Keramikkugeln speichern Wärme in CSP-Anlagen

Das DLR hat eine Lösung entwickelt, bei der kleine Keramikkügelchen direkt vom Solarfeld eines CSP-Kraftwerks erhitzt werden. Sie dienen als Speichermedium und erlauben höhere Temperaturen im Speicher und im Kraftwerksprozess. Das und noch weitere Vorteile dieses Systems senken die Kosten für den Strom aus CSP-Anlagen. Die Lösung ist auch für die Bereitstellung von Prozesswärme geeignet.

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Das CSP-Turmkraftwerk des DLR in Jülich ist eine Testanlage für die neusten Entwicklungen der Forscher. Jetzt bekommt es einen neuen Receiver /© DLR

Schon längst haben die Entwickler von konzentrierende solarthermischen Kraftwerken (concentrated solar power – CSP) Keramik als das Material der Wahl entdeckt, wenn es darum geht, höhere Temperaturen im System zu erreichen. Schon lange erprobt ist ein Receiver – das Bauteil, das die Wärme aus dem Solarfeld aufnimmt und an den Speicher weitergibt – aus Keramik. Dieser fängt das gebündelte Sonnenlicht ein und erhitzt die angesaugte Luft auf 750 bis 800 Grad Celsius.

Diese hohen Temperaturen sind notwendig, um die Kosten für die Stromerzeugung aus CSP-Kraftwerken zu senken. Denn bei den bisher üblichen Temperaturen von 400 Grad Celsius arbeiten die Generatoren, die mit der Wärme aus dem Solarfeld betrieben werden, nicht wirtschaftlich. Diese erreichen ihren optimalen Arbeitspunkt bei 550 bis 600 Grad Celsius. Zudem kann die Wärme im ausreichenden Temperaturniveau um so länger gespeichert werden, je heißer das Speichermedium ist.

Kugeln werden auf 1.000 Grad erhitzt

Um diese hohen Temperaturen zu erreichen, wurden schon einige Anstrengungen unternommen. Von Thermoölen über Schmelzsalze bis hin zu Lösungen, bei denen Schwefel als Speichermedium dient, sind die Temperaturen immer höher gestiegen. Die Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben jetzt eine Lösung entwickelt, bei der sie die Sonnenenergie aus dem Solarfeld mit bis zu 1.000 Grad Celsius speichern können. Das Speichermedium sind kleine Keramikkügelchen. Diese haben einen Durchmesser von etwa einen Millimeter und werden in eine sich drehende Trommel gefördert. Durch die Zentrifugalkraft werden sie an die Außenhaut der Trommel gedrückt, auf der die konzentrierte Sonnenstrahlung auftrifft. Haben die Keramikpartikel die Solltemperatur erreicht, fallen sie aus dem schräg nach unten geneigten Receiver in einen wärmeisolierten Behälter.

 
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Die kleinen Keramikkugeln dienen gleichzeitig als Wärmeübertrager und als Wärmespeichermedium /© DLR

Turbine mit 800 Grad antreiben

Die mittels der heißen Keramikkugeln eingelagerte Wärme kann dann direkt für den Kraftwerksprozess genutzt werden. Der Vorteil ist, dass das gesamte System bei Normaldruck funktioniert und sich die Forscher damit die teuren Druckbehälter sparen. Auf diese Weise kann die Wärme gefahrlos in ausreichend hoher Temperatur länger gespeichert werden. Denn trotz der Wärmeverluste, die bei der Lagerung entstehen, reicht die Temperatur auch noch nach Stunden aus, um eine herkömmliche Dampfturbine im optimalen Arbeitspunkt zu betreiben.

Mit den Keramikpartikeln können die Kraftwerksbetreiber mit höheren Prozesstemperaturen zwischen 600 und 800 Grad Celsius arbeiten und einen höheren Wirkungsgrad im Kraftwerksprozess erreichen“, beschreibt Reiner Buck, Abteilungsleiter für Punktfokussierte Systeme am DLR-Institut für Solarforschung, den Vorteil der neuen Lösung. Denn bei der Entwicklung des Systems galt die Maxime: Je höher die initiale Temperatur ist, desto höher ist auch die nutzbare Temperatur am Ende der Speicherphase.
 
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Der Zentrifugalreceiver wurde jetzt in das Turmkraftwerk in Jülich eingebaut. Durch die konische Form fallen die Keramikkugeln nach unten, wenn sie heiß genug sind / © DLR

Wärme mit der geforderten Temperatur bereitstellen

Zudem ist das System flexibler als die bisherigen Lösungen. „Durch die Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel lässt sich die Verweildauer der Partikel im Receiver und damit ihre Temperatur beim Austritt bestimmen – je nachdem für welchen Prozess die Wärmeenergie eingesetzt werden soll“, erklärt Reiner Buck. Damit kann das System auf direkt die Wärme für Produktionsprozesse im der dort konkret geforderten Temperatur zwischen 600 und 900 Grad Celsius bereitstellen. Der Vorteil: Die heißen Keramikkügelchen lassen sich ohne großen Aufwand direkt zum Einsatzort transportieren.

Im Labor erfolgreich getestet

Bisher haben die Forscher vom DLR ihre Entwicklung im kleinen Maßstab im Labor getestet. Dabei diente ein Hochleistungsstrahler als Sonnenersatz. Damit haben sie immerhin eine Leistung von zehn Kilowatt erreicht. Jetzt wurde der Receiver in den Solarturm im Versuchskraftwerk in Jülich eingebaut. Dort wird der Zentrifugalreceiver von den riesigen Spiegeln angestrahlt und erreicht damit eine Leistung von 500 Kilowatt.

 
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Die Forscher haben den neuen Zentrifugalreceiver ausgiebig schon im Labor getestet. Jetzt folgt der Test unter realen Bedingungen /© DLR

Die Forscher rechnen damit, dass durch ihre neue Lösung die Gestehungskosten von Strom aus CSP-Kraftwerken weiter sinken wird. Neben der gestiegenen Effizienz aufgrund der höheren Temperaturen verweisen sie darauf, dass hier kostengünstige Komponenten und Speichermedien zum Einsatz kommen. Zudem sparen sie sich am Anfang des gesamten Prozesses den Wärmetauscher, über den der Receiver die Wärme an das Speichermedium überträgt. Schließlich werden die Keramikkügelchen, also das Speichermedium, direkt im Receiver erhitzt.