Desertec

Jahrelang wurde die Idee als Spinnerei abgetan, doch dann ging alles ganz schnell: beherrschte weltweit die Schlagzeilen. Zwölf Wirtschaftsschwergewichte hatten sich zur Desertec Industrial Initiative (DII) zusammengetan und verkündet, Tausende Quadratkilometer große Hohlspiegelkraftwerke in der Sahara bauen zu wollen. Mit Strom aus Wüstensonne soll der stetig wachsende Energiehunger der Welt gestillt werden, deren Ölreserven schwinden und die durch die Verbrennung von Öl, Kohle und Gas immer wärmer wird.

Die Energiemengen, die die Sonne täglich auf die Flächen der nordafrikanischen Sahara prasseln lässt, sind so immens, dass Spiegelkraftwerke auf einer Gesamtfläche von 90.000 Quadratkilometern die ganze Welt mit sauberer, emissionsfreier Energie versorgen könnten. Trotzdem wäre diese Fläche kaum mehr als ein glitzernder Fleck in der neun Millionen Quadratkilometer großen Wüste.

Bislang ist das aber eher ein Rechenspiel. Eine über Jahrzehnte gewachsene Versorgungsinfrastruktur, die auf fossilen Energieträgern basiert, lässt sich nicht von heute auf morgen auf Solarbetrieb umschalten. So mutet das Ziel der DII bescheiden an: Bis zum Jahr 2050 sollen 15 Prozent des europäischen Strombedarfs mit Strom aus der Wüste gedeckt werden.

Bei Desertec trifft Lowtech auf Hightech. Die Idee an sich ist simpel: Sonnenstrahlen werden gebündelt, Wasser verdampft, Turbinen angetrieben. Keine komplizierte Kernfusion, keine Dünnschicht-Silizium-Solarzellen, kein unterirdisch gespeichertes CO2. Stattdessen solide Ingenieurskunst, die schon vor fast hundert Jahren in Ägypten zum Einsatz kam.

Die Herausforderungen liegen im Detail: Wie verbessert man die vermeintlich simple Technologie so, dass der Solarstrom konkurrenzfähig wird zu Kohle und Kernkraft?

Es sind vor allem deutsche Ingenieure, die derzeit daran arbeiten. Mit Erfolg: Die Wirkungsgrade solarthermischer Kraftwerke nähern sich der 20-Prozent-Marke. Experten vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt rechnen damit, dass ab dem Jahr 2020 der Strom aus der Wüste billiger sein wird als der aus unseren Kraftwerken. 

Kopenhagen

Bald werden die Staaten der Welt in darum ringen, wie viel CO2 sie reduzieren wollen - um die globale Erwärmung in Schach zu halten. Desertec ist ein Plan, wie eine saubere, klimaverträgliche Energieversorgung einmal aussehen könnte. Auch für die USA gibt es ein ähnliches Konzept, den Great Solar Plan.

SPIEGEL ONLINE gibt einen Überblick über den derzeitigen Stand der Solarthermie-Technologie:

Die Techniken der Sonnenfänger

Mit vier Methoden kann man die Wärme der Sonnenstrahlen bündeln:

• Parabolrinnen-Kollektor
• Fresnel-Kollektor
• Solarturm
• Solarschüssel

Laut Nikolaus Benz, Geschäftsführer der Schott Solar CSP GmbH, sind Parabolrinnen die bevorzugte Technologie. "Mit ihnen hat man die meiste Erfahrung, Parabolrinnen-Kraftwerke sind seit über 25 Jahren in der kalifornischen Mojave-Wüste in Betrieb." Und sie laufen und laufen. Experten rechnen mit einer Lebensdauer von 40 Jahren.

Die Hohlspiegel sind so gekrümmt, dass sie das Licht auf ein parallel verlaufendes Glasrohr bündeln. In diesem sogenannten Empfänger ist ein spezielles Öl enthalten. Die geballten Strahlen heizen es auf 400 Grad Celsius, über einen Wärmetauscher-Kreislauf geleitet, erhitzt das Öl Wasser zu Dampf. Der treibt wie in einem normalen Kraftwerk Turbinen an. Im Laufe des Tages wird die Ausrichtung der Spiegel motorisiert dem Lauf der Sonne nachgeführt, um stets die optimale Strahlungsintensität zu erhalten.

Ein Parabolrinnen-Kraftwerk kann erweitert werden, sagt Benz. Man stellt einfach mehr Kollektoren dazu. Der Wirkungsgrad liegt im Jahresmittel bei rund 15 Prozent.

Fresnel-Kollektoren (sprich: Frenell) funktionieren wie Parabolrinnen, unterscheiden sich aber im Aufbau der Spiegel. Sie bestehen nicht aus einem einzigen gebogenen Stück, sondern aus vielen kleinen, flachen Spiegeln. Fresnel-Kollektoren sind daher billiger - aber auch uneffektiver. Und es fehlt an Erfahrung: "Mit diesen Kollektoren wurden noch keine größeren Anlagen gebaut", sagt Benz.

