Neues Material macht solarthermische Kraftwerke effizienter
Fraunhofer-Forschende haben gemeinsam mit Industriepartnern einen Weg gefunden, um den Ertrag solarthermischer Kraftwerke zu erhöhen. Schlüsselelemente sind neuartige Wärmeträger sowie eine Luftwand zur thermischen Isolation des Receivers.
Der Testaufbau sieht noch ein wenig improvisiert aus, aber er hat funktioniert.
Foto: Fraunhofer ISE
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE sucht nach Möglichkeiten, die Energiewende weiter voranzutreiben – mit einigen Änderungen könnten solarthermische Kraftwerke zum Beispiel einen höheren Ertrag bringen, was die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen im Projekt HelioGLOW herausgefunden haben. Der Abschlussbericht liegt jetzt vor.
Wärmeträgermedium ermöglicht höhere Temperaturen für solarthermisches Kraftwerk
Herkömmliche Solarturmkraftwerke benötigen ein Wärmeträgermedium, zu dem das gebündelte Licht geleitet wird. Hier entsteht die thermische Energie zur Dampferzeugung – der Dampf treibt den Stromgenerator an. Das Wärmeträgermedium ist meist eine Salzschmelze. Damit wäre auch das Temperaturlimit festgelegt. Es liegt bei 600 Grad Celsius, da das Salz korrodieren kann und sonst Schäden zu erwarten sind. Genau hier hat das Team angesetzt und den Wärmeträger ausgetauscht. Er besteht jetzt aus einem Festkörper und verträgt mehr als 1.000 Grad Celsius. Das erhöht die Effizienz des solarthermischen Kraftwerks erheblich.
Eisspeicher: Energie, die aus der Kälte kommt
Dabei werden die Wärmeträger ähnlich wie in einem Karussell durch den Receiver gefahren und direkt aufgeheizt. Die Firma Kraftblock GmbH hat dafür als Industriepartner innovative keramische Receiverelemente entwickelt, deren nicht-korrosives und umweltfreundliches Material sich durch eine hohe Wärmespeicherkapazität auszeichnet. Das Keramikmaterial wird zudem in einem Recycling-Verfahren hergestellt, weswegen es günstig und nachhaltig zugleich ist.
Kilowattstunde Strom wird günstiger
Das Material ist stabil genug, um als Wärmeträger zu fungieren. Das haben die Forschenden in einem Teststand am Fraunhofer ISE gezeigt. Anschließend haben sie es im Solarsimulator des IMDEA-Instituts für Energieforschung in Madrid geprüft. „Das nächste Ziel ist, das Material des Receivers weiterzuentwickeln, sodass die Energie tiefer ins Innere des Körpers geleitet wird“, sagt Gregor Bern, Gruppenleiter Konzentrierende Systeme und Technologien am Fraunhofer ISE.
Der neue Wärmeträger hat einen weiteren Vorteil: Er vereint Strahlungsempfänger, Wärmeträger und Speichermaterial in einer Komponente. Im Ergebnis sinken die Kosten für die Errichtung des Kraftwerks. Zudem sinken der Widerstand für die Wärmeübertragung sowie die Flussdichtelimitierungen bei konventionellen Rohr-Receivern. Ein weiterer Kostenfaktor sind die höheren Temperaturen, die das solarthermische Kraftwerk verarbeiten kann, sodass die Kosten pro Kilowattstunde erzeugten Stroms weiter fallen.
Luftwand senkt Wärmeverlust am solarthermischen Kraftwerk
Ein weiteres Problem, das von herkömmlichen solarthermischen Turmkraftwerken bekannt ist, hat das Forschungsteam gelöst. Denn normalerweise treten bei hohen Temperaturen und einer starken Konzentration von Sonnenlicht Wärmeverlust auf, die Effizienz sinkt also. Das kommt durch folgenden Effekt zustande: Während sich die Luft am Receiver immer weiter aufheizt, liegt die Temperatur der Umgebungsluft typischerweise im Bereich um die 30 bis 40 Grad Celsius. Beim Vorbeiströmen am Receiver nimmt die kühlere Luft daher dessen Wärme auf. Die verschiedenen Luftvolumina ließen sich zwar durch Quarzglasfenster trennen, die es jedoch nicht in den benötigten Abmessungen gibt.
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Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vom Fraunhofer ISE sind daher einen anderen Weg gegangen. Sie haben die Idee einer Art Luftwand aufgegriffen, die von starken Düsen an der Öffnung des Receivers gebildet wird und zu einer Trennung der Luftvolumina führt. „Zu dieser Lösung gab es bisher nur Simulationen“, sagt Moritz Bitterling, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Projektteam des Fraunhofer ISE. Ein Praxistest an einem Kraftwerk war bis dahin nicht durchgeführt worden.
Versuchsaufbau im Realmaßstab war erfolgreich
In einem mit etwa 50 Temperatursensoren versehenen Testaufbau im Realmaßstab simulierte das Team mit Heizelementen einen 600 Grad Celsius heißen Receiver. Für das Projekt legte der Industriepartner Luftwandtechnik GmbH ein spezielles Luftwandsystem für die Hochtemperaturanwendung aus und installierte es im Receiverteststand des Fraunhofer ISE in Freiburg. Nach diversen Anpassungen der System-Architektur und der Betriebsparameter gelang es den Forschenden, die Wärmeverluste um 30% zu senken.
Das Gesamt-Konzept des Fraunhofer ISE könnte zu deutlich verbesserten solarthermischen Kraftwerken führen.
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