21. Juni 2019

Son­ni­ges Ju­bi­lä­um – 25 Jah­re For­schung für Kli­ma und Um­welt

Sonnenofen
Pan­ora­ma des Son­ne­nofens
Bild 1/3, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Panorama des Sonnenofens

Ein pla­ner, be­weg­li­cher Spie­gel folgt der Son­ne und spie­gelt die Son­nen­strah­len auf ei­ne Flä­che von 159 ge­wölb­ten Spie­geln. Die­se Spie­gel kon­zen­trie­ren das Son­nen­licht um das rund 5000-fa­che und sind auf ei­nen Punkt im La­bor­ge­bäu­de aus­ge­rich­tet. Dort ent­ste­hen in­ner­halb von Se­kun­den Tem­pe­ra­tu­ren von über 2000°C und ei­ne Ener­gie­dich­te von fünf Me­ga­watt pro Qua­drat­me­ter.      
Sonnenofen
DLR-Son­ne­nofen in Köln
Bild 2/3, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

DLR-Sonnenofen in Köln

Ein 60 Qua­drat­me­ter großer Spie­gel sam­melt das Son­nen­licht und lenkt es auf die Fa­cet­ten­spie­gel (im Bild links zu se­hen) Die­se Spie­gel kon­zen­trie­ren die Son­nen­strah­len um den Fak­tor 5200 und len­ken sie in das Ver­suchs­la­bor des Köl­ner Son­ne­nofens (Licht­ein­fall ist rechts im Bild zu se­hen).      
Sonnenofen-Heliostat
Son­ne­nofen-He­lio­stat sam­melt auf 57 Qua­drat­me­tern die Son­ne ein
Bild 3/3, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Sonnenofen-Heliostat sammelt auf 57 Quadratmetern die Sonne ein

Der He­lio­stat des DLR-Son­ne­nofens in Köln sam­melt die Son­nen­strah­lung ein und re­flek­tiert sie auf den so ge­nann­ten Kon­zen­tra­tor, das sind 157 ein­zel­ne leicht ge­wölb­te und prä­zi­se aus­ge­rich­te­te Spie­gel, die das Licht in ei­nem Brenn­punkt bün­deln. Die um den Fak­tor 5200 kon­zen­trier­ten Son­nen­strah­len fal­len von dort in den zir­ka vier mal vier Me­ter großen Ver­suchs­raum des Son­ne­nofens.      

Erneuerbare Energien, CO2-Ausstoß, Klimaschutz sowie nachhaltiger und verantwortungsvoller Umgang mit Rohstoffen. Diese aktuellen Themen beschäftigten die Wissenschaft bereits vor mehr als 25 Jahren. Am 21. Juni 1994 wurde beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln der "DLR-Sonnenofen", als Testanlage für die Nutzung konzentrierter Solarstrahlung eingeweiht.

"Wer als Kind einmal mithilfe des Sonnenlichts und einer Lupe gezündelt hat, kennt das Wirkungsprinzip der konzentrierenden Solarstrahlung bereits. Anstelle einer Lupe wird am Sonnenofen jedoch mit  Spiegeln gearbeitet." sagt Dr. Ing. Gerd Dibowski, Wissenschaftlicher Leiter des Sonnenofens, am DLR-Institut für Solarforschung. Ein planer, beweglicher Spiegel folgt der Sonne und spiegelt die Sonnenstrahlen auf eine Fläche von 159 gewölbten Spiegeln. Diese Spiegel konzentrieren das Sonnenlicht um das rund 5000-fache und sind auf einen Punkt im Laborgebäude ausgerichtet. Dort entstehen innerhalb von Sekunden Temperaturen von über 2000°C und eine Leistungsdichte von fünf Megawatt pro Quadratmeter.

Diese Energie wird für eine Vielzahl von experimentellen Anwendungen genutzt. Ein Fokus der Versuche liegt auf der Weiterentwicklung von Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien und dem Einsatz von konzentrierender Solarenergie in industriellen Fertigungsprozessen. Dabei sollen Prozesse, die einen hohen Energiebedarf haben und viel Kohlenstoffdioxid emittieren, durch neue Verfahren ohne CO2-Ausstoß während des Betriebs ersetzt werden. Beispiele dafür sind das Recycling von Aluminiumschrott und die Zementherstellung.

