Solarkraftwerke werden genau dort gebaut, wo das Wasser am schnellsten verschwindet
Der Standort eines Solarkraftwerks richtet sich nach der Sonneneinstrahlung, und diese ist der entscheidende Faktor für die Verdunstung. Genau jene Bedingungen, die einen Standort rentabel machen (intensive Sonneneinstrahlung, trockene Luft, freier Wind), sind es auch, die ein offenes Reservoir am schnellsten leeren. Die Solarstromerzeugung benötigt Wasser zum Waschen, zur Dampferzeugung und zur Kühlung, und sie speichert dieses Wasser genau dort, wo es am schwierigsten zu bewahren und am schwersten zu ersetzen ist.
Niemand baut ein Solarkraftwerk an einem Ort, an dem es bewölkt ist. Bei der Standortwahl geht es im Kern um die Suche nach Sonneneinstrahlung: Strahlungskarten, Tage mit klarem Himmel, geringe Luftfeuchtigkeit, günstiges, ebenes Gelände. Diese Suche führt fast zwangsläufig in trockenes, windiges Gelände. Und dann stellt das Kraftwerk fest, was die Strahlungskarte nie gezeigt hat: Es braucht Wasser.
Der Standort wird aufgrund der Sonneneinstrahlung ausgewählt, und das Wasser ergibt sich daraus
Wasser ist kein Standortkriterium für Solaranlagen. Es wird erst im Nachhinein zu einem Betriebsproblem. Sobald die Anlage dort steht, wo die Sonne scheint, muss das Wasser dorthin gebracht werden: über Brunnen, Rohrleitungen, Entsalzungsanlagen oder Lkw. Jeder Kubikmeter ist mit Kosten verbunden, die eine Anlage in einer gemäßigten Klimazone einfach nie zu tragen hat, und in vielen Ländern gilt zudem eine genehmigte Obergrenze dafür, wie viel Wasser überhaupt entnommen werden darf.
Dieses Wasser muss dann vor Ort in offenen, dem Himmel ausgesetzten Reservoirs gespeichert werden. Hier schließt sich der Kreis des Paradoxons: Gerade dort, wo man das Wasser am leichtesten verliert, ist seine Gewinnung am teuersten.
Eine Solaranlage verbraucht Wasser, und zwar mehr, als die meisten Menschen annehmen.
Photovoltaikparks verlieren an Leistung, wenn die Module verschmutzt sind, und die Verschmutzung ist gerade dort am stärksten, wo es am wenigsten regnet. Die Reinigung eines Moduls erfordert unter normalen Bedingungen in der Regel 3 bis 5 Liter Wasser, in staubigen, trockenen Umgebungen hingegen 7 bis 8 Liter. Eine 1-MW-Anlage mit rund 3.000 Modulen kann in einem einzigen Reinigungszyklus etwa 20.000 Liter verbrauchen, und an trockenen Standorten werden pro Jahr eher mehr als weniger Zyklen durchgeführt.
Bei der konzentrierten Solarenergie kommt zusätzlich zur Spiegelreinigung ein Dampfkreislauf zum Einsatz. Nassgekühlte Parabolrinnen- und Turmkraftwerke verbrauchen etwa 2,5 bis 3,5 Kubikmeter Wasser pro erzeugter MWh. Durch Trockenkühlung lässt sich dieser Verbrauch drastisch um rund 90 Prozent senken, erreicht jedoch nicht den Nullpunkt: Die Spiegel müssen weiterhin gereinigt werden, und der Kreislauf benötigt nach wie vor entmineralisiertes Nachspeisewasser. Hybridkraftwerke liegen irgendwo dazwischen und tauschen an den heißesten Tagen – also genau an den Tagen, an denen die Anlage am meisten Strom erzeugen möchte – Wasser gegen Effizienz ein.
Nach industriellen Maßstäben ist das keine große Menge. Im Verhältnis zu dem, was der Standort liefern kann, ist es jedoch eine große Menge.
Die physikalischen Zusammenhänge: Die Strahlung, die die Kosten der Anlage deckt, ist dieselbe Strahlung, die das Becken leert.
Die Verdunstung von einer offenen Wasseroberfläche ist kein Zufallsprodukt der Wetterbedingungen. Sie wird durch vier Faktoren bestimmt, die in der Penman-Gleichung (der für offenes Wasser geltenden Form derselben Energiebilanz, auf der auch das Penman-Monteith-Modell basiert) ausdrücklich genannt werden: die Netto-Sonneneinstrahlung als Energiequelle, das Dampfdruckdefizit zwischen dem Wasser und der darüber liegenden Luft, die Windgeschwindigkeit und die Temperatur.
Vergleichen Sie diese Liste noch einmal mit den Anforderungen an einen geeigneten Solargelände. Hohe direkte Sonneneinstrahlung liefert die Energie. Niedrige Luftfeuchtigkeit maximiert das Dampfdruckdefizit, sodass die Luft „durstig“ ist. Offenes, flaches Gelände ermöglicht dem Wind einen ungehinderten Lauf. Hohe Tagestemperaturen erhöhen den Sättigungsdruck an der Oberfläche. Ein guter Solargeländeort maximiert alle vier Faktoren gleichzeitig.
