Stromerzeugung mit Spiegeln: China strebt an die Weltspitze
Kürzlich gab es in unserem Land zwei große aufeinanderfolgende Nachrichten im Bereich der solarthermischen Stromerzeugung.
Am 29. Juni ging das erste 100.000-Kilowatt-Solarthermie-Kraftwerk des Kernkraftwerks Jixi in der Provinz Jilin, das erste solarthermische Kraftwerk im Nordosten Chinas, in der Stadt Da'an in Betrieb und erzeugte Strom.
Dies ist das solarthermische Kraftwerk mit der höchsten geografischen Breite in China und auch ein Anwendungsbeispiel für die solarthermische Stromerzeugungstechnologie in kalten Gebieten mit hoher geografischer Breite weltweit.
Am 20. Mai wurde die erste Heliostatenspiegelung des weltweit größten Turm-Solarthermie-Kraftwerks – das 350-MW-Solarthermie-Demonstrationsprojekt des Kernkraftwerks Golmud – erfolgreich montiert und ausgeliefert.
Wie erzeugt Solarthermie Strom?
Chinas Photovoltaik-Stromerzeugungskapazität steht weltweit an erster Stelle. Warum muss man trotzdem die solarthermische Stromerzeugung entwickeln?
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Einzigartige Vorteile
Das Prinzip der solarthermischen Stromerzeugung ist nicht kompliziert.
Als Kind hat man bestimmt alle eine Lupe benutzt, um das Sonnenlicht auf einen Punkt zu bündeln und damit Ameisen zu verbrennen.
Ein solarthermisches Kraftwerk macht dasselbe, nur verwendet es Hohlspiegel, und die Fläche, auf die das Licht gebündelt wird, ist millionenfach größer.
Hohlspiegel
Im Einzelnen umfasst die solarthermische Stromerzeugung vier entscheidende Schritte: Lichtverfolgung, Wärmeabsorption, Wärmespeicherung und Stromerzeugung.
Bei den Schritten der Lichtverfolgung und Lichtbündelung verfolgen Tausende von computergesteuerten Reflektoren in Echtzeit die Position der Sonne wie Sonnenblumen, reflektieren das Sonnenlicht präzise und bündeln es auf einem zentralen Empfänger oder einem Sammelrohr.
Das gebündelte Sonnenlicht erzeugt extrem hohe Temperaturen, erwärmt und schmilzt das Wärmeübertragungsmedium (z. B. geschmolzenes Salz) und vollendet damit den Schritt der Wärmeabsorption.
Anschließend wird das erhitzte geschmolzene Salz mit der überschüssigen Wärme des Tages in riesigen Wärmespeichersystemen wie geschmolzenen Salzbehältern gespeichert und dient als „Powerbank“ des Kraftwerks, um den Effekt der Energiespeicherung zu erzielen.
Wenn Strom benötigt wird, beispielsweise nachts, wird dieses Hochtemperaturmedium wieder freigesetzt. Es erhitzt Wasser über einen Wärmetauscher zu Hochtemperatur- und Hochdruckdampf, der eine Dampfturbine antreibt und damit einen Generator zur Erzeugung von Elektrizität antreibt – so wird die Stromerzeugung abgeschlossen.
Visualisierung des Golmud-Projekts
Das Solarthermie-Projekt des Kernkraftwerks Golmud ist mit einem 14-stündigen Wärmespeichersystem mit geschmolzenem Salz ausgestattet, das den Strombedarf für die gesamte Nacht decken kann.
Daher basiert die grundlegende Logik der Stromerzeugung mit Spiegeln immer noch auf dem „Betreiben eines Kessels“.
Das im Golmud-Projekt verwendete geschmolzene Salz ist eine Mischung aus Natriumnitrat und Kaliumnitrat. Diese Mischung ist bei Raumtemperatur fest, wird nach Erhitzen auf 500 bis 600 Grad flüssig, kann fließen und gespeichert werden und überträgt die Wärme.
Diese übertragene Wärme ist tatsächlich die direkte Energiequelle für die Stromerzeugung in der Nacht.
Der gesamte Lebenszyklus eines solarthermischen Kraftwerks kann ohne CO2-Emissionen ablaufen.
Natürlich hat die solarthermische Stromerzeugung auch Nachteile – im Vergleich zur Photovoltaik ist der größte Nachteil vor allem die hohen Kosten.
Die anfänglichen Baukosten eines solarthermischen Kraftwerks sind weitaus höher als bei Photovoltaik. Gemessen an der installierten Leistung liegen die Baukosten pro Kilowatt bei etwa 15.000 Yuan.
