Institut für Solarforschung. Konzentrierende Solarsysteme für Wärme-, Strom- und Brennstofferzeugung

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1 Institut für Solarforschung Konzentrierende Solarsysteme für Wärme-, Strom- und Brennstofferzeugung

2 Am Solarturm Jülich des DLR werden neue Materialien und Verfahren zur solaren Stromerzeugung gestestet (s. Titelfoto). Das Institut für Solarforschung Das Institut für Solarforschung im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt ist deutschlandweit die größte Forschungseinheit zur Erforschung und Entwicklung von konzentrierenden Solarsystemen für die Wärme-, Strom- und Brennstofferzeugung. Das DLR forscht seit mehr als 30 Jahren auf diesem Gebiet und hat seine Aktivitäten im Juni 2011 im neu gegründeten Institut für Solarforschung gebündelt. Mitarbeiter des Instituts arbeiten am Hauptsitz des DLR in Köln, an den Standorten des DLR in Stuttgart und Jülich sowie im größten europäischen Testzentrum für konzentrierende Solartechnologien des spanischen Forschungspartners CIEMAT, der Plataforma Solar de Almería (PSA). Im Jahr 2011 hat das DLR das Solarturm-Kraftwerk in Jülich als Eigentümer übernommen um an dieser Großanlage gezielt Forschung im industrierelevanten Maßstab zu betreiben. Das Land NRW fördert die Umwandlung und den Ausbau des Versuchskraftwerks Solarturm Jülich zu einer wissenschaftlichen Großforschungsanlage des DLR. Mit seinem umfassenden wissenschaftlichen Knowhow und optimal ausgestatteten Forschungseinrichtungen erhebt das Institut den Anspruch, der weltweit führende Systemkompetenzträger für konzentrierende Solarsysteme zu sein. Durch regelmäßige Messungen wird die Reflexionsfähigkeit der Spiegel in einer Testanlage überprüft. Die globale Vernetzung erfolgt vor allem über das SolarPACES Abkommen (Solar Power and Chemical Energy Systems) der Internationalen Energie Agentur (IEA). In diesem Verbund übernimmt das DLR zahlreiche koordinierende Funktionen. Im europäischen Umfeld ist das DLR Mitglied der European Renewable Energies Research Centres Agency (EUREC), im Industrieverband European Solar Thermal Electricity Association (ESTELA) sowie in der European Energy Research Alliance (EERA). Gemeinsam mit Partnern aus Frankreich, Spanien und der Schweiz gründete das DLR im Jahr 2004 SOLLAB, die Allianz europäischer Labors für solarthermische konzentrierende Systeme. National ist das DLR Mitglied des Forschungs- Verbund Erneuerbare Energien (FVEE), dessen Mitglieder Techniken zur Nutzung erneuerbarer Energien sowie deren Integration in Energiesysteme, für Energieeffizienz und Energiespeicherung erforschen und entwickeln. Das Team wurde wegen seiner wissenschaftlichen, technologischen und wirtschaftlichen Leistungen vom DLR Vorstand 2006 und 2009 zweimal in Folge mit dem Titel DLR Center of Excellence ausgezeichnet. Das Institut für Solarforschung kooperiert innerhalb des DLR besonders eng mit dem Institut für Technische Thermodynamik, in dem die Entwicklung von thermischen Energiespeichern durchgeführt und die Einführung der erneuerbaren Energien systemanalytisch untersucht werden. Weitere Kooperationen existieren mit dem DLR-Institut für Werkstoff-Forschung auf dem Gebiet der keramischen Hochtemperaturwerkstoffe sowie mit dem DLR-Institut für Verbrennungstechnik im Umfeld der solaren Gasturbinensysteme. Anwender aus Forschung und Industrie nutzen den Sonnenofen des DLR in Köln für Experimente mit hochkonzentrierter Sonnenstrahlung. Forschungsziele Kurzfristiges Ziel des Instituts für Solarforschung ist, noch erforderliche F+E- Leistungen für die deutsche und europäische Industrie bereit zu stellen, um eine hohe technische Qualität und einen optimalen Betrieb der in solarthermischen Kraftwerken installierten Komponenten zu ermöglichen. Mittelfristig werden die Technologien weiterentwickelt, um die Gestehungskosten für Solarstrom von heute standortabhängig etwa Cent auf unter 10 Cent pro kwh zu senken und so die wirtschaftlichen Voraussetzungen für eine breitere Marktdurchdringung zu schaffen. Langfristig sollen solarthermische Systeme auch zur kostengünstigen Erzeugung von solaren Brennstoffen (z. B. Wasserstoff) dienen. Zusammenarbeit mit der Industrie Ein wichtiger Baustein zur Erreichung der Forschungsziele und zur Stärkung der Technologie- und Führungskompetenz des Instituts für Solarforschung ist die Vernetzung mit Industrieunternehmen. In Verbundprojekten, die zum Bespiel durch Bundesministerien oder die europäische Kommission teilfinanziert werden, arbeitet das Institut partnerschaftlich mit Unternehmen aus der Industrie zusammen. Zudem werden Forschungs- und Entwicklungsprojekte sowie Beratungsleistungen im Auftrag von Unternehmen durchgeführt. Die Zusammenarbeit auf den verschiedenen Ebenen ermöglicht einen direkten Technologietransfer zu den Unternehmen sowie einen professionellen Knowhowund Erfahrungsaustausch zwischen Forschung und Industrie.

