leistungsstark wie die häufig von Stadtwerken mit Erdgas betriebenen Gas- und Dampfturbinenanlagen (GuD).

Effizienz noch zu gering

Allerdings ist die Effizienz nicht sehr hoch und liegt bis zu 30 Prozent unter der herkömmlicher Heizraftwerke. Auch der Betrieb ist verhältnismäßig teuer. Eine Kilowattstunde Strom aus einem Solarkraftwerk (Gestehungskosten) kostet nach Angaben des Fraunhofer ISE etwa 8 bis 10 Eurocent, also gut das Doppelte der Produktion eines konventionellen Kraftwerkes. Experten rechnen damit, dass man die Effizienz angleichen kann.

Daran arbeitet unter anderem das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die Wissenschaftler wollen ein kontinuierliches Monitoring der Solarkraftwerke nutzen, um sie effizienter zu machen, ein sogenanntes Condition Monitoring. Es dient der Zustandsüberwachung aller wichtigen Prozessparameter. "In solarthermischen Kraftwerken sind das beispielsweise Temperaturen, Spiegelverschmutzung oder Massenströme des Wärmeträgers in den Rohrleitungen. Nur wenn man diese Parameter genau im Auge hat, lassen sich Übertemperaturen verhindern, Abnutzungserscheinungen und Fehlfunktionen frühzeitig feststellen und beheben", erklärt Peter Heller, Leiter der Abteilung Qualifizierung am DLR-Institut für Solarforschung.

Ziel sei es, einen Gesamtüberblick über das Kraftwerk und alle darin ablaufenden Prozesse zu bekommen.
Gemessen würden viele Parameter mittels fest verbauter Sensoren, etwa Hightech-Kameras, die exakte Wolkenbewegungen und daraus entstehende Schatten erfassen. Bisher, so Heller, konnte man das nicht gut vorhersagen. Das vom DLR entwickelte Wolkenkamera-System ermögliche jetzt exakte Aussagen und zuverlässige Prognosen.

Alle Parameter werden erfasst

Andere Parameter wie Verschmutzung von Spiegeln würden mittels mobiler und berührungsloser Verfahren erkannt. Diese müssten schnell, unkompliziert, kostengünstig und angesichts der klimatischen Bedingungen robust sein, um die benötigten Daten zeitnah und großflächig erheben und auswerten zu können. Denn die zu überwachenden Kraftwerke könnten sich über sehr große Flächen von bis zu fünf Quadratkilometern erstrecken.

Die entsprechende Messtechnik würde auch dafür vom DLR zu Teilen selbst entwickelt, so etwa für Drohnen, wo sie flugtauglich sein müsse, also kompakt und leicht. Gleichzeitig müsse sie sehr hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllen und die Witterungsbedingungen in sehr trockenen, heißen und staubigen Regionen aushalten. 2026 solle das ganze Konzept im Rahmen eines Pilotversuchs demonstriert werden – auch mithilfe künstlicher Intelligenz. Dank solcher Projekte könnten Solarthermische Kraftwerke tatsächlich effizienter werden. "Man rechnet […] damit, dass die Solarkraftwerke in etwa zehn Jahren voll konkurrenzfähig sein werden", nennt Springer-Spektrum-Autor Klaus Stierstadt in seinem Buchkapitel Die Sonnenenergiewandler auf Seite 38 einen möglichen Zeitraum.