Innovative Flüssigkeitsgemische zur Steigerung des Potenzials von Solarkraftwerken
Bei der Konzentration der Sonnenenergie wird das Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln oder Linsen auf eine kleine Fläche konzentriert und die Sonnenenergie in Wärme umgewandelt, die dann zur Stromerzeugung genutzt wird. Trotz ihres Potenzials bestehen bei der Konzentration der Sonnenenergie im Vergleich zu den Photovoltaik-Technologien seit Langem wirtschaftliche Herausforderungen, vor allem, weil sie teurer und kapitalintensiver ist. Die Entwicklung innovativer Energiekreisläufe mit verbesserter Leistung und geringeren Kosten könnte konzentrierte Sonnenenergie jedoch zu einer wettbewerbsfähigeren und realisierbaren Option machen.
Durchbrüche bei der Energieumwandlung erhöhen den Wirkungsgrad von konzentrierter Sonnenenergie
Das Team des EU-finanzierten Projekts SCARABEUS versuchte, dieses Problem durch die Entwicklung eines fortschrittlichen Kraftwerksblocks zu lösen, der die Umwandlung von Wärme in Strom verbessern und gleichzeitig die damit verbundenen Kosten senken sollte. Der innovative Aspekt von SCARABEUS ist die Verwendung einer neuen Arbeitsflüssigkeit, die aus Kohlendioxid gemischt mit spezifischen Zusatzstoffen besteht. Dank dieser Zusammensetzung kann die Flüssigkeit bei Temperaturen von bis zu 60 Grad Celsius kondensieren und gleichzeitig den erforderlichen Spitzen-Kreislauftemperaturen standhalten, wodurch sie sich besonders gut für Anwendungen mit konzentrierter Sonnenenergie eignet. Das Projektteam konzentrierte sich auf die Entwicklung von Komponenten für den Energiekreislauf, die mit dieser innovativen Flüssigkeit kompatibel sind, und auf die Validierung sowohl der Komponenten als auch des Gesamtkonzepts in einem Prüfstand. Die Projektaktivitäten umfassten zunächst die Ermittlung der vielversprechendsten Dotierstoffe zur Verbesserung der Energiekreislaufleistung. Mehrere Flüssigkeiten, darunter C6F6 (Hexafluorbenzol), TiCl4 (Titantetrachlorid), SiCl4 (Siliziumtetrachlorid) und SO2, wurden als gute Kandidaten identifiziert. Anschließend wurde eine gründliche Charakterisierung dieser Flüssigkeiten durchgeführt, um ihre thermodynamischen Eigenschaften und maximalen Betriebstemperaturen zu verstehen. Diese experimentellen Ergebnisse waren entscheidend für die Vorhersage der Flüssigkeitsleistung und für die Auslegung der Komponenten des Energiekreislaufs.
Erfolgreiche Validierung der Technologie konzentrierter Sonnenenergie in einem Prüfstand
Nach der Flüssigkeitscharakterisierung und -prüfung konzipierten und optimierten die Forschenden die Integration der Komponenten des Energiekreislaufs in kommerzielle Sonnenwärmekraftwerke. „In Sevilla hat ein Sonnenwärmekraftwerk Stromgestehungskosten von weniger als 90 EUR pro MWh erzielt, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber den 120 EUR pro MWh darstellt, die bei kommerziellen Technologien anfallen“, erklärt Projektkoordinator Giampaolo Manzolini. Dieser Fortschritt wurde auf mehrere Schlüsselfaktoren zurückgeführt, darunter verbesserte Kreislaufeffizienzen, innovative luftgekühlte Kondensatoren, rekuperative Wärmetauscher mit verbesserter Leistung und 25 % geringeren Kosten sowie ein Turbinenwirkungsgrad von über 92 %. In dieser Phase wurde das Konzept in einem Prüfstand mit einem Flüssigkeitsmassendurchsatz von 0,6 kg/s und einer Wärmezufuhr von 200 kWth validiert. Die CO2-C6F6-Flüssigkeit wurde 150 Stunden lang im Prüfstand der TU Wien getestet und erreichte dabei Höchsttemperaturen von 500 °C. Diese Tests bestätigten die verbesserte Leistung der Wärmetauscher und die Flüssigkeitskondensation über 50 °C, wodurch das SCARABEUS-Konzept bestätigt wurde.
Hochtemperaturgemische verändern die Technologie konzentrierter Sonnenenergie
Mit SCARABEUS wurde die Technologie konzentrierter Sonnenenergie weiterentwickelt und damit der Grundstein für künftige Innovationen gelegt, die die Kosten weiter senken und die Effizienz der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien verbessern könnten. Die meisten Forschungsaktivitäten im Bereich der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie bei der Konzentration der Sonnenenergie konzentrierten sich auf Kreisläufe überkritischen Kohlenstoffdioxids. Diese Kreisläufe leiden jedoch häufig unter hohen Umgebungstemperaturen, die die Gesamteffizienz verringern können. Das Team von SCARABEUS erkannte diese Einschränkung und validierte als erstes Projekt innovative CO2-Gemische für Hochtemperaturanwendungen. „Wir haben Pionierarbeit geleistet, indem wir CO2-Gemische für Kondensationskreisläufe bei hohen Temperaturen (Höchsttemperatur von 550 °C und darüber) eingesetzt und damit einen neuen Standard in diesem Bereich gesetzt haben. Die Flüssigkeitscharakterisierung, die auch die Bewertung der Materialverträglichkeit einschloss, führte zu erheblichen Verbesserungen, die in der bisherigen Literatur nicht zu finden sind“, so Manzolini abschließend.
Schlüsselbegriffe
SCARABEUS, Konzentration der Sonnenenergie, konzentrierte Sonnenenergie, Energiekreislauf, hohe Temperaturen, Arbeitsflüssigkeit, überkritisches Kohlenstoffdioxid