3 Der Sonnensimulator-Prüfstand im QUARZ- Zentrum ermöglicht die Bewertung des optischen Wirkungsgrades von Parabolrinnen- Receivern. Die Aktivitäten des Instituts für Solarforschung werden in fünf Abteilungen koordiniert. Punktfokussierende Systeme Die Arbeiten beziehen sich vorrangig auf Solarturmkraftwerke mit dem Ziel der Senkung der Stromgestehungskosten, um mittelfristig Solarstrom zu wettbewerbsfähigen Preisen bereit zu stellen. Auslegung, Lastanalyse und Optimierung von Konzentratoren und Heliostatfeldern Entwicklung effizienter Receivertechnologien für hohe Temperaturen und Strahlungsflußdichten Auslegung und Optimierung zukünftiger Solarturm-Kraftwerke im Gesamtsystem Entwicklung leistungssteigernder Steuerungsmethoden für Heliostatfeld, Receiver und Kraftwerkssystem Entwicklung angepasster Simulationswerkzeuge Linienfokussierende Systeme Diese Technologie wird bereits seit Jahrzehnten in kommerziell betriebenen Solarkraftwerken eingesetzt. Die Forschung konzentriert sich daher auf innovative Verbesserungen an Prozessen und Komponenten sowie auf die Erschließung neuer Anwendungsfelder, zum Beispiel industrielle Prozesswärme und Kraft-Wärme- Kopplung. Optimierung von Prozesstechnik, Regelung und Frischdampfparametern der solaren Direktverdampfung Untersuchung des Einsatzes alternativer Wärmeträgermedien zur Steigerung von Prozesstemperatur und Wirkungsgrad des Kraftwerksprozesses Entwicklung und Test effizienter, materialsparender und montagefreundlicher Im Sonnenofen wird konzentrierte Solarstrahlung eingesetzt um mit Hilfe einer Mischoxid- Reaktion regenerativen Wasserstoff zu erzeugen. Komponenten zur Erschließung von Kostensenkungspotenzialen Demonstration neuer Technologien im anwendungsrelevanten Maßstab Beratungsdienstleistungen zur Unterstützung des Technologietransfers im Rahmen kommerzieller Projektentwicklungen und Demonstrationsvorhaben. Qualifizierung Ziel der Arbeiten ist die Entwicklung und Bereitstellung von geeigneten Messmethoden und -geräten um die Qualität der in solarthermischen Kraftwerken eingesetzten Komponenten und Systeme messen und bewerten zu können. Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Ermittlung von auftretenden Degradationsmechanismen und die Überprüfung der Komponenten-Beständigkeit mittels beschleunigter Alterungsverfahren. Messung und Bewertung der Qualität von Kollektorkomponenten und -systemen Entwicklung neuer Messmethoden und Abnahmeverfahren Einfluss meteorologischer Parameter auf solarthermische Kraftwerke Entwicklung weltweiter Standards zur Komponentenbewertung Tests zur Überprüfung der Beständigkeit von Materialien im Wüsteneinsatz Die Arbeiten werden mit eigenen Messgeräten in den Labors und Prüfständen im QUARZ-Zentrum des DLR in Köln und auf der Plataforma Solar de Almería (PSA) durchgeführt. Solare Verfahrenstechnik Hier steht die Entwicklung von energierelevanten chemischen Verfahren, die mit Solarstrahlung betrieben werden im Zentrum der Forschung. Solarreaktoren wie dieser zur Spaltung von Schwefelsäure erschließen ein großes Spektrum von energierelevanten chemischen Prozessen. Erzeugung oder Veredelung von Brennstoffen, insbesondere Wasserstoff Einsatz von Solarenergie zur Wasserreinigung, zur Meerwasserentsalzung und zur Synthese von Chemikalien Entwicklung und Skalierung von Reaktoren und Verfahren Systemtechnische Optimierung und wirtschaftliche Bewertung der Verfahren Die im DLR entwickelte Technologie zur solaren Wasserreinigung wird über die gemeinsam mit der Firma Hirschmann ausgegründete SOWΛRLΛ GmbH vertrieben. Im Kompetenzzentrum CeraStorE erforscht die Solare Verfahrenstechnik gemeinsam mit den DLR-Instituten für Technische Thermodynamik und Werkstoff-Forschung den Einsatz von neuen keramischen Materialien für die Energietechnik. Schwerpunkte sind reaktive Redoxsysteme zur solaren Brennstofferzeugung sowie neue temperatur- und korrosionsbeständige Werkstoffe für leistungsfähige Solarreaktoren. Großanlagen und solare Materialien Die Abteilung liefert Service auf höchstem Niveau zur Nutzung von Großanlagen für die konzentrierende Solartechnik von zehn kw bis zum MW Maßstab und beantwortet grundlegende Materialfragen für Anwendungen, die aus dem Gebiet der Solarforschung abgeleitet werden. Bereitstellung und Betrieb von Versuchsanlagen für Experimente mit hochkonzentrierter Solarstrahlung für Nutzer aus Industrie und Forschung Unterstützung der Anwender bei Vorbereitung, Durchführung und Auswertung ihrer Versuche

