Die Vorteile von Luftsystemen liegen auf der Hand: Luft ist ungiftig, frei verfügbar, stabil und bleibt über einen sehr großen Temperaturbereich gasförmig. Es liegt somit nahe, Luft auch als Wärmeträger in solarthermischen Systemen einzusetzen. Ein beträchtlicher Teil an konventioneller Anlagentechnik lässt sich auch in solarthermischen Anlagen nutzen.
Trotzdem bleibt das grundlegende Problem der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Luft. Wie kann man Solarwärme auf Luft übertragen, ohne extrem hohe Temperaturdifferenzen in Kauf nehmen zu müssen? Der Schlüssel liegt in der genutzten Oberfläche: Als Absorber dient eine poröse Struktur, deren innere Oberfläche mehrere Größenordnungen größer ist als die bestrahlte frontale Fläche. Die konzentrierte Solarstrahlung wird in der Tiefe der Struktur absorbiert und als Wärme an die durchströmende Luft übertragen. Man spricht daher von volumetrischen Strahlungsempfängern (Receivern). Gelingt es, die Strahlung sehr tief in der porösen Struktur zu absorbieren, werden die Verluste minimiert und der Umwandlungswirkungsgrad erreicht Werte von über 90 Prozent.
Zwei grundlegend unterschiedliche Typen von Receiversystemen wurden bislang entwickelt: Geschlossene (druckaufgeladene) und offene Receiver.
Geschlossener volumetrischer Receiver
Das zentrale Element des geschlossenen volumetrischen Receivers ist der innen isolierte Druckkessel, der durch ein kuppelförmig gewölbtes Quarzglasfenster zur Umgebung abgeschlossen ist. In seinem Inneren befinden sich keramische oder metallische volumetrische Absorberelemente. Die konzentrierte Solarstrahlung durchdringt das Quarzglasfenster, wird von der dahinter angeordneten Absorberstruktur aufgenommen und als Wärme an die durchströmende Luft abgegeben.
Dieser Receivertyp wird eingesetzt, um im Hochdruckteil eines Gasturbinenprozesses Solarenergie an den Wärmeträger Luft zu übertragen. Die verdichtete Luft (10 bis 15 bar) wird in den Receiver geleitet und mit metallischem Absorbermaterial auf circa 600 Grad Celsius, mit keramischem Absorberwerkstoff auf über 1.000 Grad Celsius erhitzt. Liegt die Lufttemperatur unter der definierten Turbineneintrittstemperatur, wird sie in einem nachgeschalteten Brenner noch weiter erhitzt.
Die maximale Größe und Leistung dieses Receivertyps ist aufgrund seiner Bauart begrenzt. Um größere Leistungen erreichen zu können, müssen mehrere Receiver nebeneinander angeordnet und parallel geschaltet werden. Dazu werden sie mit einem Sekundärkonzentrator ausgestattet, der eine lückenlose Anordnung vieler Receiver auf einem Turm erlaubt.
Offener volumetrischer Receiver
Beim offenen volumetrischen Receiver liegen die porösen Absorbermodule frei, so dass sie direkt mit konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagt werden können und die Umgebungsluft einfach eindringen kann. Auch hier kommen sowohl metallische als auch keramische Werkstoffe als Absorbermaterial zum Einsatz.
Für Kraftwerksanwendungen wird die Luft auf circa 700 Grad Celsius erhitzt. Sie wird dann dem Kessel eines Wasser-Dampf-Kreislaufs zugeführt, um Wasser in Dampf umzuwandeln, der eine Dampfturbine zur Stromerzeugung antreibt. Alternativ dazu kann die Wärme auch an einen thermischen Speicher abgegeben werden. Die abgekühlte Luft aus dem Kessel oder Speicher wird mit einer Restwärme von 100 bis 150 Grad Celsius zum Receiver zurückgeführt und vor die bestrahlte Receiveroberfläche geleitet, um wieder genutzt zu werden. Da nicht die gesamte Luft wieder eingesaugt werden kann, handelt es sich um einen nicht-geschlossenen Luftkreislauf.
Zur einfachen Skalierung auf verschiedene Leistungsgrößen ist der offene volumetrische Receiver modular aus wenigen Grundkomponenten aufgebaut. Zentrales Bauteil ist das Absorbermodul, bestehend aus der Absorberstruktur, die in einem Haltekelch gelagert ist. Diese Absorbermodule werden in einer metallischen Haltestruktur aufgenommen und zu einer beliebig großen Receiverfläche gruppiert.
Solartürme Jülich
Die Technologie der volumetrischen Receiver wird beim DLR seit den 1990er Jahren kontinuierlich entwickelt. Als bislang größte Anlage wurde 2009 der erste der beiden Solartürme Jülich als Demonstrations- und Versuchsanlage für die Technologie des offenen volumetrischen Receivers errichtet und wird seit 2011 vom DLR betrieben.
In Forschungsprojekten untersuchen unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem, wie sich die Effizienz dieser Technologien verbessern lässt. Sie analysierten beispielsweise, welchen Einfluss Windströmungen auf den offenen volumetrischen Receiver haben und wie man diesen reduzieren kann. Zudem wurden neue Techniken des keramischen 3D-Siebdrucks genutzt, um filigrane Absorberstrukturen für höhere Wirkungsgrade zu realisieren.
Vorteile von Luftsystemen
- Unkritischer Wärmeträger
- Größtenteils konventioneller Anlagenbau
- Einfacher, kostengünstiger Feststoff-Wärmespeicher vorhanden (offenes System)
- Einfach hybridisierbar mit Gas/Biogas
- Gut geeignet für Retrofit vorhandener Dampfkraftwerke
Das offene Luftsystem kann auch sehr gut zur Bereitstellung von Prozesswärme auf einem beliebigem Temperaturniveau zwischen 400 und 800 Grad Celsius eingesetzt werden. Das kann zum Beispiel für Trocknungsprozesse im Bergbau und in der chemischen Industrie interessant sein.