(7. December 2010)
Linienfokussierende Kollektoren sind für den Einsatz im Temperaturbereich bis ca. 500°C geeignet. Sie bestehen aus in der Regel einachsig der Sonne nachgeführten Konzentratorspiegeln und einem in der Fokallinie angebrachten Absorberrohr. Durch dieses fließt ein Wärmeträgermedium, mit dem die Wärme der vorgesehenen Anwendung (z.B. Kraftwerksprozess, Prozesswärmenutzer, Wärmespeicher) zugeführt wird.
Parabolrinnenkollektoren sind die bisher kommerziell erfolgreichste Technologie für solarthermische Kraftwerke. Den Stand der Technik repräsentieren die in Spanien errichteten Anlagen vom Typ ANDASOL mit einer Leistung von 50 MWe und integriertem Wärmespeicher für rund 8 Volllaststunden. Stahlstrukturen mit parabolisch gekrümmten Glasspiegeln bilden Konzentratormodule mit einer Aperturweite von rund 5,8 Meter und 12 Meter Länge, die zu 150 Meter langen Kollektoren zusammengesetzt werden.
Die Absorberrohre haben eine selektiv beschichtete Oberfläche und sind von einem evakuierten Glashüllrohr umgeben. Als Wärmeträgermedium dient ein Thermoöl, im Wärmespeicher wird aus Kostengründen eine Salzschmelze eingesetzt.
Bei Linear-Fresnel-Kollektoren besteht der Konzentrator aus leicht gekrümmten, schmalen Facetten, die das Sonnenlicht auf einen feststehenden Absorber konzentrieren. Wegen der vergleichsweise geringen Windlasten auf den Konzentrator lässt sich dieser besonders material- und kostensparend konstruieren. Dem stehen optische bzw. geometrische Nachteile im Vergleich mit der Parabolrinne gegenüber. Bisher ausgeführte Anlagen erzeugen Heißwasser oder Sattdampf.
Forschungsthemen
Das derzeit übliche Thermoöl begrenzt mit seiner Einsatztemperatur von knapp 400°C den Wirkungsgrad des Dampfturbinenkreislaufs. Um das Temperaturpotenzial der Kollektoren optimal nutzen zu können wird an der Entwicklung der direkten Dampferzeugung im Kollektorfeld für Frischdampfzustände bis ca. 120bar/ 500°C gearbeitet. Darüber hinaus werden Prozesse für alternative Wärmeträgermedien, beispielsweise Salzschmelze, untersucht.
Beim heutigen Stand der Technik sind die Potenziale für weitere Wirkungsgradsteigerungen von Schlüsselkomponenten bereits weitgehend ausgereizt. Ziel der Komponentenentwicklung muss daher die Kostensenkung bei Materialeinsatz, Fertigung, Transport und Montage sein, ohne jedoch das Leistungsvermögen zu beeinträchtigen. Ansatzpunkte bieten geänderte Bauweisen, beispielsweise auf der Basis von Sandwich-Strukturen, oder innovative Kollektorgeometrien.
Neben der Anwendung in solarthermischen Kraftwerken werden linienfokussierende Kollektoren auch im Bereich industrieller Prozesswärme- oder Kälteerzeugung eingesetzt. In diesem Marktsegment liegt die besondere Herausforderung bei der Systemintegration.
Arbeitsgebiete
Die Abteilung bearbeitet an den Standorten Almería, Köln und Stuttgart relevante Fragestellungen zu linienfokussierenden Systemen im gesamten Spektrum von Grundlagenforschung und Theoriebildung über experimentelle und numerische Methoden bis zur Demonstration unter realen Betriebsbedingungen einschließlich der wirtschaftlichen Bewertung:
- Prozesse und Verfahren
Entwicklung von Grundlagen für Auslegung und Optimierung neuer Technologien
- Komponenten
Entwicklung und Optimierung von Komponenten für linienfokussierende Systeme und deren Anwendungen
- Demonstration und Versuchsbetrieb
Konzeption, Bau und Betrieb von Versuchsanlagen in anwendungsrelevantem Maßstab
- Anwendungsunterstützung
Beratungsdienstleistungen, Machbarkeitsstudien und Pilotprojekte in Kooperation mit Industriepartnern
Projekte
REAL-DISS
Ziel des REAL-DISS Projektes ist es, Absorberrohre und flexible Rohrverbindungen für 500°C und 100 bar zu entwickeln und an einer im Rahmen des Projektes neu errichteten Versuchseinrichtung unter realen Bedingungen zu testen. Diese Versuchseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Parabolrinnenkollektor und der erforderlichen Dampfkonditionierung. Sie wird in Südspanien an ein bestehendes Kraftwerk von ENDESA angeschlossen, das die Versuchseinrichtung mit dem erforderlichen Dampf versorgt. Diese Versuchseinrichtung wird auch dazu genutzt, ein Speichersystem zu testen, das innerhalb des BMU Projektes ITES entwickelt wird.
