5G Lösungen für effiziente solarthermische Kraftwerke
Laufzeit: 01.01.2022 bis 30.06.2024
Solare Turmkraftwerke sind extrem komplexe Systeme mit Tausenden beweglichen Spiegeln, den sogenannten Heliostaten, die über mehrere Hektar Land verteilt sind. Da diese Spiegel einzeln gesteuert werden müssen, sind viele Kilometer Kabel zur Datenkommunikation und Stromversorgung nötig. Das ist sehr aufwändig und kostenintensiv, weshalb Ingenieurinnen und Ingenieure seit langem an der Entwicklung kabelloser Heliostatfelder arbeiten.
Der neue Standard 5G adressiert neben dem klassischen Mobilfunk vor allem auch die Kommunikation zwischen Maschinen im industriellen Bereich. Mit sehr großen Datenraten, geringen Latenzen und der Kapazität für enorme Teilnehmerzahlen soll der 5G-Standard den Ausbau des Internets-der-Dinge (IoT) ermöglichen.
Ziel dieses Forschungs- und Entwicklungs- (F&E-) Projekts war daher zu untersuchen, ob der neue Mobilfunkstandard 5G zur kabellosen Kommunikation mit Heliostaten geeignet ist und so ein autarker, kabelloser Heliostat realisiert werden kann.
5G-Campusnetz
Zusammen mit weiteren Projektbeteiligten aus Industrie und Hochschule hat das Institut für Solarforschung im Jahr 2023 auf dem Gelände des DLR-Solarturms in Jülich ein privates 5G-Campusnetz aufgebaut und bis Ende des Jahres 2024 betrieben. Dafür konnte das Projektteam eine lokal exklusive Mobilfunk-Lizenz für das Spektrum 3,7 bis 3,8 Gigahertz bei der Bundesnetzagentur erwerben. Dies ist möglich, da Europa – und innerhalb Europas insbesondere Deutschland – weltweit zu den Vorreitern bei der Zulassung privater 5G-Campusnetze zählt.
Grafische Darstellung
Vernetzung aller Anlagenteile in einem solaren Turmkraftwerk.
Um die Machbarkeit zu untersuchen, hat das Projektteam elf der 2.000 Heliostaten im Jülicher Solarfeld mit 5G-Modems umgerüstet und per Mobilfunk-Netz mit der zentralen Steuerung verbunden. Als weitere Anwendungsfälle hat das Team eine IP-Überwachungskamera, das Tablet eines Wartungstechnikers und die Kamera einer Messdrohne in das Mobilfunknetz eingebunden.
Im Testbetrieb im Jahr 2023 konnte das Projektteam Signalstärke, Datenraten, Latenz und Zuverlässigkeit der 5G-Kommunikation messen und mit der kabelgebundenen Lösung vergleichen. Darüber hinaus hat die TU Dortmund für die Funkkommunikation ein sogenanntes Kanalmodell erstellt, das die Signaldämpfung im Heliostatfeld in Abhängigkeit vom Ort beschreibt. Mit diesem Kanalmodell kann ein Team der TU Dortmund die Kommunikation per Funk in einer Umgebung mit Heliostaten aus Glas und Stahl simulieren.
Skalierung für kommerzielle Anlagen
Kommerzielle Turmkraftwerke haben Heliostatfelder mit einigen Tausend bis zu mehr als 50.000 Spiegeln. Mit aufwändigen Simulationen konnte die TU Dortmund nachweisen, dass 5G-Mobilfunk für Heliostatfelder mit über 60.000 Spiegeln eine robuste Kommunikation ermöglichen kann.
Gemeinsam mit den Projektbeteiligten aus der Industrie hat das Institut die Kosten eines kabellosen Heliostatfelds mit Kommunikation mittels 5G-Funk und Energieversorgung durch individuelle PV-Batterie-Systeme abgeschätzt und mit denen eines herkömmlich verkabelten Felds verglichen. Dabei konnte das Projektteam feststellen, dass der Kostenvorteil der kabellosen Lösung – je nach Annahmen – bei 15 bis 30 Prozent liegt. Somit konnte das Projekt „5hine“ zeigen, dass mit funkgesteuerten kabellosen Heliostaten eine signifikante Kostenreduktion von Solarturmanlagen erreicht werden kann.