Bei einem Solarturm sitzt der Empfänger in der Spitze des Turms, um ihn herum sind ungewölbte Spiegelkollektoren angeordnet. In der Turmspitze entstehen extrem hohe Temperaturen: Bis zu 1100 Grad Celsius kann sie heiß werden. Genug, um Luft direkt zu erhitzen und Gasturbinen anzutreiben - man braucht weder Öl noch Wasser als Wärmeleiter. Das steigert den Wirkungsgrad: in Versuchsanlagen wurden schon 20 Prozent erreicht. Deutsche Wissenschaftler optimieren derzeit an einem Versuchsturm in Jülich diese Technologie.

Solarschüsseln sehen aus wie Satellitenschüsseln: Ein großer Hohlspiegel bündelt die Sonnenstrahlen auf einen Empfänger in der Mitte. Dort wird über einen sogenannten Stirling-Motor Strom direkt erzeugt.

Spiegel im Sandsturm - Schwachstellen der Solarthermie-Kraftwerke

In der Wüste geht es rau zu. Mehrere Fragen drängen sich einem auf:

• Können die empfindlichen Spiegel Sandstürme überstehen?
• Wie will man Kollektoren auf Sanddünen errichten?
• Woher bekommt man Kühlwasser für den heißen Wasserdampf?
• Wie erzeugt man nachts Strom?

Solarthermie hat gegenüber Photovoltaik einen großen Vorteil: Sie produziert Wärme, und die lässt sich sehr gut speichern - viel besser als Strom. Riesige Tanks mit Tausenden Tonnen Kalium- und Natriumnitrat-Flüssigsalz sind an das Solarthermie-Kraftwerk gekoppelt. Die Verbindungen sind keine giftige Chemie, sondern auch im normalen Dünger enthalten. Ein Teil der produzierten Wärme wird in die Tanks geleitet. Bei Nacht können die Wärmespeicher die Turbinen 7,5 Stunden lang weiterlaufen lassen.

Und die Sandstürme? In der kalifornischen Wüste laufen neun Parabolrinnenkraftwerke seit über 20 Jahren im Langzeittest - ohne Probleme. Kommt ein Sandsturm, lassen sich die beweglichen Spiegel in eine Ruheposition fahren, in der sie vor dem Gröbsten geschützt sind, berichtet Lars Schnatbaum-Laumann von der Solar Millennium AG, die gerade in Spanien an ihrem dritten Solarthermie-Kraftwerke baut. Auch die Reinigung ist wassersparend möglich: "Es gibt mittlerweile schon Putzroboter, die die Spiegel von Sand und Staub automatisch reinigen können - mit sehr geringem Wasserverbrauch."

Auch der Wüstenboden ist kein Problem: "Viele Leute verbinden mit Wüste immer gleich Sanddünen", sagt Schnatbaum-Laumann. "Dabei sind rund 80 Prozent der Sahara Stein- oder Geröllwüste."

Woher aber kommt das Kühlwasser? "Wasserkühlung ist die optimale Variante", sagt Schnatbaum-Laumann. Aber es geht auch ohne: "Man kann auch mit Luft kühlen. Das kostet zwar vier Prozentpunkte Wirkungsgrad, aber es ist immer eine Abwägung, ob ein Kraftwerk an einem Standort mit hoher Sonneneinstrahlung, ohne Wasser nicht trotzdem in der Energiebilanz besser ist als an einem schlechteren Standort mit Wasser."

Wie kann solarthermisch erzeugter Strom billiger werden?

Eine Kilowattstunde solarthermisch erzeugter Strom ist derzeit mit rund 20 Cent noch teurer als die sechs Cent, die eine konventionell erzeugte Kilowattstunde kostet. Laut einer Schätzung des Konzerns MAN könnte man jedoch schon heute an einem sonnenreichen Standort solarthermischen Strom für 14 bis 18 Cent pro Kilowattstunde erzeugen.

Die Preise werden fallen, glaubt nicht nur Nikolaus Benz, Geschäftsführer der Schott Solar CSP GmbH . "Bis zum Jahr 2020 wird eine Kilowattstunde solarthermisch erzeugter Strom weniger als 10 Cent kosten." Berücksichtigt man die stetig steigenden Ölpreise und die Kosten für die Emission von CO2 wird dann solarthermisch erzeugter Strom wettbewerbsfähig sein.

