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Aus der Nische zum Solarchampion

Die Wüstenstrom-Initiative Desertec ist gescheitert. Nicht aber die Idee, mit solarthermischen Kraftwerken im großen Maßstab sauberen Strom zu erzeugen. Jetzt prognostizieren Wissenschaftler: Noch in diesem Jahrhundert werden Sonnenwärmekraftwerke die Photovoltaik überholen.

Von Eva Mahnke

"Die Mondlandung ist misslungen", titelte das Handelsblatt vor wenigen Tagen seinen Bericht über die Wüstenstrom-Initative Desertec. Der Titel ist eine Anspielung auf die riesigen Erwartungen, die noch vor einigen Jahren mit der Idee verbunden wurden, Europa im großen Maßstab mit Strom aus Sonnenwärmekraftwerken in Nordafrika zu versorgen.

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Es gibt verschiedene Typen von solarthermischen Kraftwerken: Solche Parabolrinnenkraftwerke sind eine Möglichkeit, aus Sonnenlicht Strom zu machen. (Foto: Solar Millennium AG)

Damals verglich Siemens-Chef und Desertec-Unterstützer Peter Löscher das Desertec-Projekt mit dem US-amerikanischen Apollo-Programm zur ersten Mondlandung. Scheitert mit Desertec nun auch die Technologie solarthermischer Kraftwerke?

Einen Rückschlag für Solarwärmekraftwerke sieht Robert Pitz-Paal, Ko-Direktor des Instituts für Solarforschung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), nicht. "Das Scheitern der Desertec-Initiative bedeutet nicht das Scheitern der Technologie", so der Wissenschaftler. "Allerdings mag die Situation in den nordafrikanischen Ländern erst einmal zu einer Verunsicherung führen, weil die Menschen die Gründe für das Scheitern nicht einschätzen können."

Diese eher psychologische Wirkung habe aber keine längerfristigen Konsequenzen für die Einführung der Technologie. Dabei gehe es vor allem um die Frage, ob die Länder ein Potenzial in den erneuerbaren Energien sehen. Pitz-Paal: "Gerade die Länder, die über keine eigenen fossilen Ressourcen verfügen, sind hier sehr interessiert."

Und nicht nur das. Experten sagen den solarthermischen Kraftwerken sogar eine sehr wichtige Rolle für die globale Energiewende voraus. Zum Beispiel Robert Pietzcker vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK). In den letzten fünf Jahren hat Pietzcker gemeinsam mit Kollegen vom DLR und der TU Berlin ein ökonomisches Modell entwickelt, das abschätzt, welche Rolle die Solarenergie künftig für den Klimaschutz spielen wird.

Das Besondere an dem Modell, dessen Ergebnisse im Fachmagazin Applied Energy veröffentlicht wurden: Es ist das erste seiner Art, das nicht nur ausrechnet, wie wichtig die Solarenergie insgesamt für einen klimafreundlichen Stromsektor wird. Sondern es betrachtet die globale Entwicklung von Photovoltaik und solarthermischen Kraftwerken gleichermaßen und lässt sie gewissermaßen gegeneinander antreten.

Klimaschutz so kostengünstig wie möglich

Die Zielmarke für das Rennen ist der Beschluss der Staatengemeinschaft, die Erderwärmung nicht über die Zwei-Grad-Grenze steigen zu lassen. "Das Modell startet mit der Grundannahme, dass wir dieses Ziel auch tatsächlich erreichen wollen", erläutert Pietzcker. Mit welchen Technologien das geschehen soll, geben die Wissenschaftler dabei nicht vor. "Wir haben das Modell so programmiert, dass es die Technologien danach auswählt, dass die nötigen Emissionsreduktionen zu den niedrigsten Kosten erreicht werden."

Damit das Modell genau das ausrechnen kann, haben die Wissenschaftler es mit mehr oder weniger harten Fakten gefüttert: den aktuellen Preisen für Photovoltaik und solarthermischen Kraftwerken, Annahmen über die erwarteten Lernkurven dieser Technologien und die damit verbundenen Kostensenkungen, Informationen zur Sonneneinstrahlung in den verschiedenen Weltregionen sowie Daten zu den für die Technologien nutzbaren Flächen.

