Mit Sonnenenergie die Welt verändern

Dies ist ein Gastbeitrag von Gerry Wolff, Koordinator von TREC-UK . "TREC" steht für die Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation, ihre Website befindet sich auf www.trecers.net . Diese Web-Sites sind eine fantastische Informationsquelle über die Konzentration von Solarenergie.

Konzentration der Sonnenenergie


Dish / Motorsysteme von Sonnensysteme in Umuwa, Südaustralien

Einführung

Es wird erzählt, dass Archimedes im Jahr 212 v. Chr. Polierte Bronzeschilde benutzte, um das Sonnenlicht zu fokussieren und Holzschiffe aus dem römischen Reich, die Syrakus belagerten, in Brand zu setzen. Obwohl wir nicht wissen, ob es ihm gelungen ist, hat die griechische Marine das Experiment im Jahr 1973 nachgebaut und es geschafft, ein Holzboot in einer Entfernung von 50 Metern in Brand zu setzen. Im 16. Jahrhundert schlug Leonardo da Vinci die Verwendung von konkaven Spiegeln vor, um das Sonnenlicht auf die Erwärmung von Wasser zu konzentrieren. Erst Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts wurde die Idee, Sonnenenergie mit Spiegeln einzufangen, in Kalifornien, Ägypten und anderen Orten mit direktem Sonnenlicht großtechnisch erprobt. Aber die Ära der billigen fossilen Brennstoffe löschte diese frühen Entwicklungen aus und es war Mitte der 1980er Jahre, bevor ernsthafte Versuche unternommen wurden, die Technik der "konzentrierenden Solarenergie" (CSP) wieder anzuwenden.

Die Grundidee besteht darin, Spiegel so anzuordnen, dass sie das Sonnenlicht auf einen relativ kleinen Bereich konzentrieren und dann die entstehende Wärme nutzen, um Dampf wie in einem konventionellen Kraftwerk zum Antrieb von Turbinen und Generatoren zu erzeugen. Direkte Sonneneinstrahlung wird benötigt, und CSP funktioniert am besten, wenn es in der Sonne heiß genug ist, wie in heißen Wüsten. Unter diesen Bedingungen ist CSP derzeit der kostengünstigste Weg, Solarenergie zu gewinnen, aber dies könnte sich in der Zukunft durch weitere Entwicklungen in der Photovoltaik (PV) ändern.

Eine schöne Eigenschaft von CSP ist, dass es möglich ist, Sonnenwärme in geschmolzenen Salzen (z. B. Nitrate von Natrium oder Kalium) zu speichern, so dass die Stromerzeugung nachts oder an bewölkten Tagen fortgesetzt werden kann. Dies ist derzeit viel billiger als Flow-Batterien oder andere Technologien für die Massenlagerung von Strom. Da CSP-Anlagen konventionellen Kraftwerken so ähnlich sind, ist es auch möglich, Gas als Notstromquelle zu nutzen, wenn die Sonne nicht ausreicht. Mit Wärmespeicherung und Hybridisierung mit Gasfeuerung können CSP-Anlagen je nach Bedarf Grundlast, Zwischenlast und Spitzenleistung bereitstellen.

Es gibt verschiedene Varianten des von mir skizzierten Schemas, einschließlich Systeme, die Wärme zum Antrieb eines Stirling-Motors und eines Stirling-Generators verwenden, und Hybridsysteme, die Spiegel in Verbindung mit PV verwenden.

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Solar Zwei Turm und Heliostaten in Daggett (Barstow), Kalifornien.

