HelioGLOW – Entwicklung von Komponenten für ein solarthermisches Turmkraftwerk

Die Neuentwicklung und Optimierung verschiedener Komponenten im Forschungsprojekt »HelioGLOW« zielen auf eine Weiterentwicklung von konventionellen Solarturmkraftwerken ab: Ein neuer, aus Festkörpern bestehender Wärmeträger wird entwickelt, der eine Erhöhung der Betriebstemperaturen erlaubt. Zudem wird eine Luftwand entwickelt, deren Ziel es ist, konvektive Verluste, die zu einer Verringerung der Effizienz führen, zu minimieren. Des Weiteren wird das Design eines bestehenden Heliostaten an die Anforderungen des neuen Kraftwerkstyps angepasst. Bestehende technisch-ökonomische Modelle werden erweitert und die optimale Auslegung und Betriebsführung eines Kraftwerks mit den neuen Komponenten wird ermittelt.

Der Einsatz eines neuartigen, keramischen Festkörper-Receivers soll eine Erhöhung der Nutztemperatur auf über 1000 °C erlauben, die auch bei fluktuierender Sonneneinstrahlung konstant hoch bleibt. Die Verwendung des nicht-korrosiven und umweltfreundlichen Festkörpers bietet den kostensenkenden Vorteil der Kombination von Strahlungsempfänger, Wärmeträger und Speichermaterial. Dadurch entfallen Wärmeübertragungswiderstand und Flussdichtelimitierungen bei konventionellen Rohr-Receivern. Im Vergleich zu Solarturmkraftwerken mit Solarsalz als Wärmeträger, die eine Temperatur von maximal 600 °C erreichen, kann die höhere Temperatur zu einer deutlichen Effizienzsteigerung führen. Bei der Stromerzeugung ergibt sich dadurch ein hohes Potenzial zur Kostensenkung.
Eine weitere Effizienzsteigerung kann durch die Verringerung der konvektiven Verluste am Receiver durch thermische Abschottung mit Hilfe einer Luftwand erfolgen. Am Fraunhofer ISE wird ein Teststand im Realmaßstab aufgebaut, um geeignete Betriebsparameter der Luftwand zu ermitteln und die Reduktion der thermischen Verluste zu quantifizieren.

Außerdem wird die Optimierung des von sbp entwickelten Stellio-Heliostaten vom Fraunhofer ISE begleitet. Hier wird eine erhebliche Kostensenkung durch ein optimiertes Design des Pylons erreicht.
Aus den genannten Komponenten wird am Fraunhofer ISE ein Receiver-Konzept erarbeitet, das den Receiver aus Festkörper-Wärmeträger und Luftwand sowie den optimierten Stellio-Heliostaten in ein solarthermisches Kraftwerk integrieren. Dafür wird untersucht, welcher Kraftwerksprozess sich am besten für eine Kopplung eignet und wie die Wärme von den Festkörpern an den Kraftwerksprozess übertragen werden kann. Das Gesamtsystem wird mit Hilfe des thermo-hydraulischen Simulationstools ColSim CSP modelliert, untersucht und anschließend techno-ökonomisch bewertet.

Die Hauptziele des Forschungsprojekts »HelioGLOW« lauten wie folgt:

• Entwicklung und Test eines Receiver-Konzepts mit integriertem Speicher basierend auf dem SoBoRec (Solid Body Receiver) einschließlich dem dabei zum Einsatz kommenden neuartigen Werkstoff für Temperaturen > 1000 °C.
• Entwicklung und experimentelle Umsetzung eines Konzepts zur Verminderung der thermischen Verluste in Turmreceivern auf Basis von Luftwandtechnologie
• Weiterentwicklung des Stellio-Heliostaten mit dem Ziel der weiteren Kostenreduktion und Anpassung des Designs an die Anforderungen kleiner Turmkraftwerke
• Weiterentwicklung von technisch-ökonomischen Modellen für die Auslegung und Wirtschaftlichkeitsberechnung von kommerziellen Turmkraftwerken

Die Laborinfrastruktur und die Außen-Testflächen am Fraunhofer ISE werden zur optischen, thermischen und mechanischen Charakterisierung der Receiver-Keramik genutzt. Mit den Ergebnissen werden die Eigenschaften der Keramik angepasst und auf den Einsatz im Solarturmkraftwerk hin optimiert.

Das Fraunhofer ISE koordiniert das Projekt, ist federführend für die Konzeptentwicklung verantwortlich und unterstützt die Materialentwicklung, die Integration der Luftwandtechnologie sowie die Heliostatenentwicklung.