Projekt HelioGlow: Fraunhofer ISE testet Hochtemperatur-Materialien für Solarkraftwerke

Konventionelle Solarturmkraftwerke nutzen derzeit Solarsalz als Wärmeträger, dessen maximal erreichbare Temperatur bei unter 600 °C liegt. Eine Erhöhung der Betriebstemperatur auf über 1000 °C würde zu einer deutlichen Effizienzsteigerung bei der Stromerzeugung aus der gespeicherten Wärme führen, worin ein hohes Potenzial zur Kostensenkung liegt. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeitet zusammen mit dem Projektpartner Kraftblock im Projekt »HelioGlow« an keramischen Materialien für Festkörper-Strahlungsempfänger, die bis über 1000 °C temperaturstabil sind und auch bei fluktuierender Sonneneinstrahlung eine konstant hohe Nutztemperatur erzielen.

© Fraunhofer ISE
Keramikplatten für den Einsatz in Festkörper-Receivern.

Das keramische Material, das von Kraftblock im Rahmen des Projekts entwickelt wurde, besitzt eine äußerst hohe Temperaturstabilität. Es wird aus einem Granulat gepresst und anschließend im Ofen gebrannt und kann daher in nahezu beliebiger Form und Größe gefertigt werden, die für die gewünschte Anwendung optimal ist. Zum Einsatz kommt es in einem Hochtemperatur-Strahlungsempfänger, in dem einzelne Keramikblöcke durch Solarstrahlung auf eine hohe Temperatur gebracht werden und anschließend als Speichermedium dienen. Das Material ist also Strahlungsempfänger, Wärmeträger- und Speichermaterial in Einem. Im Vergleich zu einem Partikel-Strahlungsempfänger, in dem die Solarstrahlung in einem Vorhang aus kleinen, fallenden Partikeln absorbiert wird, ergibt sich durch die Verwendung von größeren Elementen als Strahlungsempfänger der Vorteil, dass ihre Verweilzeit in der konzentrierten Strahlung besser gesteuert werden kann und dadurch auch bei fluktuierender Strahlung eine konstant hohe Nutztemperatur erzielt wird. Das Material ist zudem einfacher zu transportieren und Partikelaustritt durch Wind wird vermieden.

 

Optische, thermische und mechanische Eigenschaften im Blick

Beim Transport und bei der Lagerung der Keramikplatten entstehen hohe Anforderungen an deren Robustheit und Formtreue. Das Receiver-Material, das in den geplanten Tests untersucht wird, ist ein vielversprechender Kandidat, um diese spezifischen Anforderungen zu erfüllen. Innerhalb des Projekts analysiert das Projektteam des Fraunhofer ISE in Outdoor-Tests unter hochkonzentrierter Sonneneinstrahlung die optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften des gewählten Materials, um dessen Eignung für die anspruchsvolle und wiederholte thermische Belastung sicherzustellen. Im Solarsimulator KIRAN42 des spanischen Forschungsinstituts IMDEA Energy führt es außerdem eine umfangreiche Messkampagne zur Bestimmung relevanter Eigenschaften des Materials durch: Verhalten und Stabilität während und nach der Exposition im Simulator, Beständigkeit unter starker thermischer Belastung und mechanische Eigenschaften. Die Ergebnisse der Simulatortests werden mit denen der Outdoor-Tests ergänzt.

 

Das Projekt HelioGlow, in dem die Materialentwicklung erfolgt, wird vom BMWi gefördert, die Nutzung des Solarsimulators für Materialtests erfolgt innerhalb des H2020 EU-Projekts SFERA-III, das Forschern freien Zugang zu hochmodernen Forschungsinfrastrukturen im Bereich Concentrated Solar Power in ganz Europa ermöglicht. Dieses Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert (Grant Agreement No 823802).

 

 

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