Keramische Partikel und überkritisches CO2 für effizientere Solarthermie
Das Hauptziel des Projekts COMPASsCO2 (Components and Materials Performance for Advanced Solar Supercritical CO2 Power Plants) ist die Integration zweier innovativer Materialien in solarthermische Kraftwerke: keramische Partikel anstelle von Salzschmelze als Wärmeträgermaterial und überkritisches CO2 (sCO2, von engl. supercritical) anstatt Wasserdampf im Kraftwerkszyklus. Das DLR entwickelt gemeinsam mit den Projektteilnehmern einen geeigneten Wärmetauscher, der die Wärmeenergie von bis zu 1000 Grad Celsius von den Partikeln zum sCO2 überträgt.
Erneuerbare Energien leisten einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz und sind eine nachhaltige Antwort auf die Herausforderung endlicher Rohstoffe. Die größte Quelle erneuerbarer Energien ist die Sonne. Bei Solarturmkraftwerken konzentrieren Spiegel das Sonnenlicht und lenken es auf einen Wärmeempfänger an der Turmspitze. In den heute betriebenen kommerziellen Turmkraftwerken erhitzt die Strahlung Flüssigsalz auf bis zu 560 Grad Celsius. Rohrleitungen transportieren das heiße Salz zum Kraftwerksteil, wo die Wärme in einem Wärmetauscher Wasser in Wasserdampf umwandelt. Im sogenannten Rankine-Dampfzyklus treibt der Dampf treibt eine Turbine an, die ihre Rotationsenergie an einen Generator weitergibt, der CO2-freien Strom produziert.
Der Einsatz von überkritischem CO2 im sogenannten Brayton-Kraftwerkszyklus eröffnet solarthermischen Kraftwerken neue Möglichkeiten die Kosten zu senken. Ab einer Temperatur von 31°C und einem Druck von über 73,8 bar erreicht CO2 seinen überkritischen Zustand, wo es die Dichte einer Flüssigkeit und die Viskosität eines Gases hat. Diese Eigenschaften ermöglichen einen höheren Wirkungsgrad der Energieumwandlung und eine sehr kompakte Bauweise der Komponenten im Vergleich zum konventionellen Rankine-Dampfkreislauf. Ein solarthermisches Kraftwerk mit Brayton-Zyklus kommt daher mit einem kleineren Heliostatfeld aus und auch der Wärmeempfänger und der thermische Speicher können kleiner dimensioniert werden als in modernen Schmelzsalzturm-Kraftwerken. Die niedrigeren Investitionskosten wirken sich positiv auf die Stromentstehungskosten aus und sollen diese Technologie wettbewerbsfähiger machen.
Dafür sind Wärmeträgermaterialien, wie zum Beispiel keramische Partikel erforderlich, die hohe Temperaturen von um die 1000 Grad Celsius aufnehmen und speichern, die das sCO2 benötigt, um sein Effizienzpotenzial ausschöpfen zu können. Um diese Partikel noch besser an den Einsatz in Solarkraftwerken anzupassen, entwickeln die Wissenschaftler/innen im Rahmen des Projekts neue Partikelzusammensetzungen und Beschichtungen für die keramischen Partikel. Die optimierten Partikel sollen mehr Wärme aufnehmen und speichern können, sowie langlebiger sein. Die optimierten Partikel sollen mehr Wärme aufnehmen und speichern können sowie langlebiger sein.
Schlüsselteil, um die beiden innovativen Materialien im Kreislauf eines solarthermischen Kraftwerks kombinieren zu können, ist der Wärmetauscher. Er übergibt die Wärme der keramischen Partikel als Wärmeträgermedium an das überkritische CO2 im Brayton-Zyklus. Dadurch, dass beide Materialien heißer sind als die in üblichen Kraftwerken verwendeten, ein höherer Druck entsteht und die Partikel einen höheren Abrieb der Rohrbeschichtung erzeugen, muss der Wärmetauscher wesentlich robuster sein als der Salzschmelze-zu-Wasser-Wärmetauscher kommerzieller Kraftwerke. Um einen geeigneten Wärmetauscher zu entwerfen, simulieren das DLR und die Projektteilnehmer die extremen Bedingungen und testen verschiedene Materialen in Laborversuchen und Testaufbauten. Außerdem erforschen die Wissenschaftler*innen auch neue Metalllegierungen und Beschichtungen, um Rohre für den Wärmetauscher zu produzieren, die den Bedingungen auch im kommerziellen Betrieb über 20 Jahre standhalten.
Das von der Europäischen Gemeinschaft im Rahmen von H2020 (Grant Agreement No. 958418) finanzierte Projekt wird vom DLR-Institut für Solarforschung koordiniert. Das Institut definiert außerdem die technischen Randbedingungen und testet zusammen mit dem DLR-Institut für Technische Thermodynamik Wärmetauscher mit den neuen Metalllegierungen und Partikeln unter relevanten Bedingungen. Das DLR-Institut für Werkstoffforschung optimiert und testet die Keramikpartikel in Bezug auf ihre Material- und Funktionseigenschaften. Insgesamt besteht das Projektteam aus zwölf Institutionen aus sieben Ländern, darunter Unternehmen, Forschungszentren und eine Universität.
Am 3. November 2020 fand das virtuelle Kick-Off Meeting statt.