Die Innovation des volumetrischen Absorptionsgeräts erhöht die OVR-Effizienz auf 90 %

Durch Innovation in seiner Kernkomponente – dem volumetrischen Absorber – kann der offene volumetrische Empfänger (OVR) einen Wirkungsgrad von 90 % und mehr erreichen.

Zusammenarbeit:

In einem aktuellen Forschungs- und Entwicklungsprojekt, das von einem Konsortium deutscher Unternehmen durchgeführt wurde Kraftanlagen Energies & Services GmbHUnd die Vitesco Emitec Und die Exentis-Gruppe zusammen mit Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Es hat sich gezeigt, dass mit den derzeit verfügbaren Absorptionsstrukturen das Effizienzpotenzial des volumetrischen Receivers noch lange nicht ausgeschöpft ist.

Die hochpräzisen 3D-Geometrien werden nach den Fertigungsmöglichkeiten der jeweiligen Unternehmen konstruiert. Für die Strukturauslegung wurde ein neues simulationsbasiertes Optimierungsverfahren angewendet und Spezialisten aus produzierenden Unternehmen eingebunden.

Hintergrund

Wie der heute am häufigsten eingesetzte Behälter für geschmolzenes Salz ist der offene volumetrische Luftbehälter (OVR) die einzige fortschrittliche Behältertechnologie, die ein bewährtes, effizientes und skalierbares Speicherkonzept bietet.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Solarkraftwerks mit offenem volumetrischen Receiver (OVR).

Darüber hinaus hat die OVR-Technologie im Vergleich zu Anlagen mit Salzschmelzebehältern erhebliche Vorteile in Bezug auf 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 moderne, hocheffiziente Dampfprozesse von 620 °C.

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

Abbildung 2: Das Versuchskraftwerk Solarturm Jülich in Betrieb.

Der Volumenabsorber, die Kernkomponente der OVR-Technologie, ist eine poröse Struktur, die konzentrierte Sonnenstrahlung tief in ihr Volumen eindringen lässt, absorbiert und durch die große innere Oberfläche als Wärme an den parallelen Gasstrom übertragen wird (Abb. 3).

Typische Materialien, die als Absorptionsmittel verwendet werden, sind Metalldrahtgeflechte aus hitzebeständigem legiertem Stahl, gitterkeramische Schaumstrukturen oder kanalartige Strukturen aus Stahl oder Keramik.

Abbildung 3 Funktionsprinzip eines volumetrischen Absorbers.

Der aktuelle Stand der Technik, der ebenfalls im Solarturm Jülich veröffentlicht wurde, besteht aus extrudierten Waben aus Siliziumkarbid-Keramik mit einer Zellularität von etwa 80 cpsi und 50 % offener Porosität (Abb. 4).

Abbildung 4: Eine fortschrittliche Adsorptionseinheit mit einer Keramikwabe

Das Projekt konzentrierte sich auf die Schaffung von zwei Produktionstechnologien:

Vitesco Emitec Es erzeugte einen Körper aus Kanalstrukturen, die aus abwechselnden Paaren flacher und gewellter, sehr dünner (etwa 50 µm) Bleche aus legiertem Hochtemperaturstahl bestanden. Bleche können in Länge und Ausrichtung variieren (Abb. 5).

Bild 5 Vitesco Emitec Absorber mit Folienkanalstruktur.

Abbildung 6 Absorber der Exentis-Gruppe mit keramischer Pin-Frontzahnstruktur.

Exentis-Gruppe Die Kanalstrukturen wurden mit einem innovativen additiven Fertigungsverfahren hergestellt: Siebdruck mit SiC-Keramik. Sein wabenbasiertes Design weist Kanäle auf, die in sehr dünnen Spitzen in Richtung der strahlenden Nase enden (Abb. 6).

Tests

In einem zweistufigen Designprozess wurden die neuen Absorberstrukturen gefertigt und zunächst mit einer Größe von 60 mm x 60 mm getestet, bevor sie in einer Receiver-kompatiblen Modulgröße von 140 mm x 140 mm für den Jülicher Solarturm produziert wurden.

