Solar thermal power plants

Sharp focus with sandwich heliostats  

Das Solarturmkraftwerk in Hami, China, mit Stellio-Heliostaten, deren fünfeckige Form eine dichtere Heliostatenanordnung mit weniger Verschattung im Vergleich zu quadratischen Heliostaten ermöglicht.

In sonnenreichen Regionen eignen sich Solarturmkraftwerke aufgrund ihrer hohen Effizienz hervorragend zur Erzeugung erneuerbarer Energien. Daher zielen verschiedene Forschungsbemühungen darauf ab, die Kosten dieser Technologie weiter zu senken, um einen größeren Markt zu erschließen. Ein neues Konzentrator-Design soll dazu beitragen. Wissenschaftlerteams konnten die erforderliche Dimensionsstabilität und Langlebigkeit des entwickelten Sandwich-Spiegelpaneels nachweisen, das aus dünnen Stahlblechen mit einem Kern aus Polyurethanschaum besteht, und haben einen ersten Heliostaten gebaut.

Solarturmkraftwerke verfügen über mehrere 100 bis über 20.000 rotierende Spiegel, die um einen Turm angeordnet sind. Die bi-axial gekrümmten Spiegel, auch Heliostaten genannt, folgen der Sonne und bündeln die Sonneneinstrahlung auf die Spitze des Solarturms. Dort, im Brennpunkt, befindet sich der Receiver mit Absorber, der auf etwa 600 bis über 1.000 Grad Celsius erhitzt werden kann. Ein Wärmeträgermedium zirkuliert durch dieses Medium und transportiert die Wärme zu einer Dampfturbine mit Generator, um Strom zu erzeugen.

Die Heliostatenanlage stellt den größten Kostenfaktor eines solarthermischen Kraftwerks dar und macht 30 bis 40 Prozent der Investitionskosten aus. Pro Quadratmeter belaufen sich diese Kosten auf etwa 110 bis 150 Euro, wovon rund 40 Prozent auf den Konzentrator, also den Spiegel mit Trägerstruktur, entfallen.

Hier setzt das Forschungsprojekt Sahel an (kurz für „Wirtschaftlichere Heliostaten mit Sandwich-Konzentrator, Karussellnachführung und optischem Regelkreis“). Neuer Konzentrator mit dünnem Glasspiegel reflektiert stärker. Ziel der Projektteams war die Optimierung des Heliostaten „Stellio“ von SBP Sonne hinsichtlich Effizienz und Kosten.

Stellio hat eine fünfeckige Form, die im Vergleich zu rechteckigen Heliostaten eine dichte Heliostatenanlage mit geringer Verschattung ermöglicht. Aktuell zählt „Stellio“ – abhängig von Standort und Anzahl der Einheiten – zu den günstigsten Heliostaten auf dem Markt.

Der konkrete Plan: Die Effizienz um 5 Prozent steigern und die Kosten um 10 bis 20 Prozent senken. Dazu verwendeten die Wissenschaftler neue, dünne Glasspiegel (1 bis 2 Millimeter dick), die eine höhere Reflektivität aufweisen als die bisher verwendeten Spiegel aus Stahl und dickem Glas mit einer Dicke von 4 Millimetern.

Sie entwickelten außerdem eine präzisere Oberflächenform, sodass mehr Licht den Empfänger erreicht. Diese Optimierungen sind jedoch nur mit einer modifizierten Konzentratorkonstruktion möglich. Aus diesem Grund nutzten die Ingenieure ein von sbp patentiertes Sandwich-Spiegelpaneel aus dünnen Stahlblechen und PUR-Schaum als Basis und entwickelten es weiter.

PUR-Schaum besteht hauptsächlich aus Polyalkoholen, Isocyanaten, Treibmitteln und Stabilisatoren. Das neue Sandwich besteht aus zwei Lagen vorverzinkter Stahlbleche. Dazwischen befindet sich ein Kern aus Polyurethan mit variabler Dicke.

Zu diesem Zweck erforschte das Projektteam von Covestro Germany eine spezielle Polyurethanmischung mit den gewünschten Eigenschaften wie Dimensionsstabilität und Langlebigkeit. Die neue Sandwichkonstruktion ermöglicht den Einsatz dünner Glasspiegel mit hohem Reflexionsgrad. Radiale Streben sorgen für die notwendige Steifigkeit; auch sie wurden nach demselben Prinzip in Sandwichbauweise gefertigt.

