Das Solarkraftwerk der Zukunft
Konzentriertes Sonnenlicht trifft auf einen Strahlungsempfänger (Receiver) und wird dort absorbiert. Die entstehende Wärme wandelt ein nachgeschalteter Prozess in nutzbare Energie um – entweder in elektrische Leistung oder in einen solaren Brennstoff. Alternativ lässt sich die thermische Energie auch direkt für industrielle Anwendungen wie die Kalzinierung einsetzen.
Für einen effizienten und sicheren Betrieb müssen die Kraftwerkskomponenten kontinuierlich geregelt und präzise aufeinander abgestimmt werden. Wesentliche Einflussfaktoren sind der sich im Tagesverlauf ändernde Sonnenstand, die Bewölkung über dem Konzentrator sowie der aktuelle Zustand der Anlagenkomponenten. Diese Parameter müssen in Echtzeit ausgewertet werden, damit KI-gestützte Algorithmen den Anlagenbetrieb autonom steuern können.
Die Mitarbeitenden in der Abteilung Konzentrierende Solartechnologien forschen deshalb am autonomen Solarkraftwerk der Zukunft.
Die Optimierung und Autonomisierung schließt das gesamte Kraftwerk und die Erfassung der Umweltbedingungen mit ein. Aus diesem Grund ist das Forschungsfeld in mehrere Schwerpunkte unterteilt:
- Zustandsüberwachung der Umwelt wie Wolkensitutation, Sonneneinstrahlung und Windbedingungen
- Zustandsüberwachung der Komponenten Konzentrator, Receiver, Speicher und Energiewandlungsprozess
- Zentrale Bereitstellung aller relevanten Zustände für die digitale Auswertung in einer für Solarkraftwerke entwickelten Datenplattform
- Entwicklung von KI-basierten Methoden zur digitalen Modellbildung der Kraftwerkskomponenten
- Entwicklung digitaler Zwillinge der Kraftwerkskomponenten
- Entwicklung von KI-gestützten Betriebsassistenzsystemen für die Orchestrierung der Kraftwerkskomponenten
- Entwicklung von Validierungsverfahren der digitalen Betriebsfahrer
Ziel der Forschung ist die Entwicklung und Demonstration von KI-basierten, intelligenten Steuerungs- und Überwachungssystemen für das autonome Kraftwerk der Zukunft. Solche Systeme sollen in der Lage sein, den Energieertrag der Kraftwerke zu maximieren, die Lebensdauer zu verlängern und gleichzeitig die hohen Sicherheitsanforderungen zu gewährleisten. Die Forschungsergebnisse haben das Ziel, die Stromgestehungskosten und den Personalaufwand für den Betrieb von solarthermischen Kraftwerken zu senken. Auf diese Weise leisten solarthermische Kraftwerke einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende.
Das Forschungsfeld solarthermischer Kraftwerke besteht seit etwa 40 Jahren am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Zu Beginn wurde hauptsächlich Grundlagenforschung zur Machbarkeit solcher Systeme betrieben. Einzelne Komponenten und Materialien für Konzentratoren, Receiver und Speicher wurden im Labormaßstab entwickelt und anschließend in den Kilo- und Megawatt-Maßstab hochskaliert. Der nächste Entwicklungsschritt war die Demonstration ganzer Anlagen. Beispiel dafür ist das 2010 in Betrieb genommene Forschungskraftwerk Jülich. Seitdem wird der Foschungsschwerpunkt auf den Betrieb und die Digitalisierung solarthermischer Anlagen gelegt.
Das Forschungskraftwerk Jülich dient als Blaupause für einen weitgehend autonomen Kraftwerksbetrieb. Die dort aufgebaute digitale Infrastruktur und die entwickelten Methoden werden von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des DLR eingesetzt und unter realen Betriebsbedingungen erprobt. Die Demonstration an einem bestehenden Kraftwerk hat Vorbildcharakter und macht den praktischen Nutzen unmittelbar sichtbar.
Komponentenhersteller und Kraftwerksbetreiber können sich in den DLR-Forschungseinrichtungen direkt von der Machbarkeit und dem Mehrwert überzeugen. Ziel ist es, die Überführung der Forschungsergebnisse in die industrielle Anwendung deutlich zu beschleunigen.