Gleichzeitig wird ein erstes Demonstrationskollektorfeld detailliert ausgelegt, das aus fünf bis zehn parallelen Kollektorsträngen bestehen soll. Es wird angestrebt direkt nach Ablauf des Projektes mit dem Bau dieses Demonstrationskollektorfeldes zu beginnen. Dazu werden alle vorbereitenden Maßnahmen getroffen, wie die Erstellung aller erforderlichen Komponentenspezifikationen.
Um diese Ziele zu erreichen, kooperiert das deutsche Konsortium eng mit den spanischen Partnern ENDESA und Milenio Solar Desarrollo de Proyectos (MSDP). ENDESA ist Koordinator des gemeinsamen deutsch-spanischen Projektes und stellt die Infrastruktur in Spanien zur Verfügung und koordiniert die Planungen für das Demonstrationskollektorfeld. Milenio Solar Desarrollo de Proyectos ist ein spanischer Projektentwickler, der ENDESA bei der konkreten Projektentwicklung unterstützt. MSDP führt z.B. Standortanalysen und die Kostenermittlung durch. Auf deutscher Seite beteiligen sich neben dem DLR die MAN-Ferrostaal, Senior-Berghöfer, Flagsol und SCHOTT an dem Projekt. Der deutsche Projektanteil wird vom BMU gefördert.
Am Ende des Projektes liegen alle erforderlichen Komponenten und Unterlagen für die umgehende Realisierung eines ersten Demonstrationskollektorfeldes für die solare Direktverdampfung bei 500°C vor. Die ENDESA strebt an, dieses Kollektorfeld im Anschluss an das Projekt mit Unterstützung der beteiligten deutschen Partner zu bauen und zu betreiben.
P3 – Pilotanlage zur solaren Prozessdampferzeugung mit Parabolrinnenkollektoren
Das P3 Verbundprojekt (Pilotanlage zur solaren Prozesswärmeerzeugung mit Parabolrinnenkollektoren) demonstriert die solare Versorgung eines typischen industriellen Verbrauchers mit Sattdampf als Energieträger. Eine Anlage zur Beschichtung von Aluminiumbändern bei der Firma Alanod wird mit direkt im Kollektorfeld erzeugtem Dampf bei 143°C beschickt. Planung, Errichtung und Inbetriebnahme des Parabolrinnenfeldes der Firma Solitem mit 108 m² Kollektorfläche und des Anschlusses an die Produktion ist abgeschlossen. Für den Betrieb der nächsten Jahre wird eine weitere wissenschaftliche Begleitung und Auswertung angestrebt.
Durch den direkten Anschluss an die vorhandene Dampfschiene ist eine vergleichsweise einfache Nachrüstung des Solarsystems möglich. Aufwändige Infrastrukturmaßnahmen, wie etwa Versorgungsleitungen zu den einzelnen Verbrauchern, zusätzliche Ausgleichsbehälter und Wasseraufbereitung sind nicht erforderlich. Auch eine gesonderte Regelung des Ausgleichs von Schwankungen der solaren Dampfproduktion wird verzichtbar, da diese sich auf die Regelung der vorhandenen Kesselanlage in gleicher Weise auswirken wie Schwankungen in der Dampfabnahme der Verbraucher.
Projektpartner des vom BMU im Rahmen des Programms Solarthermie2000plus geförderten Projektes sind ALANOD, SOLITEM, ZfS, Uni Stuttgart ITW und FH Aachen SIJ.