Studien zeigen die riesigen Potenziale der Solarenergie. So erreicht die Wüsten der Erde in sechs Stunden mehr Sonnenenergie als die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht. Damit Sonnenenergie kostengünstig in Elektrizität umgewandelt werden kann, müssen Solarzellen und solarthermische Kraftwerke effizienter arbeiten und wesentlich preiswerter in der Herstellung werden.
Quelle: DLR (CC-BY 3.0).
Das DLR forscht an Energien der Zukunft unter anderem in Stuttgart, Köln und Almería (Südspanien). Mit Wärmespeichern lässt sich die Stromproduktion solarthermischer Kraftwerke von den Schwankungen der Sonneneinstrahlung entkoppeln. Solarthermischer Kraftwerke könnten so auch nachts und bei starker Bewölkung immer gleichmäßig Strom liefern.
Die elektrische Energie liefert ein Brennstoffzellensystem, dass das Bugrad eines 70 Tonnen schweren Flugzeugs antreiben kann.
Mit der Forschungsbrennkammer können die Wissenschaftler im DLR-Institut für Verbrennungstechnik Synthesegase mit hohem Wasser-stoffanteil unter realen Bedingungen untersuchen.
Hochtemperaturspeicher können den Einsatz von Erneuerbaren Energien vorantreiben und darüber hinaus auch für mehr Flexibilität und höhere Wirkungsgrade in Industrieprozessen und konventionellen Kraftwerksanwendungen sorgen. Kern der Versuchsanlage "HOTREG" beim Institut für Technische Thermodynamik ist ein fünf Meter hoher Speicherbehälter. Mit dem variablen Teststand zur Untersuchung von Wärmespeichern können die Wissenschaftler unterschiedliche Speicherkonzepte, Betriebsweisen und Materialien erproben.
Keramiken, naturstein, Beton, Flüssigsalz - bei der Entwicklung von technisch und wissenschaftlich attraktiven Wärmespeichern ist das Material von entscheidender Bedeutung. DLR-Wissenschaftler im Institut für Technische Thermodynamik erforschen deshalb neue Materialien und Speicherkonzepte für unterschiedliche Einsatzbereiche - von der Industrieanwendung bis hin zur Kraftwerkstechnik.
Durch die Einbindung thermischer Energiespeicher können solarthermische Kraftwerke elektrische Energie bedarfsgerecht bereitstellen, auch nachts und in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung. Mit der 10-Kilowatt-Versuchsanlage untersuchen DLR-Forscher unterschiedliche Wärmespeicher im Temperaturbereich von bis zu 400 Grad Celsius. Die Speicherbehälter werden mit unterschiedlichen Speichermedien auf Salzbasis zur Entwicklung von Latentwärmespeichern und Flüssigsalzspeichern betrieben.
Die Zukunft fährt elektrisch. effiziente, kostengünstige und sichere Batterien bilden die Grundlage für vollständig elektrisch angetriebene oder durch Hybridantrieb versorgte Fahrzeuge. Das Institut für Technische Thermodynamik arbeitet an der Entwicklung von Hochleistungsbatterien mit Lithium-Luft- und Lithium-Schwefel-Architektur. Zur Untersuchung von Batterie-Materialien wird ein Röntgen-Diffaktometer eingesetzt.
Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie unmittelbar aus Brenngasen. Hierbei ist der grundlegende Prozess die elektrochemische Oxidation von Wasserstoff. Die Aktivitäten beim Institut für Technische Thermodynamik reichen von Zelldesign, Herstellverfahren und der Diagnose bis hin zur Systemoptimierung und Demonstration, um damit kostengünstige und leistungsfähige Lösungen für mobile und stationäre Anwendungen zu erreichen.
Plasmaspritzanlage im Institut für Technische Thermodynamik
Untersuchung der elektronisch chemischen Vorgänge mittels Laserstrahlen
Zum Verständnis von Detailprozessen in oxidkeramischen Festelektrolyt-Brennstoffzellen (SOFC) arbeiten Forscher des Instituts für Technische Thermodynamik gemeinsam mit dem Institut für Verbrennungstechnik an einem Testaufbau, in dem mittels Laserstrahlen die elektrochemischen Vorgänge an den Elektrodenoberflächen berührungslos untersucht werden können.
Um einen Beitrag als alternativer Energieträger für die gesamte mobile und dezentrale Stromerzeugung leisten zu können, muss Wasserstoff effizien und kostengünstig aus regenerativen Quellen wie biologischen Primärbrennstoffen erzeugt werden. Die Arbeiten des Instituts für Technische Thermodynamik konzentrieren sich auf die Verfahrensentwicklung, das Wärmemanagement und die Gasaufbereitung bei der Umwandlungud Erzeugung von biogenen Primärbrennstoffen.
