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May 17, 2023

Innovation im volumetrischen Absorber steigert OVR-Wirkungsgrad auf 90 %

Gepostet am 15. Dezember 202215. Dezember 2022Autor Siebgedruckte Keramik

Gepostet am 15. Dezember 202215. Dezember 2022Autor

Siebgedruckte Keramikabsorberstruktur der Exentis Group.

In einem aktuellen F&E-Projekt eines Konsortiums der deutschen Unternehmen Kraftanlagen Energies & Services GmbH, Vitesco Emitec und Exentis Group gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt konnte gezeigt werden, dass das Effizienzpotenzial des volumetrischen Receivers mit den Absorberstrukturen noch lange nicht ausgeschöpft ist derzeit verfügbar.

Entsprechend den Fertigungsmöglichkeiten der beteiligten Unternehmen wurden äußerst feinskalige dreidimensional strukturierte Geometrien entworfen. Für den Strukturentwurf wurde ein neues, auf Simulationen basierendes Optimierungsverfahren angewendet und Spezialisten aus den produzierenden Unternehmen einbezogen.

Wie der derzeit am häufigsten eingesetzte Salzschmelze-Receiver ist der offene volumetrische Luftreceiver (OVR) die einzige fortschrittliche Receiver-Technologie, die ein bewährtes, effektives und skalierbares Speicherkonzept bietet.

ABBILDUNG 1: Schematische Darstellung eines Solarkraftwerks mit offenem Volumenreceiver (OVR).

Darüber hinaus bietet die OVR-Technologie im Vergleich zu Anlagen mit Salzschmelzebehältern erhebliche Vorteile hinsichtlich der Einfachheit und Robustheit des Betriebs. Mit Luftaustrittstemperaturen von 650 °C und mehr verfügt es über die höchste derzeit verfügbare obere Prozesstemperatur und eröffnet das Potenzial für den Einsatz moderner hocheffizienter 620 °C-Dampfprozesse.

Die OVR-Technologie wurde in den letzten zwei Jahrzehnten zu einem hohen Reifegrad entwickelt und wird als komplettes Kraftwerkssystem im Deutschen Solarturm Jülich, einem Versuchskraftwerk des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, demonstriert (BILD 2).

ABBILDUNG 2: Versuchskraftwerk Solarturm Jülich in Betrieb.

Der volumetrische Absorber, die Kernkomponente der OVR-Technologie, ist eine poröse Struktur, die es der konzentrierten Sonnenstrahlung ermöglicht, tief in ihr Volumen einzudringen, wo sie von der großen inneren Oberfläche absorbiert und als Wärme an den parallelen Gasstrom übertragen wird (ABBILDUNG 3).

Typische Absorbermaterialien sind Geflechte aus Metalldrähten aus temperaturbeständigen Stahllegierungen, netzartige Schaumstrukturen aus Keramik oder kanalartige Strukturen aus Stahl oder Keramik.

ABBILDUNG 3: Funktionsprinzip des volumetrischen Absorbers.

Der aktuell hochmoderne Absorber, der auch im Solarturm Jülich zum Einsatz kommt, besteht aus extrudierten Waben aus Siliziumkarbid-Keramik mit einer Zellularität von etwa 80 cpsi und 50 % offener Porosität (BILD 4).

ABBILDUNG 4: Modernstes Absorbermodul mit Keramikwabe

Vitesco Emitec produzierte einen Körper aus Kanalstrukturen, die aus abwechselnden Paaren planarer und gewellter ultradünner Metallbleche (~50 Mikrometer) aus einer Hochtemperatur-Stahllegierung hergestellt wurden. Die Bleche können in Länge und Ausrichtung variieren (ABBILDUNG 5).

ABBILDUNG 5: Absorbermodul von Vitesco Emitec mit Metallfolien-Kanalstruktur.

ABBILDUNG 6: Absorbermodul der Exentis Group mit Keramikstift-Frontstruktur.

Exentis-Gruppe erzeugte Kanalstrukturen mit einer innovativen additiven Fertigungstechnologie: Siebdruck mit SiC-Keramik. Ihr wabenbasiertes Design zeichnet sich durch Kanäle aus, die zur bestrahlten Vorderseite hin in sehr dünne Stifte enden (ABBILDUNG 6).

In einem zweistufigen Designprozess wurden die neuen Absorberstrukturen zunächst in der Sondengröße 60mm x 60mm gefertigt und getestet, bevor sie in der Modulgröße 140mm x 140mm passend zum Receiver auf dem Solarturm Jülich produziert wurden.

