Neuartige selektive Beschichtungen verbessern die Effizienz von konzentrierter Solarstromtechnologie
Die Nutzung von Sonnenenergie zur Nutzbarmachung der Kraft der Sonne geht mehr als 2 000 Jahre zurück: Damals nutzte der griechische Wissenschaftler Archimedes reflektiertes Sonnenlicht, um römische Schiffe in Brand zu setzen. Moderne konzentrierte Solarkraftwerke erzeugen Wärme, indem sie Spiegel nutzen, um Sonnenlicht aus einem weit gefassten Bereich in einen deutlich kleineren zu bündeln. Die Wärme wird genutzt, um Strom zu erzeugen. Durch die Einführung von Speichertanks kann die Stromerzeugung den ganzen Tag über stabil gehalten werden. Türme versus Rinnen Konzentrierende Solarkrafttechnologien gibt es in verschiedenen Formen, darunter Parabolrinnen und Zentraltürme. Parabolrinnen sind 1D-Konzentrationssysteme – die aufgenommene Sonnenstrahlung wird anhand von einachsigen dem Lauf der Sonne nachgeführten Spiegeln auf einer kleinen Ballungslinie konzentriert. Solartürme sind im Wesentlichen 3D-Konzentratoren – ihre Reihe an zweiachsigen Nachführreflektoren sorgen für optimale Sonnenenergiespiegel, da diese Reflektoren der Sonne vertikal und horizontal folgen können. Im Ergebnis gilt: „Türme sind viel effizienter als Rinnen, da ihre Konzentrationsverhältnisse zehnmal höher sein können. Mit Turmsystemen sind deutlich höhere Arbeitstemperaturen möglich als in Parabolrinnen. Dennoch gibt es noch viele technologische Hürden, die es zu überwinden gilt, und eine davon ist das Fehlen von guten absorbierenden Materialien, die langfristig Temperaturen von 550° C und mehr aushalten können“, so Dr. Matthias Krause, der FRIENDS2 koordiniert hat, ein Projekt, das vom Marie-Curie-Programm unterstützt wird. Kontrolle der Strahlungseigenschaften von Oberflächen Selektive mehrschichtige Beschichtungen helfen, die Betriebstemperatur und Effizienz von Solarkollektoren zu steigern. Sie tun dies, indem sie einen hohen Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung in Wärme umwandeln und die Strahlungsdichte im thermischen Bereich des Infrarotspektrums verringern. „Materialdesigns, die bei größeren Wellenlängen stark reflektierend sind (Infrarotstrahlung), helfen Zentralempfängern, die gesamte absorbierte Wärme zu halten“, erläutert Dr. Krause. Die Forscher haben im Labor zyklische Tests bestimmter selektiver mehrschichtiger Beschichtungen über mehr als 35 Tage bei 600° C durchgeführt. Eine der entwickelten Beschichtungen zeigte bei dieser Temperatur eine stabile Leistung, anders als moderne, sich schnell abbauende Materialien, die derzeit für Rinnen- und Turmanlagen für konzentrierte Solarenergie genutzt werden. Auf die Frage nach einem weiteren wichtigen Erfolg nannte Dr. Krause ein allgemeingültiges Prinzip für die Übertragung der Solarselektivität auf Oberflächen, die gute Absorptionsfähigkeiten haben, aber nicht selektiv sind. Die entsprechenden Arbeiten nehmen Bezug auf das ‚alte‘ Prinzip der Thermogläser. „Wenn Zinnoxid mit Tantal dotiert wird, wird es höchst leitfähig und kann als solarselektive Transmitterschicht auf Solarkollektoren verwendet werden. Es hat sich bei sehr hohen Temperaturen als mechanisch und thermisch stabil erwiesen; unter ultrahohen Vakuumbedingungen blieb es bis 800° C stabil“, so Dr. Krause. Bislang wurde weitestgehend Indiumzinnoxid eingesetzt, doch Indium ist teuer und Oxid bei derart hohen Temperaturen nicht so stabil. Die Schaffung von selektiven Solarkollektorsystemen unter Verwendung stabiler Beschichtungen, die hohen Temperaturen standhalten, ist von wesentlicher Bedeutung für die breite Akzeptanz von effizienten konzentrierten Hochtemperatur-Solarkraftwerken. Weitere Bemühungen sind erforderlich, um diese Beschichtungen auf den Markt zu bringen. Eine Herausforderung besteht dabei darin, es Solarkollektoren zu ermöglichen, große Mengen an Sonnenlicht aufzufangen und gleichzeitig die thermischen Strahlungsverluste gering zu halten.
Schlüsselbegriffe
FRIENDS2, Temperatur, Beschichtung, Solarkollektor, konzentrierte Solarenergie, Haltbarkeit, Solarturm, Parabolrinne, selektive mehrschichtige Beschichtung