Für letztere gilt: Das Flächenpotenzial für Sonnenwärmekraftwerke ist sehr viel geringer. "Während Photovoltaikanlagen praktisch überall gebaut werden können, lohnen sich solarthermische Kraftwerke nur in sehr sonnenreichen Regionen, in Europa vor allem in Spanien, Italien, Portugal, Zypern oder Griechenland", erklärt Pietzcker.

Photovoltaik: 85 Prozent Kostensenkung in 25 Jahren

In dem Rennen um den Klimaschutz-Champion der Solarenergie startet die Photovoltaik von der Pole-Position. Die Technologien sind bereits weit entwickelt und ihre Kosten durch die Massenproduktion stark gesunken – um 85 Prozent in den vergangenen 25 Jahren. "Im globalen Durchschnitt kostet die Installation von einem Kilowatt Photovoltaik zurzeit etwa 1.600 Euro, wobei für große Anlagen der Preis deutlich niedriger liegen kann", so Pietzcker.

Bei solarthermischen Kraftwerken sind es dagegen stolze 6.500 Euro pro Kilowatt, wenn Wärmespeicher und ein entsprechend angepasstes Solarfeld mitgerechnet werden. Das spiegelt sich auch in den Installationszahlen für Solarenergie wider: Weltweit sind nach Zahlen der Internationalen Energieagentur IEA mittlerweile rund 150.000 Megawatt Photovoltaikleistung installiert, aber nur 4.000 Megawatt solarthermische Leistung.

Diese Kosten lassen sich aber noch drücken. "Im Wesentlichen gib es drei Baustellen, um die Effizienz der Systeme nach oben zu bringen", erläutert Robert Pitz-Paal vom DLR. Zum einen könne man die Effizienz der Kraftwerke erhöhen, um mit weniger Kollektoren die gleiche Energie bereitzustellen. "Effizienz funktioniert bei solarthermischen Kraftwerken im Wesentlichen über die Temperatur", so der Wissenschaftler. Mit zunehmender Prozesstemperatur könnten die Anlagen aus der Wärme, die bereitgestellt wird, anteilig mehr Strom erzeugen. "Man arbeitet heute daran, über neue Wärmeträgermedien die Temperatur in den Systemen zu erhöhen, um damit den Wirkungsgrad der Kraftwerke zu verbessern."

Flüssigsalze für mehr solare Kraftwerksleistung

So etwa forschen Ingenieure des Chemieriesen BASF zurzeit intensiv an anorganischen Flüssigsalzen. Die sollen künftig die sogenannten Thermoöle in den Leitungen der Fresnel-Spiegel-Kollektoren ersetzen. Die Öle dienen als Trägermedium für die Sonnenwärme, die die Kraftwerke mithilfe von Hunderten von Spiegeln einsammeln.

Während sich Thermoöle ab circa 300 Grad Celsius anfangen zu zersetzen, halten die Flüssigsalze viel höhere Temperaturen aus. Mit der höheren Temperatur können die Kraftwerke mehr Wasser verdampfen und aus den Turbinen im Kraftwerk mehr Leistung herausholen. Eine entsprechende Demonstrationsanlage haben BASF und das Karlsruher Solarunternehmen Novatec Solar im September in Spanien in Betrieb genommen.

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Die Demonstrationsanlage von Novatec Solar und BASF mit Flüssigsalz-Technologie befindet sich am solarthermischen Fresnel-Kraftwerk PE 2 in Spanien. (Foto: BASF)

Weiteres Entwicklungspotenzial liegt Robert Pitz-Paal zufolge in der Größe der Kraftwerke: Große Anlagen ließen sich deutlich kostengünstiger und effektiver bauen. "Man kann sich auch vorstellen, dass man über eine Standardisierung der Kraftwerke die Kosten noch einmal erheblich reduzieren kann."

Drittens seien die Kosten für die Komponenten, wie Spiegel oder Rohre, in den vergangenen Jahren stark gesunken – durch Effizienzsteigerungen in der Produktion und eine größere Konkurrenz unter den Anbietern. Und auch bei den Speichern, mit deren Hilfe die solarthermischen Kraftwerke auch bei Dunkelheit noch Strom erzeugen können, sieht Pitz-Paal noch großes Potenzial.