Die ersten Solarthermie-Kraftwerke in der kalifornischen Mojave-Wüste wurden in den achtziger Jahren gebaut - und sie laufen noch immer. "Wir rechnen mit Laufzeiten von 40 Jahren", sagt Nikolaus Benz. "Es ist erstaunlich, dass man bereits mit der ersten Generation solche Werte erreicht." Kohlekraftwerke gibt es seit 150 Jahren, ihr Wirkungsgrad lag anfangs bei fünf Prozent. Solarthermie kann also noch zulegen.

Was kostet ein Solarthermie-Kraftwerk? "Ein 250-Megawatt-Parabolrinnen-Kraftwerk mit Salzspeicher kann man für eine Milliarde Euro bauen", sagt Benz. Kohlekraftwerke und Kernkraftwerke mit 45 bzw. 35 Prozent Wirkungsgrad sind von den Baukosten her zwar deutlich billiger - für 1,2 Milliarden Euro kann man ein gängiges Kohlekraftwerk mit fast vierfacher Leistung bauen. Doch sie brauchen dauernd Brennstoff, Sonnenstrahlen hingegen gibt es umsonst.

Auch sind in die sechs Cent, die eine konventionell erzeugte Kilowattstunde kostet, die Folgekosten nicht mit eingerechnet: Kohle und Uran müssen gefördert werden, das kostet, verursacht CO2 und zerstört die Umwelt. Brennstäbe und CO2 müssen teuer entsorgt werden. Ab 2013 werden Kohlekraftwerksbetreiber für jede Tonne CO2 kräftig draufzahlen müssen. Die unterirdische CO2-Speicherung (CCS), die derzeit erforscht wird, wird den Wirkungsgrad von Kohlekraftwerken um ganze zehn Prozentpunkte vermindern.

Ein Solarthermiekraftwerk hingegen läuft emissionsfrei, seine Herstellungsenergie hat sich nach wenigen Monaten Betriebszeit amortisiert, die Kosten hat es in 20 Jahren wieder hereingeholt, sagt Lars Schnatbaum-Laumann.

Werner Platzer, Geschäftsfeldleiter Solarthermie am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, sieht noch folgende kritische Punkte, die den Preis bestimmen:

• Es gibt noch keine Serienproduktion von Parabolrinnen-Kollektoren
• Skalierungseffekte: Große Kraftwerke sind billiger als kleine. Bislang aber wurden eher kleine Anlagen gebaut
• Je mehr Kraftwerke gebaut werden, desto mehr Erfahrung gibt es, und desto billiger wird die Planung weiterer Kraftwerke
• Die Technologie kann noch verbessert werden: Statt Öl kann in den Empfängern Wasser direkt verdampft werden; Betonspeicher könnten besser sein als Salzspeicher; Solartürme könnten Parabolspiegeln überlegen sein

Wie der Strom transportiert wird

Da man den Sonnenschein nicht wie Kohle und Uran transportieren kann, müssen Solarthermie-Kraftwerke dort gebaut werden, wo die Sonne scheint. Bislang baute man Kraftwerke nah am Verbrauchsort. In Zukunft, so meinen Experten, wird man den sauber erzeugten Strom über weite Strecken zum Verbraucher leiten. Das geht nur mit Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ). Wechselstrom-Leitungen würden zu große Verluste auf diese Distanzen bringen.

Auch diese Technik ist erprobt: Die Firma ABB verlegt seit Jahren sowohl unterseeisch als auch an Land HGÜ-Kabel. "Bei dem Norned-Projekt  haben wir in 410 Metern Tiefe ein 580 Kilometer langes Kabel zwischen Norwegen und den Niederlanden gelegt", sagt Günther Stark, Leiter des Fachvertriebs für den Bereich elektrische Netze bei ABB Deutschland. Die Aktion dauerte zwei Wochen und kostete 600 Millionen Euro. Das elf Zentimeter dicke Kabel verbindet seither die Stromnetze beider Länder.

Die größten Landkabel würden laut Stark derzeit in China und Indien verlegt. In China wurde ein Wasserkaftwerk in Xiangjiaba über HGÜ mit dem 2000 Kilometer entfernten Shanghai verbunden. Der Energieübertragungsverluste auf dieser Strecke: sieben Prozent. Und einen weiteren Vorteil hat der Gleichstrom: "Ein neues HGÜ-Netz in Europa könnte zu Teilen auch unterirdisch verlegt sein", sagt Stark.

Wo steht Solarthermie heute?

erneuerbarer Energie

Die Union für das Mittelmeer aus den EU-Staaten, den Mittelmeeranrainern sowie Jordanien und Mauretanien hat in ihrem Solarplan  verkündet, bis zum Jahr 2020 in der Region 20 Gigawatt an Kraftwerksleistung zu installieren. Davon sollen 10 bis 12 Gigawatt solarthermisch erzeugt werden. Damit könnte man die Hälfte aller derzeit in Deutschland betriebenen Kernkraftwerke ersetzen. Geschätzte Kosten: 82 Milliarden Euro.