Autorin: Fanny Pohontsch

Keramik als Effizienztreiber im Solarturmkraftwerk – Wie geht das, Alex?

10. Juni 2020

Andalusien. Rund 60 Kilometer von der Mittelmeerküste Spaniens entfernt, inmitten der Wüste Tabernas, befindet sich die Plataforma Solar de Almería – das weltgrößte Forschungszentrum für Hochtemperatur-Solartechnik. 100 Hektar umfasst das Gelände, auf dem über 20 000 Quadratmeter bewegliche Spiegelfläche installiert sind, sogenannte Heliostatenfelder. IKTS-Forscher Dr. Alexander Füssel entwickelt im Rahmen des EU-Projekts CAPTure (Competitive Solar Power Towers) keramische Komponenten, mit denen das Potenzial von Solarturmkraftwerken für den globalen Energiemix besser ausgeschöpft werden soll. Getestet werden sie in Almería. Welche Lösungen das Team gefunden hat, erklärt er im Interview.

Alex, was macht Solarturmkraftwerke so interessant für den Strommarkt?

Sonnenenergie ist mit Abstand die größte Ressource der erneuerbaren Energien – und Solarturmkraftwerke ermöglichen besonders hohe Wirkungsgrade. Sie können somit einen wichtigen Beitrag zur Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen leisten. Jetzt geht es darum, die Stromgestehungskosten zu senken, indem die Kraftwerke effizienter werden.

Wo setzt das CAPture-Projekt da an, um dies zu realisieren?

Besonders wichtig ist das Erreichen höherer Betriebstemperaturen am Receiver. Dieser soll bei 1000 bis 1200 °C arbeiten, was einer Steigerung von bis zu 42 % zum bisherigen Standard entspricht. Der Receiver ist das Element des Turmkraftwerks, welches das durch die Heliostaten, also die Solarspiegel, gebündelte Sonnenlicht aufnimmt und die dabei freiwerdende Wärme an die gezielt hindurchströmende Luft abgibt. Zudem braucht es einen innovativen Energiewandlungsprozess von thermischer zu elektrischer Energie. Wichtiger Bestandteil hierbei ist ein verbessertes Steuersystem, damit die Spiegel des Heliostatenfelds immer optimal zum Receiver ausgerichtet sind. Neben der Steigerung der Effizienz des Kraftwerks und dessen Komponenten wollten wir im Rahmen von CAPture auch Möglichkeiten finden, eben diese kostengünstigen und massentauglich fertigen zu können.

Panoramablick auf die Plataforma Solar de Almería.
© PSA-CIEMAT
Panoramablick auf die Plataforma Solar de Almería.

CAPture betrachtet also die Sonnenkraftwerke in ihrer Gesamtheit – von der Auslegung und Fertigung der einzelnen Komponenten bis zum gesteuerten System. Keramik scheint prädestiniert für den Einsatz in dieser Umgebung!

Genau, insbesondere bei zwei entscheidenden Komponenten finden wir Keramik: Das thermisch am stärksten belastete Bauteil ist der Receiver. Dieser erfordert also ein besonders widerstandsfähiges Material, welches das einfallende Sonnenlicht aufnehmen und sich dadurch erhitzen kann, ohne dabei zu viel Energie durch Rückstreuverluste zu verlieren. Dabei ist der Einsatz von Keramik nicht neu. Allerdings bietet die am IKTS entwickelte drucklos gesinterte Siliciumcarbid-Schaumkeramik (SSiC) gegenüber dem konventionellen Receiverkonzept mit extrudierten keramischen Waben den Vorteil eines besseren Wärmeübergangs von der heißen Keramik an die durchströmende Luft:

In der unregelmäßigen Schaumstruktur wird der Luftstrom – im Gegensatz zu den durchgehenden Kanälen einer Wabe – immer wieder aufgeteilt und zusammengeführt. Damit werden Temperaturgradienten vermieden, die das Risiko einer lokalen Überhitzung bergen. In Summe wiegen der verbesserte Wärmeübergang und die sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit der unstrukturierten SSiC-Schaumstruktur die gegenüber den Waben höheren Fertigungskosten ungefähr auf. Im Projekt wurde noch ein weiterer innovativer Ansatz für einen Receiver mit drehenden Keramikscheiben verfolgt. Es zeigte sich allerdings, dass diese Variante mit einem deutlich höheren Aufwand bei der Herstellung und im Betrieb verbunden ist und sich gegen die bestehenden Konzepte von Waben oder Schäumen nicht durchsetzen konnte.

CAPTure-Solarreceiverelemente.
© PSA-CIEMAT
CAPTure-Solarreceiverelemente.

Du erwähntest eine zweite Komponente?

Ja, neben dem Receiver geht es ja auch um eine kontinuierliche Energieumwandlung. Dafür wird ein Regenerator benötigt, der mit der thermischen Energie der heißen Luft vom Receiver beladen und für die Energieumwandlung in einem druckbeaufschlagten Turbinenkreislauf wieder entladen werden kann. Der Aufbau des Systems folgt in unserem Fall dem Prinzip des sogenannten Brayton-Cycles. Die Konstruktion des Regenerators lag in der Verantwortung des Spanischen Projektpartners TEKNIKER, wobei das IKTS hier als Berater bei der Auslegung und Materialauswahl unterstützte. Eine mögliche Lösung sind äußerst kostengünstige und widerstandsfähige Cordierit-Waben, die einen geringen Durchströmungswiderstand besitzen.

 

Wie geht es weiter? Das Projekt steht kurz vor dem Abschluss.

Nach einer Pause aufgrund der aktuellen Situation sind nun die letzten Arbeiten mit einem abschließenden Funktionstest in Spanien geplant. Der erst kürzlich fertiggestellte Demonstrator soll schnellstmöglich auf dem Testgelände der Plataforma Solar de Almería in Betrieb genommen und umfassend getestet werden. Dieser Versuch soll zeigen, ob das Zusammenspiel aller im Rahmen des Projekts entwickelten bzw. verbesserten Komponenten funktioniert und es gelungen ist, die Effizienz des Gesamtsystems zu steigern und so konkurrenzfähiger zu gestalten. Vor dem Hintergrund dieser Ergebnisse soll zum Abschluss des Projekts auch eine Gesamtbewertung Aufschluss darüber geben, welches Potenzial Solarturmkraftwerke dieses Typs als ein Vertreter der erneuerbaren Energiequellen haben.

CAPture-Konsortium in Almería.
CAPture-Konsortium in Almería.

Dieses Projekt wurde finanziert im Rahmen des Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramms der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 640905.

 

Weitere Informationen

- IKTS-Abteilung »Nichtoxidkeramik«
- Homepage »CAPture-Projekt«

 

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