Projektbeschreibung fuer den Deutschen
Zukunftspreis
Herzstueck fuer Solarkraftwerke:
Receiver von SCHOTT Solar
Konzentrierte Sonnenkraft kann ganze Staedte
versorgen
In einer
Stunde schickt die Sonne genug Energie auf die Erde, um den Bedarf der Weltbevoelkerung
fuer ein Jahr zu decken, haben Forscher der Fraunhofer Gesellschaft errechnet.
Seit vielen Jahren versucht man, sich dieses Potenzial in grossem Stile nutzbar
zu machen – unter anderem mit der Concentrated Solar Power-Technologie
(CSP). Dabei wird die Solarstrahlung mit grossen Reflektorflaechen – zum
Beispiel Parabolspiegeln – aufgefangen, gebuendelt und in nutzbare
Energie umgewandelt. Solarkraftwerke mit CSP-Parabolrinnentechnologie sind in
den USA bereits seit den 80er Jahren erfolgreich im Einsatz und haben bis heute
ueber zwoelf Terrawattstunden Solarstrom erzeugt1. Weltweit ist der Druchbruch
dieser Technologie, die uns weitgehend unabhaengig von fossilen Brennstoffen
machen koennte, moeglich – sofern es gelingt, den Strom in Solarkraftwerken
mittelfristig genauso wirtschaftlich zu produzieren wie in konventionellen
Kraftwerken. SCHOTT Solar hat eine neue Generation von hocheffizienten
Receivern entwickelt, die die Effizienz von Solarkraftwerken deutlich steigern
und dadurch einen wichtigen Beitrag fuer eine klimafreundliche Energieerzeugung
leisten.
Wie ein Solarkraftwerk funktioniert
Solarkraftwerke
mit Parabolrinnentechnologie sind im Grunde Dampfkraftwerke, die aus Waerme
Strom erzeugen. Der grosse Unterschied zu konventionellen Kraftwerken besteht
darin, dass nicht fossile Brennstoffe wie Kohle, Gas oder Oel die benoetigte
Energie liefern, sondern die Sonne. Auf einem Feld mit riesigen gewoelbten
Spiegeln wird die Sonnenstrahlung auf Absorberrohre (Receiver) gebuendelt.
Durch die konzentrierte Strahlung wird in den Receivern der Waermetraeger
– ein Thermooel, das durch die Receiver fliesst – auf 350 bis 400
Grad Celsius erhitzt. Das heisse Thermooel wird dann zum zentralen
Kraftwerksblock gepumpt. Mit dieser Hitze wird Dampf erzeugt, der wiederum die
Turbine des Kraftwerks antreibt.
Die Kernkomponente eines
Solarkraftwerks: der Receiver
Der Receiver
ist der zentrale Bestandteil, wenn es um die Effizienz eines
Parabolrinnenkraftwerkes geht. Je hochwertiger der Receiver, desto groesser der
Wirkungsgrad des Kraftwerkes. Gleichzeitig ist er auch eines der sensibelsten
Bauteile, denn er ist aussergewoehnlichen thermischen und mechanischen
Belastungen ausgesetzt: Die Sonnenstrahlung wird bis zu 80-fach konzentriert
und auf das innere Absorberrohr des Receivers gebuendelt. Zwischen diesem und
dem umgebenden Huellrohr entsteht auf wenigen Millimetern ein Temperaturgefaelle
von bis zu 400 Grad. Gleichzeitig muessen die Receiver die solare Strahlung hoechst
effizient umwandeln, so dass moeglichst wenig Waerme verloren geht. Eine ganz
besondere Herausforderung ist die Langzeitstabilitaet, die den Receivern
abverlangt wird: Mehr als 20 Jahre intensivste Sonneneinstrahlung duerfen ihnen
nichts anhaben. Insbesondere die Beschichtung des Receivers, die nur wenige
hundert Nanometer dick ist, muss ueber diesen langen Zeitraum Temperaturen von
bis zu 500 Grad Celsius Stand halten. Diesen Anforderungen wurden Receiver in
der Vergangenheit nur unzureichend gerecht.
Was macht die Receiver von SCHOTT Solar
so besonders?
SCHOTT Solar
hat neue Wege in der Konstruktion und in der Werkstofftechnik beschritten und
einen Receiver entwickelt, der in seinen mechanischen und optischen
Eigenschaften ideal auf die extremen Betriebsbedingungen in
Parabolrinnenkraftwerken zugeschnitten ist.
- Werkstofftechnik
Die Receiver
bestehen aus einem Absorberrohr aus Metall, das von einem glaesernen Huellrohr
vakuumdicht umschlossen ist. Um das Vakuum zwischen Huellrohr und Absorberrohr
stabil zu halten und somit Waermeverluste zu minimieren, ist die dauerhafte
Verbindung aus Glas und Metall entscheidend. Da sich Glas und Metall
unterschiedlich ausdehnen, hat SCHOTT einen speziellen Glastyp entwickelt, der
die gleichen Ausdehnungseigenschaften hat wie das Metall. Die Verbindung der
beiden Werkstoffe Glas und Metall ist patentiert und macht die Receiver
dauerhaft belastbar.