Beide Größen wurden im V-Test getestet Synlight ® Synthetic Solar Power Simulator des DLR Um den thermischen Wirkungsgrad im Vergleich zum neuesten Absorber zu messen. Anschließend wurden die neuen Unit-Size-Absorber am Jülicher Solarturm mehrere Tage lang mit konzentrierter Sonneneinstrahlung betrieben, um ihre Stabilität in einer realen Umgebung mit Transienten, insbesondere durch Wolken, zu demonstrieren.

Konsequenzen

Die Messergebnisse zeigen einen signifikanten Vorteil im thermischen Wirkungsgrad der neuen Absorberstrukturen gegenüber dem neuesten Absorber (Abb. 7). Bei einer Referenztemperatur von 650°C weist das Vitesco Emitec-Chassis einen thermischen Wirkungsgrad von 91 % und der der Exentis-Gruppe von 92 % auf, das sind +6 Punkte + 7 % gegenüber dem Stand der Technik.

Die hohe offene Porosität in der Strahlfront lässt die neuen Strahlungsabsorber tief in ihr Volumen eindringen und die hohe innere Oberfläche sorgt für eine effiziente Wärmeübertragung an die Luft. Stifte an der Vorderseite der siebgedruckten Absorptionsmittel der Exentis-Gruppe ermöglichen ein besonders tiefes Eindringen unabhängig von der Richtung der einfallenden Strahlung, was zu einem zusätzlichen Effizienzvorteil führt.

Bild 7 Vergleich der thermischen Effizienz der neuen Absorberstrukturen mit einem State-of-the-Art-Absorber.

Wirkung

Das F&E-Projekt hat gezeigt, dass fortschrittliche Absorptionsstrukturen, die mit modernsten Fertigungstechniken hergestellt werden, thermische Wirkungsgrade von 90 % und mehr erreichen können, wodurch das theoretisch erwartete hohe Potenzial der OVR-Technologie realisiert wird. Mit einem Wirkungsgrad von über 90 % zieht das Aggregat auch mit den derzeit gängigen Salzschmelzesammlern gleich.

Die Verbesserung der Effizienz in der Kernkomponente des Absorbers wirkt sich direkt auf die Rentabilität der Gesamtanlage aus. 8 % höherer Wirkungsgrad bedeutet ca. 8 % weniger Solarfeldbedarf. Bei einem Heliostatenfeld von 600.000 m2 bei angenommenen Kosten von 100 €/m2 führt diese Effizienzsteigerung zu einer Investitionseinsparung von über 4,5 Mio. €!

Perspektiven

Die Ergebnisse der siebgedruckten absorbierenden Struktur zeigen das große Potenzial dieser additiven Fertigungstechnik und lassen auf eine hohe Effizienz auch bei höheren Anwendungstemperaturen hoffen. Allerdings befindet sich die Entwicklung dieses Absorbers im Hinblick auf eine langfristige industrielle Verwendbarkeit in extremer Umgebung noch in einem frühen Stadium.
Folienabsorber hingegen basieren auf jahrzehntelanger Entwicklung im Automobilbereich und sind mit der geforderten Lebensdauer nahezu serienreif und sofort einsatzbereit.

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

Weiterlesen

Schwarzbözl, P., Giuliano, St., Noureldin, K., Doerbeck, T., Rossello, A. und Schrüfer, J. (2020) Jährliche Leistungsbewertung einer kommerziellen 50-MW-Solarturmanlage mit einem optimierten volumetrischen offenen Receiver. In: SOLARPACES 2020: 26th International Conference on Solar Energy Concentration and Chemical Energy Systems (2445). AIP-Veröffentlichung. doi: 10.1063/5.0085758.

Broeske, R. T., Schwarzbözl, P., Birkigt, L., Dung, S., Müller, B., und Doerbeck, T. (2021) Innovative dreidimensionale Strukturen in Form eines volumetrischen Absorbers. 27. SolarPACES Konferenz, 27. Sept. – 01. Okt. 2021.

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

Broeske, RT, Schwarzbözl, P., & Hoffschmidt, B. (2022). Ein neues segmentiertes sequentielles 1D-LTNE-Modell für die Simulation von 3D-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-Wabenpipetten. Solarenergie, 247, 86-95. doi: 10.1016/j.solener.2022.10.007.