Neue Entwicklungen und Potenziale

Gegenwärtig gibt es in der Mojave-Wüste CSP-Anlagen mit einer Leistung von 354 MWe (Peak), und in anderen Teilen der Welt gibt es kleinere Anlagen. Aber Bedenken bezüglich CO 2 Die Emissionen und die zukünftige Energieversorgung haben zu einem neuen Interesse an CSP geführt. Neue Anlagen werden derzeit in der ganzen Welt geplant oder gebaut. Die Statistiken sind erschreckend. Jedes Jahr erhält jeder Quadratkilometer heiße Wüste Solarenergie, die 1,5 Millionen Barrel Öl entspricht. Durch Multiplikation mit dem Gebiet der Wüsten weltweit ist dies mehrere hundert Mal der gesamte aktuelle Energieverbrauch der Welt. Es wurde berechnet, dass, wenn es mit CSP-Anlagen bedeckt wäre, ein Gebiet heißer Wüste von etwa 254 km x 254 km - weniger als 1% der Gesamtfläche solcher Wüsten - so viel Strom produzieren würde, wie es derzeit von der ganze Welt. Eine Fläche von 110 km x 110 km, ein kleiner Teil der Wüstenfläche in Nordafrika und im Nahen Osten, würde die gleiche Menge Strom produzieren wie die Europäische Union im Jahr 2004. In einem Bericht, der im Januar dieses Jahres veröffentlicht wurde, hat die American Solar Energy Society sagt, dass "... Analysten die Solarressourcen im Südwesten [der USA] bewerteten und ... feststellten, dass CSP eine Kapazität von fast 7.000 GW zur Verfügung stellen könnte, oder etwa sieben Mal die aktuelle Gesamtkapazität der USA. " (Betonung hinzugefügt).

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Was hat das mit Großbritannien zu tun?

Natürlich ist das Vereinigte Königreich nicht mit heißen Wüsten überfüttert und es ist natürlich anzunehmen, dass CSP für unsere Bedürfnisse nicht relevant ist. Aber aus Gründen, die ich beschreiben werde, könnte CSP eine wichtige Quelle für kohlenstofffreie Energie für das Vereinigte Königreich und viele andere Länder werden, die selbst keine Wüsten haben. Eine Möglichkeit, die nicht ganz leichtfertig ist, ist Mahomet an den Berg zu bringen: Verlagerung von energieintensiven Industrien, damit diese direkt Wärme- oder Stromenergie aus CSP-Anlagen in Wüstengebieten nutzen können. Zum Beispiel könnten die Wärme und Elektrizität, die zur Umwandlung von Bauxit in Aluminium benötigt wird, von CSP-Anlagen in der australischen Wüste in der Nähe des abgebauten Bauxits bereitgestellt werden. Natürlich würde dies die Produktion von Aluminium im Vereinigten Königreich nicht unterstützen, aber in dem stark voneinander abhängigen globalen Dorf, in dem wir jetzt leben, könnte eine solche Lösung der Energieversorgungsprobleme ein großer Vorteil sein.

Eine andere Möglichkeit ist der Transport von Sonnenenergie über große Entfernungen mit Wasserstoff als Energieträger. Im Prinzip könnte der Wasserstoff durch direkte Anwendung von Sonnenwärme aus Wasser gewonnen werden, und es gab einige Experimente in dieser Richtung. Aber bis dies in großem Maßstab effizient durchgeführt werden kann, kann Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Solarstrom erzeugt werden.

Wasserstoff, der auf diese Weise produziert wird, könnte als Kraftstoff für Züge, Straßenfahrzeuge oder sogar Flugzeuge verwendet werden. Aber wenn Wasserstoff, der von CSP abgeleitet wird, nur ein Mittel zur Stromerzeugung in Großbritannien oder einem anderen entfernten Ort ist, dann verliert er schnell seinen Glanz. Es wurde berechnet, dass etwa 75% oder mehr der ursprünglichen elektrischen Energie bei Umwandlungen und Verarbeitungen verloren gehen würden, die zwischen CSP-Elektrizität an ihrer Quelle und Elektrizität in einer Entfernung, die durch die Verbrennung von Wasserstoff erzeugt wird, erforderlich wären.

Wenn Strom am Ziel benötigt wird, ist es in fast allen Fällen sehr viel effizienter, Solarstrom direkt über Hochspannungsleitungen zu übertragen. HVAC funktioniert gut über relativ kurze Entfernungen, aber für längere Entfernungen ist HVDC die bevorzugte Option. Mit Übertragungsverlusten von etwa 3% pro 1000 km kann beispielsweise Strom von Nordafrika nach Großbritannien mit weniger als 10% Leistungsverlust übertragen werden.

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150 MW Parabolrinnen-CSP-Anlage in Kramer Junction, Kalifornien.

