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Wolken und Sonne: Auf dem Bild ist die Sonne zwar nicht zu sehen, aber da war sie trotzdem. Zu erkennen am angestrahlten CentRec-Receiver. Die Spiegel des Solarfelds sind so ausgerichtet, dass sie die vorhandene Solarstrahlung auf den CentRec-Receiver auf halber Höhe des Solarturms reflektieren.
© DLR
Solarthermische Kraftwerke – Turmkraftwerke
28.06.2018

Die Infrarotaufnahme des CentRec-Receivers im Jülicher Solarturm zeigt die Temperaturverteilung am Receiver. Im Inneren der rotierenden Kammer, dort wo die konzentrierte Solarstrahlung auf die Partikel trifft, wird es am heißesten: über 1000 Grad Celsius Maximalwert wurden hier gemessen.
© DLR

Solarer Durchlauferhitzer für Keramikgranulat

Der neuartige Strahlungsempfänger CentRec hat im Solarturm des DLR in Jülich seinen ersten Praxistest bei sehr hohen Temperaturen bestanden. Der Receiver arbeitet mit Keramikpartikeln als Wärmespeichermedium. Diese sind kostengünstig, erlauben sehr hohe Temperaturen und lassen sich mit vergleichsweise geringem Aufwand handhaben. Der Praxistest bei sehr hohen Temperaturen ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Vermarktung dieser Receiver-Technologie.

Auf dem Forschungsgelände der DLR bei Jülich folgen rund 2.500 große bewegliche Spiegel, sogenannte Heliostate, dem Lauf der Sonne. Sie reflektieren das Sonnenlicht zu einem gemeinsamen Brennpunkt nahe der Spitze eines etwa 70 Meter hohen Turms. Dort absorbiert ein Receiver die konzentrierte Strahlung und wandelt sie in Hochtemperatur-Wärme für Kraftwerksprozesse um. Das solarthermische Turmkraftwerk ist zugleich Vorbild und Versuchsanlage für zukünftige kommerzielle Kraftwerke, z. B. in Südeuropa und Nordafrika.

Für die zentrale Komponente, den Receiver, haben die Wissenschaftler ein neues Konzept entwickelt und erfolgreich erprobt. Der CentRec-Receiver besteht aus einer zylindrischen Kammer, die im Brennpunkt der Spiegel rotiert. Von oben werden etwa ein Millimeter große Keramikpartikel in die Kammer geleitet. Durch die Drehung werden sie gegen die heiße Innenwand der Kammer gepresst und auf mehr als 900 °C erhitzt. Der Schwerkraft folgend wandern die Partikel nach unten, bis sie aus dem Receiver in wärmeisolierte Behälter fallen. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Kammer bestimmt, wie lange die Partikel im Receiver bleiben und damit auch, wie warm sie werden. Die heißen Keramikpartikel können direkt genutzt werden und zum Beispiel zur Stromproduktion in den Kraftwerksprozess eingekoppelt werden. Alternativ dienen sie als Speichermedium, das Wärme für die unterschiedlichsten Anwendungen bedarfsgerecht bereitstellt und das relativ einfach zu transportieren und zu lagern ist. Die Partikel bestehen aus Bauxit, halten Temperaturen von über 1.000 °C aus, sind kostengünstig und umwelttechnisch unbedenklich.

Keramikpartikel: höhere Temperaturen, einfaches Speichern

Der solare Testbetrieb startete im September 2017. Innerhalb von 22 Testtagen mit guten Solarstrahlungsbedingungen konnte die Betriebstemperatur schrittweise gesteigert werden. Im letzten Versuch der Testreihe zeigte der Temperatursensor am Auslass der rotierenden Trommel den Maximalwert von 965 °C für die Partikel an. Damit konnten die Forscher das im Projekt festgelegte Temperaturziel sogar um 65 Grad übertreffen. Von dort rieseln die Partikel in eine Fallleitung, wo sie ein Luftstrom abkühlt. Die Partikel fallen in einen Sammelbehälter, wo ein Fördersystem sie aufnimmt und zurück nach oben zum Receiver transportiert. Für den Testbetrieb stand das Temperaturziel im Vordergrund, der Transportkreislauf der Partikel wurde daher einfach gehalten. Im kommerziellen Betrieb werden die Partikel eine weitere Reise zurücklegen: dann gelangen Sie erst nach Abgabe ihrer Wärme an die Nutzer zurück zum CentRec-Receiver.

"Der Nachweis der hohen Betriebstemperatur ist eine wesentliche Voraussetzung für die angestrebte Vermarktung unseres Receiver-Konzepts", erläutert Dr. Reiner Buck, Abteilungsleiter Solarturmsysteme am DLR-Institut für Solarforschung. Mit den bisher als Wärmeträgermedium verwendeten Flüssigsalzen lassen sich nur Temperaturen von ungefähr 550 °C erreichen. Die heißen Keramikpartikeln ermöglichen es Kraftwerksbetreibern, mit höheren Prozesstemperaturen zu arbeiten, was zu verbesserten Wirkungsgraden und damit geringeren Stromgestehungskosten führt.

Im nächsten Schritt will das Team um Reiner Buck die CentRec-Technologie auf eine größere Leistung skalieren, was die Erzeugungskosten für Strom und solare Prozesswärme weiter senkt.

Solare Kraftwerke im Systemvergleich

Neben dem Konzept des Turmkraftwerks werden als solarthermische Kraftwerke Parabolrinnenkraftwerke, Dish-Stirlingsysteme und die Fresnel-Systeme entwickelt und eingesetzt. In Europa wurden Konzepte und Komponenten auf dem internationalen Testfeld Plataforma Solar de Almería in Spanien erprobt, mit dem Deutschland seit mehr als 30 Jahren eng zusammenarbeitet. Eine Übersicht bietet das BINE-Themeninfo „Solarthermische Kraftwerke“. Wie Parabolrinnenkraftwerke nachtstromtauglich werden, erläutert das BINE-Projektinfo „Nachtstrom aus dem Solarkraftwerk“.

(me)

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Infotipps

Nachtstrom aus dem Solarkraftwerk
BINE-Projektinfo 11/2017

Solarthermische Kraftwerke
BINE-Themeninfo II/2013