- Konstruktion
Ein
Faltenbalg kompensiert die unterschiedliche Laengenausdehnung von Glashuelle
und Absorberrohr. Dadurch sind die beiden Werkstoffe spannungsfrei verbunden,
so dass die thermomechanische Belastung auch bei grossen
Temperaturunterschieden nicht kritisch wird. Jedoch sind gerade die
Verbindungselemente zwischen kaltem Huellrohr und heissem Absorberrohr
besonders gefaehrdete Bauteile. Bei frueheren Receivern hat man sie zum Schutz
abgedeckt. Dadurch fiel jedoch ein Schatten auf die Oberflaeche des
Sammelrohres, was den Wirkungsgrad der Receiver verringerte. SCHOTT Solar hat
neuartige UEbergangselemente entwickelt, die eine einzigartige Stabilitaet
aufweisen und so angeordnet sind, dass rund 96 Prozent der Receiverlaenge tatsaechlich
genutzt werden.
- Duennschichttechnik
Fuer das Huellrohr
des Receivers hat SCHOTT Solar eine neuartige Antireflexbeschichtung
entwickelt. Sie ist gegen Abrieb bestaendig und laesst gleichzeitig bis zu 96
Prozent der Sonnenstrahlung durch. Die Beschichtung beruht auf
Nano-Technologie. SCHOTT Solar hat die Antireflexbeschichtung gemeinsam mit der
TU Clausthal-Zellerfeld entwickelt und in ein serientaugliches
Herstellverfahren ueberfuehrt.
- Absorber
Die Qualitaet
des Absorberrohres ist ebenfalls ausschlaggebend dafuer, wie wirkungsvoll das
Solarkraftwerk arbeitet. Das Absorberrohr muss moeglichst viel Sonnenstrahlung
absorbieren und darf fast keine Waerme abstrahlen. In mehrjaehriger
Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut fuer solare Energiesysteme
(Fraunhofer-ISE) hat SCHOTT Solar eine hochselektive temperaturbestaendige
Absorberbeschichtung entwickelt, die die Leistungswerte der Receiver gegenueber
bisher bekannten Systemen noch einmal deutlich gesteigert hat. Die Waermeabstrahlung
eines 380 Grad Celsius heissen Receivers konnte auf unter 10 Prozent reduziert
werden. Das aeussere Huellrohr wird bei dieser geringen Abstrahlung gerade noch
handwarm.
Neue Massstaebe fuer Solarkraftwerke
SCHOTT Solar
hat in einer vierjaehrigen F&E-Phase ein neues Produkt mit bisher nicht
erreichten Eigenschaften in punkto Strahlungsoptik, Effizienz und
Langzeitstabilitaet bis zur Marktreife entwickelt. Alle technischen
Herausforderungen hat das Unternehmen dabei gemeinsam mit renommierten
Forschungseinrichtungen durch
innovative Ansaetze geloest.
Heute setzt
der Receiver von SCHOTT Solar neue Massstaebe. Das innovative Produktdesign
bildet eine wichtige Grundlage, um die Leistung von Parabolrinnenkraftwerken in
Zukunft weiter zu steigern und letztlich Strom auf eine nachhaltige und
wirtschaftliche Art und Weise zu produzieren. Durch die hohe Temperaturbestaendigkeit
und die exzellenten Leistungswerte lassen sich Solarkraftwerks-Technologien mit
hoeherem Wirkungsgrad umsetzen. Zukuenftige Solarfelder sollen entweder direkt
Dampf erzeugen oder Salzschmelzen statt Thermooel als Waermetraeger verwenden,
um den Dampfprozess bei mindestens 500 Grad Celsius und dadurch mit hoeheren
Wirkungsgraden betreiben zu koennen. Auf diese Weise laesst sich Solarstrom
noch guenstiger herstellen.
Mit Solarenergie in die Zukunft
Die
erreichten Leistungsparameter des Receivers von SCHOTT Solar haben grossen
Anteil daran, dass sich Energie aus der Sonne immer wirtschaftlicher gewinnen laesst.
Durch die Weiterentwicklung der Solarkraftwerke entsteht eine echte Alternative
zu konventionellen Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen arbeiten. Etwa 60
Solarkraftwerke mit einer Gesamtleistung von mehr als drei Gigawatt befinden sich
derzeit in Planung oder bereits im Bau2. Sie entstehen in den sonnenreichen
Regionen dieser Erde – Spanien, USA, Nordafrika – und haben das
Potenzial, ganze Staedte mit Strom zu versorgen. Gerade den wirtschaftlich schwaecheren
Regionen rund um den Sonnenguertel der Erde bieten Solarkraftwerke gute
Entwicklungschancen. Dort gibt es haeufig keine flaechendeckende und stabile
Stromversorgung – dafuer aber eine starke Sonneneinstrahlung. Ideale
Voraussetzungen, um die Elektrifizierung durch Solarkraftwerke voranzutreiben.
Eine zuverlaessige Stromversorgung wiederum ist der Schluessel fuer eine
nachhaltige Entwicklung. Mittel- bis langfristig koennten Solarkraftwerke von
dort aus einen Teil der Stromproduktion fuer Industrielaender uebernehmen.
Quellen: 1)
CONCENTRATED SOLAR THERMAL POWER – NOW ! (Greenpeace, ESTIA, Solar Pace,
9/2005; 2) IDAE, Solar Energy in Spain 2008 - Current state and prospects,
6/2008