Robert Pietzcker vom Potsdam-Institut und seine Kollegen gehen davon aus, dass all das den Preis für ein Kilowatt solarthermische Kraftwerksleistung bis zur Mitte des Jahrhunderts um ein Drittel bis um die Hälfte senken wird. Das heißt aber: Ein Solarwärmekraftwerk wird dann immer noch mehr kosten als eine Photovoltaikanlage mit gleicher Leistung heute. Und auch für die Photovoltaik erwarten die Forscher weitere, wenn auch moderate Preissenkungen.

2100 werden die Sonnenwärmekraftwerke vorn liegen

Dennoch kommt das Modell aus Potsdam zu einem auf den ersten Blick überraschenden Ergebnis: Zwar liegt die Photovoltaik zur Mitte des Jahrhunderts mit einem Anteil von 20 Prozent an der globalen Stromerzeugung noch deutlich vor den solarthermischen Kraftwerken mit nur neun Prozent. Aber zum Ende des Jahrhunderts haben die Sonnenwärmekraftwerke die Photovoltaik überholt. "2100 würden sie einen Anteil von 40 Prozent an der globalen Stromproduktion haben", fasst Pietzcker die Ergebnisse zusammen. Auf die Photovoltaik würden demgegenüber nur 31 Prozent entfallen. Wie kommt es dazu?

So günstig Solaranlagen als solche auch sein mögen, sie haben einen entscheidenden Nachteil: Je größer ihr Anteil an der Stromversorgung wird, desto mehr muss man sich darum kümmern, ihr schwankendes Stromangebot auszugleichen. "Ein geringer Anteil einer fluktuierenden Quelle hat keinen großen Einfluss auf das Gesamtsytem", heißt es hierzu in Pietzckers Studie. Sobald aber eine solche Technologie anfange, den Energiemix zu dominieren, würden sich auch die Schwankungen stärker auswirken. Pietzcker: "Dann braucht das System mehr Integrationsmaßnahmen."

Wärme lässt sich viel einfacher speichern als Strom

Eine solche Maßnahme ist zum einen ein großflächiger Netzausbau: Wenn die Sonne in einer Region nicht scheint, tut sie es vielleicht woanders. Eine andere Maßnahme ist der Bau von Stromspeichern. Genau hier liegt der Grund dafür, warum die solarthermischen Kraftwerke die Photovoltaik in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts überholen werden. Denn die solarthermischen Kraftwerke bringen die Möglichkeit mit, die erzeugte Wärme nicht gleich zu nutzen, sondern sie in Wärmespeichern für Zeiten ohne Sonnenschein aufzubewahren. "Die Wärme zu speichern und später daraus Strom zu erzeugen, ist sehr viel kostengünstiger als eine Batterie zu bauen", so Pietzcker.

Neben der einfacheren Integration ins Stromsystem erreiche ein solarthermisches Kraftwerk mit Wärmespeicher und angepasstem Solarfeld zudem eine deutlich höhere jährliche Stromproduktion als eine Photovoltaikanlage gleicher elektrischer Leistung. Inzwischen geht der Trend auch klar in die Richtung, die Kraftwerke von vornherein mit einem Speicher auszurüsten.

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Mit Speichern kombiniert sind solarthermische Kraftwerke wie dieses Solarturmkraftwerk eine verlässliche Stromquelle. (Foto: BrightSource Energy)

Ebenso wie die Internationale Energieagentur sieht Pietzcker in der Solarenergie großes Potenzial für den klimafreundlichen Umbau der Stromversorgung. "Solarstrom könnte langfristig der tragende Pfeiler für Emissionsreduktionen im Stromsektor sein." Aufgrund der langen Planungszeiten im Strombereich sei es wichtig, heute die Weichen richtig zu stellen und Solartechnologien maßvoll zu fördern. Das gelte vor allem für die bisher vernachlässigten solarthermischen Kraftwerke. "Länder mit hoher direkter Sonneneinstrahlung sollten die Förderung von solarthermischen Kraftwerken vielleicht nicht vernachlässigen", so Pietzcker.

Um die Kosten der Technologie langfristig tatsächlich zu senken, brauche es einen "kontinuierlichen Markt", ist auch Robert Pitz-Paal vom DLR überzeugt. "Allein am Reißbrett kann man Technologien nicht unendlich billig machen. Die technologische Optimierung und die Entwicklung eines Marktes müssen immer Hand in Hand gehen."

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