Teststand zur Untersuchung von Hochtemperaturbrennstoffzellen bei erhöhtem Druck
Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe spielen vor allem Stickoxide eine unangenehme Rolle. Sie werden für den sauren regen verantwortlich gemacht und sind zudem schädlich für die Atemwege.DLR-Forscher konnten nachweisen, dass das Prinzip der sogenannten flammenlosen Verbrennung ("FLOX" = Flameless Oxidation) unter gasturbinentypischen Bedingungen eine stickoxidarme und zuverlässige Verbrennung im Kraftwerksbereich verspricht.
CO2-freies Kraftwerk: Mithilfe der "Oxyfuel"-Verbrennung (Oxygen = Sauerstoff und fuel = Brennstoff) können fossile Energieträger verbrannt werden, ohne dass das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) ind ie Atmosphäre gelangt. Der Brennstoff wird nicht wie üblich mit Luft verbrannt, sonder mit reinem Sauerstoff, was den Anteil des Rauchgases erheblich vermindert. CO2kann dann aus den Abgasen abgetrennt, verflüssigt und dauerhaft gespeichert werden.
Um die Vorgänge in der Brennkammer, zum Beispiel in Kraftwerken oder Flugzeugtriebwerken, besser zu verstehen und damit umweltfreundlichere und zuverlässigere Brennkammer zu entwerfen, hat das Institut für Verbrennungstechnik ein Hochgeschwindigkeits-Lasermesssystem entwickelt, das die Flammeneigenschaften bei der Verbrennung in Gasturbinen hochgenau bestimmen kann: Es misst 1000 Mal schneller als bisherige Verfahren und zeigt erstmals bis ins kleinste Detail, was mit der Flamme in der Brennkammer passiert.
Einblicke in das Herz einer Gasturbine: die Brennkammer
Im Institut für Verbrennungstechnik haben die Forscher am Hochdruckbrennkammer-Prüfstand Stuttgart (HBK-S)eine einzigartige gläserne Versuchsbrennkammer eingerichtet, die durch große Fenster Einblicke in das Innere gewährt. Mit modernster Lasermesstechnik kann hierdurch die Flamme bei gasturbinentypischenBedingungen - hohen Temperaturen und Drücken - analysiert werden. Der Prüftsand ist mit einer Vielfalt von Brennstoffen betreibbar: von kerosin über Erdgas bis hin zu Brennstoffen auf Basis von Kohle, Holz oder Biomasse.
Das DESERTEC-Konzept setzt auf Nutzung der Solarenergie im Sonnengürtel der Erde - bevorzugt auf solarthermische Kraftwerke - um klimafreundlich Strom für Europa, den Mittleren Osten und Nordafrika zu erzeugen. Laut Berechnungen des DLR reicht ein Quadratkilometer Wüste aus zur Versorgung von etwa 100.000 Haushalten mit 250 Millionen Kilowattstunden Strom pro Jahr.
Das Institut für Solarforschung arbeitet an der Entwicklung von konzentrierenden Solarsystemem zur Erzeugung von Strom, Wärme und Brennstoffen und damit an einer nachahltigen Energieversorgung auf der Basis von erneuerbaren Energien. Solarturmkraftwerke - wie hier in Jülich - konzentrieren über viele der Sonne nachgeführte Spiegel die Solarstrahlung auf die Spitze eines Turmes. Im Brennfelck befindet sich ein Receiver, in dem ein Medium auf hohe Temperaturen erhitzt wird. Ein anschließender Kraftwerksprozess erzeugt unter Nutzung des erhitzten Mediums Strom.
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Die Energieversorgung spielt eine besondere volkswirtschaftliche Rolle, weil sie die Basis für alle Bereiche des wirtschaftlichen, öffentlichen und privaten Lebens ist. Steigende Preise für fossile Energieträger und die Klimaproblematik zeigen die Dringlichkeit zu handeln.
Kostengünstiger, sicherer und umweltfreundlicher Strom aus Solarkraftwerken könnte im Jahr 2050 rund 15 Prozent des europäischen Strombedarfs decken. Das bestätigen Studien des DLR, auf denen das Wüstenstromprojekt DESERTEC basiert.
Warum sind Speicher für die Energieversorgung so wichtig? Wie wird sich unsere Energieversorgung verändern? Wie kommt der Strom übers Meer? 50 Fragen und 50 Antworten hat der Wissenschaftsjournalist Oliver Löfken in DLR-EnergieBlog beantwortet.