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Neuartige Komponenten zur kostengünstigen Erzeugung und Speicherung von solarer Hochtemperaturwärme

Ein wesentlicher Vorteil von konzentrierter Sonnenenergie, die mithilfe einer Spiegelkonfiguration große Mengen Sonnenlicht auf einen Empfänger konzentriert, ist die sehr kostengünstige Art und Weise, Wärmeenergie zu speichern. Obwohl dies ein vielversprechendes Mittel zur bedarfsgerechten Bereitstellung erneuerbaren Stroms ist, ist die Umwandlungseffizienz der heutigen kommerziellen Anlagen recht niedrig und die Kosten für die Stromerzeugung sind noch nicht wettbewerbsfähig genug.

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Das EU-finanzierte Projekt CAPTure hatte es sich zum Ziel gesetzt, die Wettbewerbsfähigkeit von konzentrierter Sonnenenergie maßgeblich zu steigern, indem es sich auf ein innovatives und hocheffizientes Kraftwerkskonzept sowie auf die intelligente Kalibrierung und Massenproduktion von das Sonnenlicht bündelnden Spiegeln konzentriert, die dieses auf einen kleinen Empfängerbereich reflektieren, der auf diese Weise Hochtemperaturwärme erzeugt. „In beiden Fällen lassen sich die Stromgestehungskosten erheblich senken“, stellt Koordinator Fritz Zaversky fest. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen kann das Solarkraftwerk deutlich mehr Strom pro Spiegelfläche produzieren. Darüber hinaus führen eine vereinfachte Spiegelbedienung – geringere Betriebs- und Wartungskosten – und die Massenproduktion der reflektierenden Spiegel zu erheblichen Kostensenkungen. „Eine höhere Umwandlungseffizienz – höhere Energieabgabe – sowie niedrigere Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten führen zu niedrigeren Stromgestehungskosten und machen konzentrierte Sonnenenergie wettbewerbsfähiger“, erklärt Zaversky.

Kostengünstige Erzeugung und Speicherung von solarer Hochtemperaturwärme

Die Projektpartner entwickelten drei Schlüsselkomponenten, um eine höhere Umwandlungseffizienz zu erreichen: einen Solarempfänger, einen regenerativen Wärmetauscher sowie ein Solarfeld (Spiegel und Tracker). Die Spiegel konzentrieren die Sonne auf den Solarempfänger, der die Luft auf hohe Temperaturen (1 000 °C) erwärmt. Durch das regenerative Wärmeaustauschsystem wird Wärme zwischen dem Druckluftstrom und dem atmosphärischen Luftstrom des Solarempfängers ausgetauscht. Eine Heißluftturbine wandelt die Wärme dann in elektrische Energie um. „Die wichtigste Errungenschaft von CAPTure war die erfolgreiche Planung, Produktion sowie Inbetriebnahme eines 300 kWth-Prototyps, der in einer Solarforschungsanlage in Südspanien installiert wurde“, so Zaversky. Er enthält alle drei Komponenten sowie Rohre und Ventile. Darüber hinaus hat das CAPTure-Team einen verkleinerten, der Sonne folgenden Spiegel (Heliostat) entwickelt, der für eine kostengünstige Massenproduktion optimiert wurde.

Einzelne Komponenten sind ausgesprochen vielversprechend

Die Mitglieder des Teams haben sämtliche Schlüsselkomponenten sowie das Anlagenkonfigurationskonzept in realen Umgebungen erfolgreich validiert. Sie haben gezeigt, dass das Konzept technisch machbar ist. Eine technoökonomische Optimierungs- und Benchmarking-Analyse zeigte außerdem das Potenzial des Kraftwerkskonzepts auf. Die Ergebnisse zeigen, dass die Luftbehältertechnologie eine vielversprechende Lösung für ein effizientes Solarkraftwerk mit kombiniertem Zyklus ist. Es lassen sich etwa 30 % des Wirkungsgrads der Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie erreichen. Dies ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem aktuellsten Stand der Technik, der bei etwa 21 % liegt. Zu diesem Zeitpunkt ist der vorgeschlagene Entwurf des Kraftwerks für einen großflächigen Einsatz mit hoher Kapazität nicht rentabel. Er wird jedoch für eine Reihe von Anwendungen sehr vorteilhaft sein. „Die Komponenten sind für verschiedene Anwendungen sehr wertvoll“, schließt Zaversky. Insbesondere der Solarempfänger und das Regenerationssystem können für die hocheffiziente Integration von Solarwärme in verschiedenen Prozessen genutzt werden. Das regenerative System kann als Mittel zur Speicherung von Hochtemperaturwärmeenergie und als kostengünstiger Wärmetauscher zwischen atmosphärischen Kreisläufen sowie Druckluftkreisläufen zum Einsatz kommen. Es kann auch als chemischer Reaktor für thermochemische Energiespeicher mit hoher Energiedichte oder für andere Arten von Hochtemperaturreaktoren genutzt werden.

Schlüsselbegriffe

CAPTure, Wärme, Energie, Kraftwerk, Strom, Solarwärme, Solarenergie, konzentrierte Sonnenenergie

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