Die Tests beider Größen wurden in einem Prüfstand im künstlichen Sonnensimulator Synlight ® des DLR durchgeführt, um den thermischen Wirkungsgrad im Vergleich zum hochmodernen Absorber zu messen. Anschließend wurden die neuen Absorber in Modulgröße mehrere Tage lang mit konzentrierter Sonnenstrahlung im Solarturm Jülich betrieben, um ihre Stabilität unter realer Umgebung mit Transienten, insbesondere durch Wolken, unter Beweis zu stellen.

Die Messergebnisse zeigen einen deutlichen Vorteil in der thermischen Effizienz der neuen Absorberstrukturen im Vergleich zu einem Absorber nach dem neuesten Stand der Technik (BILD 7). Bei der Referenztemperatur von 650°C weist die Struktur von Vitesco Emitec 91 % und die Struktur von Exentis Group 92 % thermischen Wirkungsgrad auf, was +6 bzw. +7 %-Punkten gegenüber dem Stand der Technik entspricht.

Die hohe offene Porosität an der bestrahlten Vorderseite der neuen Absorber ermöglicht ein tiefes Eindringen der Strahlung in ihr Volumen und die große innere Oberfläche sorgt für eine effektive Wärmeübertragung an die Luft. Die Stifte an der Vorderseite der Siebdruckabsorber der Exentis Group ermöglichen ein besonders tiefes Eindringen unabhängig von der Richtung der einfallenden Strahlung, was zu einem weiteren Effizienzvorteil führt.

ABBILDUNG 7: Vergleich der thermischen Effizienz neuer Absorberstrukturen mit hochmodernen Absorbern.

Das F&E-Projekt zeigte, dass fortschrittliche Absorberstrukturen, die mit modernen Fertigungstechniken hergestellt werden, thermische Wirkungsgrade von 90 % und mehr erreichen können und damit das theoretisch vorhergesagte hohe Potenzial der OVR-Technologie realisieren. Mit einem Wirkungsgrad über 90 % liegt auch der OVR auf Augenhöhe mit dem aktuell vorherrschenden Salzschmelze-Receiver.

Eine Effizienzsteigerung in der Kernkomponente des Absorbers hat direkte Auswirkungen auf die Rentabilität der Gesamtanlage. Ein um 8 % höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass im Solarbereich etwa 8 % weniger Heliostaten benötigt werden. Bei einem Heliostatenfeld von 600.000 m² und angenommenen Kosten von 100 €/m² führt diese Effizienzsteigerung zu Investitionseinsparungen von über 4,5 Mio. €!

Die Ergebnisse der siebgedruckten Absorberstruktur zeigen das große Potenzial dieser additiven Fertigungstechnologie und lassen auf eine hohe Effizienz auch bei höheren Anwendungstemperaturen hoffen. Dennoch befindet sich diese Absorberentwicklung hinsichtlich der langfristigen industriellen Einsatzfähigkeit in rauer Umgebung noch in einem frühen Stadium. Der Metallfolienabsorber hingegen basiert auf jahrzehntelanger Entwicklung im Automobilbereich und ist nahezu serienreif und sofort einsatzbereit die erforderliche Lebensdauer.

WissenDiese Arbeit wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Weiterführende Literatur

Schwarzbözl, P., Giuliano, St., Noureldin, K., Doerbeck, T., Rossello, A. und Schrüfer, J. (2020) Annual Performance Assessment of a 50 MWe Commercial Solar Tower Plant with Improved Open Volumetric Receiver. In: SOLARPACES 2020: 26. Internationale Konferenz über konzentrierende Solarenergie und chemische Energiesysteme (2445). AIP-Publishing. doi: 10.1063/5.0085758.

Broeske, RT, Schwarzbözl, P., Birkigt, L., Dung, S., Müller, B. und Doerbeck, T. (2021) Innovative 3D-förmige Strukturen als volumetrische Absorber. 27. SolarPACES-Konferenz, 27. Sep. – 01. Okt. 2021.

Birkigt, L., Hennicke, J., Kirchner, R. (2022) 3D-Siebdruck von Solarabsorbern aus SiSiC, gesintert in einem effizienten Hochleistungsofen. cfi/Ber. DKG 99 (2022) Nr. 2

Broeske, RT, Schwarzbözl, P., & Hoffschmidt, B. (2022). Ein neues partitioniertes 1D-LTNE-Kontinuumsmodell für die Simulation von 3D-förmigen Wabenabsorbern. Solarenergie, 236, 533-547. doi: 10.1016/j.solener.2022.02.024

Broeske, RT, Schwarzbözl, P., & Hoffschmidt, B. (2022). Mehrdimensionale numerische Analyse von Strömungsinstabilitäten in 3D-förmigen Wabenabsorbern. Solarenergie, 247, 86-95. doi: 10.1016/j.solener.2022.10.007.

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KategorienCSP-Nachrichten und -Analysen