Die Montage der ersten Sandwich-Facetten eines Heliostat-Prototyps auf dem Testgelände des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Jülich.

Der fertige Sandwich-Konzentrator, der auf einem Pylon installiert ist, wird auf dem Testgelände des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Jülich vermessen.

Sandwich-Heliostaten bieten Vorteile:

Sandwich-Heliostaten zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus.

Der PUR-Kern stützt den Spiegel über seine gesamte Oberfläche, sodass dieser seine Form dauerhaft beibehält. Zudem absorbiert der dünne Glasspiegel nur wenig Licht, wodurch die Lichtausbeute gesteigert werden kann. Sandwich-Konstruktionen benötigen außerdem nur wenige Einzelteile und sind weniger anfällig für Hagelschäden, da das PUR-Kernmaterial energieabsorbierend wirkt.

Im Rahmen des Sahel-Projekts planten, fertigten, installierten, vermassen und optimierten die Projektteams einen Sandwich-Konzentrator detailliert auf Basis der Messwerte. Die Ergebnisse zeigten, dass der neue Konzentrator eine hohe optische Qualität aufweist. Anschließend wurden die Kosten für die Serienproduktion ermittelt und eine Lebenszyklusanalyse durchgeführt, um die ökologische Fußabdruck im Vergleich zum Stellio-Heliostaten zu bewerten.

Die „Sahel-Variante“ weist insgesamt etwas höhere CO₂-Emissionen auf.

Der Grund dafür: Der PUR-Schaum und der höhere Stahleinsatz im Konzentrator haben einen größeren Einfluss auf die Emissionen als der niedrigere Glaseinsatz. Hier besteht noch Optimierungsbedarf. Lebensdauer und Langzeitstabilität einer neuen Komponente sind wichtige Kriterien für die spätere kommerzielle Nutzung.

Daher haben die Projektteams von DLR und Covestro einen speziellen Langzeit-Labortest entwickelt. Mit dem neuen Testverfahren konnten sie sowohl die erforderliche Lebensdauer als auch die Dimensionsstabilität der Sandwichkonstruktion nachweisen.

Die veranschlagten Kosten für die neuen Heliostaten liegen im Bereich bewährter Stahlfachwerkkonstruktionen mit 4-Millimeter-Spiegeln. Der Wirkungsgrad ist etwas höher, da dünne Glasspiegel mit einer Dicke von 1 bis 2 Millimetern anstelle der üblichen 4 Millimeter verwendet werden.

Hinzu kommen höhere Kosten für das verwendete Polyurethan.

Kleine Heliostaten für modulare Kraftwerke:

Das neue Konzept eignet sich aktuell für kleinere Konzentratoren mit weniger als 50 Quadratmetern Spiegelfläche. Diese können aus einem Stück gefertigt werden.

In größeren Anlagen besteht der Konzentrator aus vielen kleineren Sandwichelementen. Diese Arbeitsschritte sind zeitaufwändig, und jeder Verbindungsschritt verringert die erreichbare Präzision und erhöht die Kosten. Die Nachfrage nach kleineren Heliostaten für modulare Kraftwerke steigt aktuell. Diese Kraftwerke bestehen aus mehreren kleinen Anlagen.

Das bedeutet: Heliostatenfeld, Heliostaten und Turm mit Empfänger sind kleiner. Hier könnte sich der als sogenanntes „Monofacetten“-System entwickelte Konzentrator bewähren, bei dem die gesamte Oberfläche in einem Arbeitsgang aus einem Stück gefertigt wird. Heliostaten folgen der Sonnenposition. Ein neuartiges, vom DLR patentiertes mechanisches Karussell-Nachführsystem soll langfristig weitere 20 Prozent der Kosten für das Heliostatenfeld einsparen.

Die Wissenschaftler arbeiten außerdem an einem neuen Regelkreis. Dieser nutzt Informationen über die aktuelle Ausrichtung des Konzentrators. Dazu werden optische Sensoren benötigt, die beispielsweise ein Videobild liefern, um das Steuersignal gegebenenfalls zu korrigieren. So kann der Konzentrator die Sonnenposition präziser nachführen. Der Wirkungsgrad des Kraftwerks könnte gesteigert und dadurch die Kosten weiter gesenkt werden.