RAISELIFE – Raising the Lifetime of Functional Materials for Concentrated Solar Power Technology

In einem solarthermischen Kraftwerk haben Qualität und Lebensdauer der Komponenten großen Einfluss auf die Kosten für solarthermisch erzeugte Wärme und Strom. Elf europäische Partner aus Forschungseinrichtungen, Industrie und Universitäten sowie das marokkanische Forschungsinstitut MASCIR und das israelische Unternehmen BrightSource Industries Israel erarbeiten im Projekt RAISELIFE neue Lösungswege zur Kostensenkung solarthermischer Kraftwerke und untersuchen die Lebensdauer von Schlüsselmaterialien, die in diesen Kraftwerken zum Einsatz kommen.

Das Fraunhofer ISE ist dabei an verschiedenen Arbeiten beteiligt.

Die Trägerstruktur eines Heliostaten mit bis zu 120 m² großer Spiegelfläche beeinflusst die Stückkosten und die Wirtschaftlichkeit des gesamten Systems. Die präzise Messung der Spiegelformtreue in unterschiedlichen Heliostatenausrichtungen kann die Optimierung der Struktur unterstützen. Im Solarfeld sind viele Techniken wie Deflektometrie oder Photogrammetrie zum Teil sehr aufwändig in der Anwendung. Deswegen entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit der Industrie eine weitere Methode: Die Spiegel werden temporär mit Sprühkreide vorbereitet, damit mittels präzisem 3D-Laserscanner und Kamera die Oberfläche flexibel und in verschiedensten Stellpositionen vermessen werden kann.

Es wurde ein Heliostatenprototyp mit innovativen Kompositspiegeln untersucht. Der Einfluss der Schwerkraft auf die Spiegelform bei verschiedenen Ausrichtungen der Spiegel wurde vermessen. Die Analyse zeigte die Verformung der Stützstruktur und die Durchbiegung des Spiegels. Dadurch kann der Prototyp im nächsten Schritt an die Bedingungen angepasst werden.

Sekundärkonzentratoren können in Solarturmkraftwerken vorteilhaft sein. In diesen Anlagen sind die Temperaturen (> 350 °C) und technischen Bedingungen (große Spiegeloberfläche in 200 m Höhe) sehr anspruchsvoll. Durch Simulationsrechnungen konnte gezeigt werden, dass ein System mit Sekundärkonzentratoren das Potential besitzt den elektrischen Ertrag zu erhöhen sowie die Receiverkosten zu senken.

Die am Fraunhofer ISE entwickelten Reflektorbeschichtungen basieren auf einer gesputterten Silberschicht und mehreren Haft- und Barriereschichten. Im Rahmen des RAISELIFE-Projekts wird derzeit ein verbesserter Hochtemperaturspiegel unter erhöhter Sonneneinstrahlung in Feldversuchen auf der Plataforma Solar de Almeria getestet. Neue harte Schutzschichten wurden untersucht und es konnte gezeigt werden, dass sie die Haltbarkeit des Spiegels unter realen Betriebsbedingungen erhöhen. Zu den zusätzlichen Beschichtungsverfahren, die im Projekt genutzt wurden, gehören PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) und HiPIMS (high power impulse magnetron sputtering).

In Solarturmkraftwerken kommen bisher Absorberschichten zum Einsatz, die ein sehr hohes solares Absorptionsvermögen aufweisen, jedoch auch ein sehr hohes thermisches Emissionsvermögen. Dadurch sind die Wärmeverluste des Receivers relativ hoch. Solar selektive Absorberschichten mit einem hohen solaren Absorptionsvermögen bei einem niedrigen thermischen Emissionsvermögen könnten den Wirkungsgrad steigern.

Am Fraunhofer ISE wurden Absorberschichten auf verschiedenen Stahlsorten entwickelt, deren optische Werte bei 600°C an Luft über die komplette Testdauer von 2000 h beständig sind. Daneben bestehen sie weiteren Belastungstests wie Kondensation, Damp Heat, Humidity Freeze und Sand Erosion. Auf T22, einem Stahl mit relativ geringem Legierungsanteilen, auf denen eine selektive Schicht alleine nicht beständig ist, konnte eine Kombination der selektiven Absorberschicht mit einer zusätzlichen Barriereschicht basierend auf einer Aluminium-Intermetalllegierung-Diffusionsverbindung (hergestellt von INTA Instituto Nacional de Tecnica Aeroespacial, Spanien) die Temperaturstabilität deutlich verbessern (2000h, 570°C). 

Der Einfluss der neu entwickelten Materialien auf die Systemperformance werden anschließend am Fraunhofer ISE mit Hilfe der hauseigenen Simulationsumgebung ColSim CSP techno-ökonomisch bewertet. Dafür wurden Referenzkraftwerke, wie zum Beispiel ein Solarturmkraftwerk mit einer Leistung von 150 MW_el, definiert und Simulationsmodelle erstellt. Die Materialparameter werden im Modell entsprechend der Materialentwicklungen angepasst und dynamische Simulationen des gesamten Lebenszylusses durchgeführt. Dabei wird die Degradation der Materialien berücksichtigt. So können die Entwicklungen einander gegenübergestellt werden. Die Lebenszyklus-Simulationen unter Berücksichtigung von Degradation der Materialien erlauben nun neue Optimierungen des Anlagenbetriebs.