Das DESERTEC-Konzept

Die von mir skizzierten Ideen sind Teil des "DESERTEC" -Konzepts, einer Reihe von Vorschlägen für die zukünftige Stromversorgung in Europa, dem Nahen Osten und Nordafrika (EUMENA), die vom internationalen Netzwerk der TREC-Wissenschaftler und Ingenieure entwickelt wurden . Die Vorschläge werden in den Berichten "MED-CSP" und "TRANS-CSP", die von einem Forscherteam des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt erstellt wurden, ausführlich beschrieben. Kopien dieser Berichte können über Links von heruntergeladen werden www.trec-uk.org.uk/reports.htm . Der zweite dieser Berichte zeigt, wie Europa in der Zeit bis 2050 seinen gesamten Bedarf an Elektrizität decken und CO deutlich einsparen kann 2 Emissionen aus der Stromerzeugung und gleichzeitig Ausstieg aus der Kernenergie. Verglichen mit der jetzigen Situation würde es einen Anstieg der Vielfalt von Energiequellen und es würde eine Gesamtmenge geben die Ermäßigung in importierten Energiequellen. Diese beiden Dinge zusammen würden die Widerstandsfähigkeit und die Sicherheit der Stromversorgung insgesamt verbessern. CSP wäre nur ein Element in der Mischung - bis zu 15% der Gesamtsumme - und wäre eine Ausnahme von der Regel der reduzierten Importe.

Ein wichtiger Teil des DESERTEC-Konzepts ist die Schaffung eines großen HVDC-Übertragungsnetzes, das die gesamte EUMENA ​​umfasst und für die Zusammenarbeit mit bestehenden HVAC-Netzen konzipiert wurde. Dieser Vorschlag harmoniert gut mit einem unabhängigen Vorschlag von Luftbeweglichkeit ein europaweites HGÜ-Netz zu schaffen. Ein Vorteil dieser Art von Raster ist, dass sie eine Antwort auf den oft geäußerten Einwand gegen die Windkraft gibt - dass "der Wind nicht ständig weht". Dies ist in einem relativ kleinen Bereich der Fall, aber in einem großen Gebiet wie Europa trifft das fast nie zu. Ein weiterer Vorteil von großen HGÜ-Netzen besteht darin, dass überschüssige Elektrizität in einem bestimmten Gebiet - mehr als die lokale Bevölkerung - in andere Gebiete verlagert werden kann, in denen sie benötigt wird, wodurch die Energieverschwendung verringert wird, die andernfalls auftreten könnte.

Ein interessanter Aspekt des Airtricity-Vorschlags ist, dass alle Stromkabel unter dem Meer verlegt werden! Moderne Designs von HGÜ-Kabeln machen dies jetzt zu einer realistischen Option. Ein Vorteil besteht darin, dass Probleme des visuellen Eindringens weitgehend beseitigt werden. Und es würde die Planungs- und Konstruktionsprozesse erheblich vereinfachen.

Einer der faszinierendsten Aspekte des DESERTEC-Konzepts sind verschiedene Spin-off-Vorteile, insbesondere für die lokale Bevölkerung in den Gastländern. Zum Beispiel kann Abwärme von CSP-Anlagen für die Entsalzung von Meerwasser verwendet werden - ein sehr nützlicher Bonus in trockenen Regionen. Die schattierten Bereiche unter CSP-Spiegeln sind vor der vollen Blendung der tropischen Sonne geschützt und können für viele Zwecke verwendet werden, einschließlich des Gartenbaus mit entsalztem Meerwasser. Während der gesamten EUMENA ​​gab es Arbeitsplätze und Einkommen in einer großen neuen Industrie. Allgemeiner gesehen wäre die Entwicklung einer Win-Win-Kooperation zwischen den Ländern von EUMENA ​​mit erheblichen Vorteilen für alle ein guter Weg, gute Beziehungen und gegenseitiges Verständnis in der Region zu fördern - eine positive Alternative zu den konfrontativen Politiken der letzten Jahre.

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Dish / Motorsysteme von Stirling Energiesysteme bei den Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico.