Die solarthermische Stromerzeugung erfordert eine große Fläche und kann nur in offenen Gebieten wie Wüsten und Gobi gebaut werden.
Beispielsweise sind die in Betrieb genommenen 50-MW-Solarthermie-Kraftwerke in Gonghe, Qinghai, das 50-MW-Turm-Solarthermie-Kraftwerk des China Power Investment in Yiwu, Xinjiang, und das 100-MW-Solarthermie-Kraftwerk in Dunhuang alle in dünn besiedelten Gebieten gebaut.
Das erste 100-MW-Turm-Solarthermie-Kraftwerk mit geschmolzenem Salz in China, das am 27. Dezember 2018 fertiggestellt wurde: das Dunhuang Shouhang 100-MW-Turm-Solarthermie-Kraftwerk mit geschmolzenem Salz
Zurück zur Ausgangsfrage: China ist im Bereich der Photovoltaik weltweit weit voraus – warum sollten wir trotzdem die teurere Solarthermie vorantreiben?
Die Antwort ist „Langzeit-Energiespeicherung“.
Photovoltaik erzeugt Strom nur tagsüber und gehört zur Kategorie „sofort erzeugen und sofort nutzen“ – nicht verbrauchter oder nicht übertragbarer Strom muss einfach verschwendet werden.
Solarthermie hingegen kann „zuerst speichern, dann erzeugen“: Sie speichert tagsüber Wärme und gibt sie nachts langsam ab, um Verschwendung zu vermeiden.
Der nachts ausgegebene Wechselstrom kann direkt ins Netz eingespeist werden und ergänzt sich zudem mit Photovoltaik und Windenergie, um die Spitzenlastabdeckung zu erreichen.
Diese Eigenschaft verleiht der solarthermischen Stromerzeugung unersetzliche Vorteile.
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Weltweiter Spitzenplatz
Die solarthermische Stromerzeugung entstand auf der Grundlage der Entwicklung der modernen Industrie.
In den 1950er Jahren schlugen sowjetische Wissenschaftler erstmals das Konzept des Turm-Solarthermie-Kraftwerks vor und bauten auch ein Demonstrationsgerät.
Danach erlebte die solarthermische Stromerzeugungstechnologie eine wellenförmige Entwicklung, wurde aber aufgrund der hohen Stromerzeugungskosten nie in großem Maßstab angewendet.
Faktoren wie die Ölkrise und die Erderwärmung haben das Interesse an der Solarthermie-Technologie allmählich erhöht.
Im Jahr 2007 baute Spanien in Andalusien, südlich von Sevilla, das weltweit erste kommerziell betriebene Turm-Solarthermie-Kraftwerk PS10 mit einer installierten Leistung von 11 Megawatt.
PS10 Solarthermie-Kraftwerk (oben ist PS20)
Seit 2021 steigt der Anteil der installierten Kapazität von grünem Strom wie Photovoltaik und Windenergie stetig an – es besteht dringender Bedarf an sauberen Energiequellen für große Energiespeicher mit der Fähigkeit zur tiefen Spitzenlastabdeckung.
Nach mehr als zehn Jahren kommerziellen Betriebs ist die solarthermische Stromerzeugungstechnologie ausgereifter, ihre Fähigkeit zur Spitzenlastabdeckung ist hervorragender, und ihre Entwicklung hat einen schnellen Lauf genommen.
Bei den technischen Wegen hat China einen Weg beschritten, der sich völlig von dem weltweiten Mainstream unterscheidet.
Die aktuellen Technologien der solarthermischen Stromerzeugung umfassen zwei Wege: den Turmtyp und den Rinnen-Typ. Der Turmtyp nutzt eine große Anzahl von Heliostatenspiegeln, um das Sonnenlicht auf einen zentralen Wärmeabsorber an der Turmspitze zu reflektieren – dies gehört zur Punkt-Fokussierung.
Der Rinnen-Typ verwendet parabolische rinnenförmige Reflektoren, um das Sonnenlicht auf einen röhrenförmigen Empfänger zu bündeln – dies gehört zur Linien-Fokussierung.
Rinnen-Typ Solarthermie-Stromerzeugungsanlage
Die Arbeitstemperaturen und Wirkungsgrade der beiden Typen unterscheiden sich stark: Der Turmtyp hat ein hohes Lichtbündelungsverhältnis von über 1000-fach, die Arbeitstemperatur des Arbeitsmediums kann 560 °C oder sogar über 1000 °C erreichen, und der theoretische Stromerzeugungswirkungsgrad ist höher – in der Regel zwischen 35 % und 40 %.