Speichertechnologien

Ein weiteres wichtiges Thema, das eng mit der Kraftwerkstechnologie verbunden ist, stellt die Speicherung von solar erzeugter Energie dar. Die Energie kann zum einen als Wärme gespeichert und bei Bedarf genutzt werden. Im Sonnenofen werden verschiedenen Materialien auf ihre Eignung als Wärmespeicher in Solarthermischen Kraftwerken untersucht. Hier kommen zum Beispiel keramische Materialien als Wärmeträger zum Einsatz.

Sonne tanken

Der Kölner Sonnenofen dient zudem als Testanlage für die Entwicklung solarer Kraftstoffe. Bereits 2004 gelang es DLR-Wissenschaftlern am Sonnenofen Wasserdampf durch konzentriertes Sonnenlicht thermisch zu spalten und dadurch solaren Wasserstoff zu erzeugen. Wasserstoff hat das Potenzial, den Anteil der erneuerbaren Energien insbesondere im Verkehrs- und Wärmesektor zu erhöhen. Der Energieträger kann zum Beispiel in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb direkt als Treibstoff getankt werden. Zudem ist er eine Komponente bei der Herstellung von synthetischen Treibstoffen wie Methan, Methanol, Benzin oder Kerosin. Mit erneuerbaren Energien erzeugter Wasserstoff kann somit den Kohlendioxid-Ausstoß erheblich senken.

Die Bandbreite der Tests am Sonnenofen umfasst zusätzlich die Reinigung von belasteten Abwässern, bis hin zur Aufbereitung von Schwefelsäurerückständen, Materialtests von Satellitenkomponenten, über Hochtemperaturbauteile aus Keramik und Metall, der beschleunigten Alterung von Kunstoffen und Lacken, bis hin zur Aufbereitung von Saharasand als Baumaterial in Wüstenregionen. Ein ganz besonderes Baumaterial stellt Mondstaub dar. Im Projekt Regolight wird künstlicher Mondstaub mittels Sonnenlicht zu einem Backstein versintert. Auf diesem Wege könnte ein mobiler Sonnenofen auf dem Mond Baumaterial für die Schutzhülle einer Mondstation herstellen.

Warum hier?

Auch nach 25 Jahren erfolgreichen Betriebs hören die Mitarbeiter des Sonnenofens eine Frage immer wieder: "Warum baut man einen Sonnenofen in Köln und nicht dort, wo die Sonne öfters scheint?". Mit rund 1550 Sonnenstunden pro Jahr ist Köln nicht ein von der Sonne verwöhnter Standort, doch die Leistung der Sonne ist hier ebenso hoch wie beispielsweise in der Sahara. "Da Aufbau und Entwicklung der Experimente Wochen bis Monate dauern, die Tests an sich jedoch nur Minuten bis wenige Stunden Sonnenlicht benötigen, kann man es sich erlauben auf die Sonne zu warten." sagt Dipl. Ing. Christian Willsch, Betriebsleiter des Sonnenofens. Zudem ist die Infrastruktur an Hochschulen und Partnern aus der Industrie im Rheinland vorhanden und auch der Aufwand für die Dienstreisen der Wissenschaftler ist so geringer. Und es kann jeder Zeit schnell und unkompliziert auf die auf dem DLR Gelände befindlichen Fachbetriebe sowie auf die Zentralwerkstatt zurückgegriffen werden.

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    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Po­li­tik­be­zie­hun­gen und Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 2203 601-2144
    Linder Höhe
    51147 Köln
    Kontaktieren
  • Dr.-Ing. Hans-Gerd Dibowski
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für So­lar­for­schung
    So­la­re Ver­fah­rens­tech­nik
    Telefon: +49 2203 601-3211
    Linder Höhe
    51147 Köln
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