Kosten

Die Kosten für die Sammlung von Solarthermie, die einem Barrel Erdöl entspricht, liegen derzeit bei etwa 50 US-Dollar (bereits unter dem gegenwärtigen Weltmarktpreis für Öl) und dürften in Zukunft auf rund 20 US-Dollar sinken. Der 2005 veröffentlichte MED-CSP-Bericht legt nahe, dass CSP für eine gewisse Zeit öffentliche Unterstützung benötigen (wie andere erneuerbare Energieformen), dass aber aufgrund von Größenvorteilen und Verfeinerungen der Technologie die Kosten für CSP-Strom wahrscheinlich steigen werden relativ zu traditionellen Stromquellen fallen. Der TRANS-CSP-Bericht berechnet, dass CSP wahrscheinlich zu einer der günstigsten Stromquellen in Europa wird, einschließlich der Kosten für die Übertragung. Ein Bericht in Business Week (2006-02-14) zitiert den CEO von Solel mit den Worten: "Unsere [CSP] -Technologie ist bereits mit Strom aus Erdgaskraftwerken in Kalifornien wettbewerbsfähig". Ähnliche Behauptungen werden von anderen in der Industrie gemacht. Der US-Risikokapitalgeber Vinod Khosla sagte auf der Solar Power 2006 Konferenz in Kalifornien über CSP: "Wir sind bereit für ausbrechendes Wachstum - für explosives Wachstum - nicht weil wir sauberer sind als Kohle, sondern weil wir billiger sind. Zufällig sind wir zufällig sauberer. "

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Parabolspiegel mit Wartungspersonal bei Kramer Junction, Kalifornien.

Versorgungssicherheit

Obwohl sich nur wenige Menschen Sorgen darüber machen, dass Großbritannien nur etwa 60% der Nahrungsmittel produziert, die wir essen, scheint eine überraschend große Anzahl von Menschen der Meinung zu sein, dass es inakzeptabel riskant wäre, einen Teil unseres Stroms aus Nordafrika und den USA zu importieren Mittlerer Osten. Aus verschiedenen Gründen glaube ich, dass jedes mögliche Risiko offensichtlicher ist als real. Die Anzahl der Länder mit heißen Wüsten ist ziemlich groß, so dass wir nicht wie einige von uns nur zu sehr auf wenige CSP-Stromquellen angewiesen sind andere Energiequellen. Angesichts der erheblichen Vorteile, die CSP für die Gastländer bieten würde, gibt es kaum Anreize, ihre Tätigkeit zu stören. Das Übertragungsnetz kann so gestaltet werden, dass es auf die gleiche Art und Weise Schaden nimmt, wie das Internet angesichts militärischer Angriffe widerstandsfähig war: Anstatt auf einige wenige große Übertragungsleitungen zu setzen, kann Elektrizität über ein Netzwerk mit geringerer Übertragung übertragen werden Linien; und Seekabel, wie von Airtricity vorgeschlagen, wären relativ sicher vor Angriffen. CSP-Anlagen wären durch Angriffe aller Art schwer zu beschädigen, und sie wären leicht zu reparieren.

Fazit

Das DESERTEC-Szenario, das mit großer Professionalität und Sorgfalt entwickelt wurde, zeigt, dass die Konzentration von Solarenergie eine wichtige Quelle für CO2-freien Strom sein kann, nicht nur für Länder im Sonnengürtel, sondern auch für viele andere Länder - einschließlich Großbritanniens. Zusätzliche potenzielle Vorteile sind der nicht zu vernachlässigende Preis für verbesserte Beziehungen zwischen verschiedenen Personengruppen. Alle relevanten Technologien sind jetzt verfügbar. Mit den richtigen politischen Impulsen kann schon bald die notwendige Infrastruktur geschaffen werden.

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Nahaufnahme der Parabolrinne und Wärmekollektor.
Technische Informationen finden Sie in den beiden Berichten, die von einem Forscherteam des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt erstellt wurden: Transmediterrane Verschaltung für konzentrierende Solarenergie (TRANS-CSP, 2006, PDF, 6.1 MB).
Konzentrierende Solarenergie für den Mittelmeerraum (MED-CSP, 2005, PDF, 11.9 MB).

Kopien dieser Berichte können über Links von heruntergeladen werden www.trec-uk.org.uk/reports.htm .

Dieser Artikel wurde erstmals in der April / Mai 2007 Ausgabe von Power Engineer, Magazin des Vereinigten Königreichs veröffentlicht Einrichtung für Technik und Technologie , Seiten 22-25.

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