Wärmeträgermaterial – keramische Partikel
Dank ihrer hohen thermischen Stabilität und Speicherkapazität bieten keramische Materialien eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Systemen für solarthermische Anwendungen bei hohen Temperaturen. Als Wärmeträger werden aktuell keramische Partikel aus gesintertem Bauxit favorisiert. Gründe hierfür sind:
- Hohe Temperaturbeständigkeit bis über 1.000 Grad Celsius
- Aufgrund ihrer nahezu schwarzen Farbe und der damit verbundenen hohen Absorptivität von 0,8 - 0,95 sind sie bestens für die direkte Absorption von Solarstrahlung geeignet.
- Sie verfügen über eine hohe Wärmespeicherkapazität durch hohe Wärmekapazität und hohe Temperaturspreizung zwischen unterer und oberer Betriebstemperatur.
- Die Partikel sind in großtechnischen Mengen verfügbar, da sie in der Öl- und Gasindustrie zum Offenhalten von hydraulisch erzeugten Rissen (Fracking) verwendet werden.
Die Partikelkosten sind vergleichbar mit Kosten für Solarsalz. Im Bereich der konzentrierenden Solarthermie gilt dies als derzeitiger Standard für Speichermaterial.
Aktuelle Arbeiten am DLR
- Analyse von neuartigen Konzepten für Partikelreceiver
- Entwicklung, Auslegung, Konstruktion und Fertigung von
- Komponenten für Labortests
- Prototypreceivern
- Receivern für Demonstrationsanlagen
- Entwicklung von Berechnungsmodellen für
- Auslegung
- Konstruktion
- Wirkungsgradbestimmung
Mit der neuen Technologie verfolgen die Solarforschenden des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zwei Anwendungspfade:
- Für die solarthermische Stromerzeugung eröffnet sich durch die erhöhte Betriebstemperatur des Wärmeträger- und Speichermediums die Möglichkeit, modernste hocheffiziente Dampfkraftwerke mit Dampftemperaturen bis zu 620 Grad Celsius ausschließlich mit Solarenergie anzutreiben und durch den integrierten Wärmespeicher nach Bedarf Strom zu erzeugen. Mit dem in heutigen kommerziellen Solarturmkraftwerken eingesetzten Flüssigsalz als Wärmeträgermedium lassen sich derzeit lediglich Dampftemperaturen von maximal etwa 540 Grad Celsius erreichen. Die höhere Betriebstemperatur führt zu insgesamt höheren Wandlungswirkungsgraden und damit reduzierten Stromgestehungskosten.
- Das zweite Einsatzgebiet sind Anwendungen im Bereich der solaren Hochtemperaturprozesswärme mit großem Energiebedarf und hohen CO2-Emissionen. Kostenschätzungen zum Einsatz der Partikeltechnologie haben beispielsweise für Gießereibetriebe attraktive Amortisationszeiten aufgezeigt.
Die Kostensenkungen werden durch mehrere Faktoren erreicht. Zum einen vermeidet die direkte Bestrahlung der Partikel im Receiver die Notwendigkeit, teure vom Wärmeträgermedium durchströmte Metallrohre einzusetzen. Gleichzeitig werden durch die Direktbestrahlung hohe Receiverwirkungsgrade erreicht. Zum anderen erlaubt die weitgehend freie Wahl des Temperaturbereichs eine techno-ökonomische Optimierung, die zu einer deutlichen Reduktion der Wärmetauscher- und Speicherkosten führt. Weitere Vorteile sind die aus Bauxit bestehenden Keramikpartikel (im Wesentlichen Aluminiumoxid), die umwelttechnisch unbedenklich sind. Da die Partikel – anders als das derzeit verwendete Flüssigsalz – nicht einfrieren können, entfällt auch die sonst notwendige Beheizung von Rohren und Komponenten während Stillstandszeiten. Dies spart Kosten, und der Energieaufwand für die Beheizung entfällt.
Kontakt
Dr.-Ing. Eckhard Lüpfert
Dr.-Ing. Kai Wieghardt