Die Arbeitstemperatur des Arbeitsmediums beim Rinnen-Typ ist normalerweise auf etwa 400 °C begrenzt, und der Wirkungsgrad liegt nur bei etwa 30 %.
Die Rinnen-Technologie hat eine niedrige Einstiegshürde, eine einfache Systemstruktur und ist leicht zu warten – sie wurde zuerst kommerzialisiert und macht weltweit über 90 % der kumulierten installierten Kapazität aus.
Die Turm-Technologie ist komplexer und stellt strenge Anforderungen an das Steuerungssystem, eignet sich aber besser für große Kraftwerke mit einer Leistung von über 100 Megawatt.
China ist ein großes Land mit einem riesigen Stromnetz und hat sich für die Turm-Technologie entschieden, die für große Anlagen geeignet ist.
Die Turm-Technologie entspricht den nationalen Gegebenheiten, aber ihre großflächige Anwendung erfordert die Überwindung vieler Schwierigkeiten.
Beispielsweise war das Kernmaterial für den zentralen Wärmeabsorber in der Turm-Technologie einst in ausländischer Hand kontrolliert.
Großflächige Anwendung bedeutet eine größere Fläche und mehr Reflektoren.
Je mehr Reflektoren vorhanden sind, desto mehr Sonnenlicht wird reflektiert, desto höher ist die Temperatur und desto größer ist die Stromerzeugung.
Um so viel Sonnenwärme wie möglich auf das geschmolzene Salz zu übertragen, muss der zentrale Wärmeabsorber über spezielle Wärmeabsorptionsmaterialien verfügen.
Im Jahr 2023 durchbrach das Team des Lanzhou-Instituts für Chemische Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Schlüsseltechnologie für nanohochentropische Hochtemperatur-Solarabsorptionsbeschichtungen, entwickelte die SolarShot1108-Hochtemperatur-Solarabsorptionsbeschichtung und realisierte ihre großflächige Herstellung. Bei Hochtemperaturbetrieb erreicht die Solarabsorptionsrate 0,975.
Diese Beschichtung wurde im zuvor erwähnten 100-MW-Turm-Solarthermie-Kraftwerk mit geschmolzenem Salz von Dunhuang Shouhang Energy Saving angewendet.
Das allein reicht nicht aus: Um die Sonneneinstrahlung maximal zu absorbieren, müssen die Reflektoren der Sonnenbahn folgen und das Sonnenlicht so weit wie möglich auf den zentralen Wärmeabsorber reflektieren.
Das 700-MW-Projekt „Solarthermie-Speicher+“ in Guazhou, Gansu, das im Oktober 2025 in Betrieb ging, ist das weltweit erste „Zwei-Turm-Eine-Maschine“-Solarthermie-Speicherkraftwerk.
Das Steuerungssystem verwendet intelligente Algorithmen von Huawei, und die Lichtverfolgungsgenauigkeit jedes Spiegels wird auf unter 0,1° kontrolliert.
Projekt „Solarthermie-Speicher+“ in Guazhou, Gansu
Um die Temperaturgrenze von geschmolzenem Salz von 560 °C zu durchbrechen, erforschen chinesische Forschungsteams die Verwendung von festen Partikeln wie Quarzsand als Ersatz für geschmolzenes Salz. Das Ziel ist, die Wärmeabsorptionstemperatur auf über 1000 °C zu erhöhen und damit den theoretischen Stromerzeugungswirkungsgrad von 45 % auf 60 % zu steigern.
Chinas Solarthermie-Technologie überwindet ständig Schwierigkeiten – der Lokalisierungsgrad der technischen Ausrüstung hat 95 % überschritten, Schlüsselmaterialien und Kernausrüstung sind vollständig unabhängig und kontrollierbar, und die Stromerzeugungskosten sinken stetig.
Auch bei den Spitzentechnologien der solarthermischen Stromerzeugung ist China weltweit führend.
Je größer die Reflektoren sind, desto mehr Sonnenlicht wird gesammelt – und der Wirkungsgrad der Stromerzeugungsaggregate muss ebenfalls gesteigert werden.
Das „Super Carbon No.1“, das Ende letzten Dezembers in Liupanshui, Guizhou, erfolgreich kommerziell in Betrieb genommen wurde, ist das weltweit erste kommerzielle überkritische Kohlendioxid-Stromerzeugungsaggregat von Shougang Shuigang Group.
Die überkritische Kohlendioxid-Stromerzeugung ist eine neue Technologie,