Das ist kein Zufall und auch kein Pech. Es handelt sich um dieselbe physikalische Größe – die Sonneneinstrahlung –, die in zwei verschiedenen Gleichungen vorkommt: in derjenigen, die den Ertrag der Anlage erzeugt, und in derjenigen, die ihr Reservoir entleert. In Trockengebieten kann ein ungeschütztes Reservoir allein durch diesen Mechanismus pro Jahr mehrere Meter Wassersäule verlieren.
Der Wind ist der Beifahrer, der oft unterschätzt wird
Strahlung liefert die Energie, um flüssiges Wasser in Wasserdampf umzuwandeln, doch erst der Wind trägt diesen Wasserdampf ab und hält den Prozess aufrecht. Ohne Wind bildet sich über der Oberfläche eine gesättigte Grenzschicht, wodurch sich die Verdunstung verlangsamt. Bei Wind wird diese Schicht kontinuierlich abgetragen, sodass die Oberfläche gar keine Gelegenheit dazu hat.
Licht hat noch eine weitere Funktion: Es lässt Algen wachsen.
Überall dort, wo Wasser, Nährstoffe und Licht vorhanden sind, wachsen Algen. Bei der Lagerung von Roh- und Waschwasser führt dies zu verstopften Filtern, verschmutzten Düsen, einem höheren Dosierbedarf und einem höheren Arbeitsaufwand. Die Folge ist ein stiller Kreislauf: Verschmutzte Düsen beeinträchtigen die Qualität der Kollektorreinigung, für die die Anlage das Wasser ursprünglich gelagert hat.
Die auslösende Variable ist Licht. Algen gedeihen nicht auf einer Oberfläche, die kein Licht erhält.
Das einzige offene Gewässer weit und breit
Ein offenes Wasserreservoir in einer trockenen Landschaft ist ein Spiegel, der schon von weitem sichtbar ist, und für einen Vogel wirkt es wie eine Oase, denn in dieser Landschaft ist es faktisch eine. Das lockt Wildtiere auf ein Industriegelände, was zu einem Beanstandungspunkt bei Inspektionen und zunehmend auch zu einer Genehmigungsauflage wird.
Umweltgenehmigungen für Großanlagen sehen zunehmend vor, dass offene Wasserflächen zum Schutz von Vögeln und der lokalen Tierwelt abgedeckt oder anderweitig reguliert werden müssen. Was früher als bewährte Praxis galt, wird nun zur Verpflichtung, und die Aufsichtsbehörden überprüfen dies vor Ort.
Was lässt sich tatsächlich bewältigen?
Hier kommt der wichtige Punkt. Die Sonneneinstrahlung lässt sich nicht verändern, denn sie ist der Grund für die Existenz der Anlage. Man kann den Standort nicht in Richtung höherer Luftfeuchtigkeit verlegen, ohne ihn gleichzeitig weiter von der Sonne zu entfernen. Mit dem Dampfdruckdefizit lässt sich nicht verhandeln. Klima, Standortwahl und Sonneneinstrahlung sind keine Variablen, die ein Betreiber beeinflussen kann.
Man kann jedoch beeinflussen, wie viel Flüssigkeitsoberfläche der Atmosphäre ausgesetzt ist.
Verdunstung, Algenwachstum und das Anziehen von Wildtieren scheinen drei voneinander unabhängige Probleme zu sein, die von drei verschiedenen Abteilungen behandelt werden. Es handelt sich jedoch um ein und dasselbe Problem, das dreimal auftritt, da alle drei Phänomene an einer Stelle stattfinden: an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft. Verringert man diese freiliegende Fläche, wirken sich alle drei Probleme gleichzeitig aus, da sie alle davon abhängen.
Genau das leisten schwimmende Abdeckungen bereits seit Jahrzehnten im Bergbau, in der Landwirtschaft und in der Prozessindustrie, und das Prinzip lässt sich ohne Änderungen auf die Solarenergie übertragen, denn die Physik kümmert sich nicht darum, was die Anlage produziert. Modulare Abdeckungen schwimmen auf der Oberfläche, passen sich bei Schwankungen des Wasserstands automatisch an, lassen sich installieren, ohne dass der Speicher entleert oder der Betrieb unterbrochen werden muss, und funktionieren jahrzehntelang wartungsfrei. Die Barriere unterbindet den Stoffaustausch von Wasserdampf, blockiert das Licht, das Algen nährt, und beseitigt den sichtbaren Wasserspiegel.
Es geht hier nicht darum, dass eine Abdeckung ein cleveres Hilfsmittel ist. Es geht um etwas Engeres und Nützlicheres: In der Verdunstungsgleichung einer Solaranlage ist die freiliegende Oberfläche der einzige Faktor, den der Betreiber tatsächlich selbst beeinflussen kann.
Machen Sie den nächsten Schritt
Wenn Sie in einer Solaranlage Waschwasser-, Rohwasser- oder Kühlwasserbecken betreiben und wissen möchten, wie viel Wasser an Ihrem Standort verloren geht und wie viel durch eine Abdeckung der Oberfläche zurückgewonnen werden könnte, erfahren Sie mehr darüber, wie modulare schwimmende Abdeckungen in der Solarstromerzeugung eingesetzt werden.
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