4 Auf der Plataforma Solar de Almería erproben die Forscher des Instituts für Solarforschung die unterschiedlichen Technologien unter realen Bedingungen. Entwicklung spezialisierter Messtechnik und Versuchsinfrastruktur Bestimmung der thermo-physikalischen Eigenschaften funktionaler Hochtemperaturwerkstoffe Beschreibung von Wärme- und Stoffübertragungsprozessen in Porenmaterialien Der Hochflussdichte-Sonnenofen und ein elektrisch betriebener Hochleistungsstrahler in Köln ermöglichen Versuche mit Bestrahlungsstärken bis zu einigen MW/m2 sowie Strahlungsleistungen von mehr als zehn kw. In Jülich wird das solarthermische Versuchskraftwerk betrieben, dessen Forschungsebene außerdem für Experimente mit hochkonzentrierter Solarstrahlung genutzt werden kann. Für die Freiflächen in Jülich wird die Errichtung weiterer CSP-Versuchseinrichtungen vorbereitet. Forschung für den Klimaschutz Das hohe globale Klimaschutzpotenzial solarthermischer Kraftwerke lässt große Absatzmärkte insbesondere in den industriellen Schwellenländern des Sonnengürtels der Erde erwarten. Klimaschutz und die Wahrnehmung zukünftiger Export- chancen sind daher der wesentliche Grund für deutsche Firmen und das DLR, sich intensiv in der Weiterentwicklung konzentrierender Solarsysteme zu engagieren. Auch um die Klimaschutzziele und Versorgungssicherheit in Deutschland langfristig zu erreichen, kann künftig der Import solarthermisch erzeugten Stroms ein wichtiger Faktor der regenerativen Energieversorgung sein. DESERTEC DESERTEC setzt auf grundlastfähige und gut regelbare solarthermische Kraftwerke im Sonnengürtel der Erde, um klimafreundlich Strom für Europa, den mittleren Osten und Nordafrika zu erzeugen und fluktuierende Energieströme aus Photovoltaik und Windenergie nach Bedarf auszugleichen. Das DESERTEC-Konzept basiert auf den DLR-Studien MED-CSP, TRANS- CSP und AQUA-CSP des Instituts für Technische Thermodynamik, die die Potenziale der erneuerbaren Energien für die nachhaltige Produktion von Elektrizität und Trinkwasser in den genannten Regionen aufgezeigt haben. In den kommenden Jahren wird das DLR Industrie und Politik bei der Ausgestaltung des DESERTEC-Konzepts weiter unterstützen, seine Partnerschaften mit Ländern der Region ausbauen und den Import von regelbarer Sonnenenergie als wichtigen Bestandteil der Energiewende vorantreiben und konkretisieren.

5 An dieser Parabolrinnenanlage auf der PSA wird die direkte solare Dampferzeugung praktisch erprobt. Technologien Konzentrierende Solarsysteme funktionieren im Großen, wie Brenngläser im Kleinen: Sie bündeln Sonnenstrahlung, um Wärme zu erzeugen. Die bei hohen Temperaturniveaus von bis zu 3000 C entstehende solarthermische Energie kann zur Stromproduktion, zur unmittelbaren Anwendung in technischen Prozessen oder zur Erzeugung von Brennstoffen eingesetzt werden. Da sich nur das direkte Sonnenlicht konzentrieren lässt, ist eine effektive Anwendung der Technik vor allem in sonnenreichen Gebieten der Erde sinnvoll. Allein auf etwa 1% der Fläche der Sahara gäbe es rechnerisch das Potenzial, den Stromverbrauch der Welt durch den Betrieb solarthermischer Kraftwerke zu decken. Ein besonderer Vorteil solarthermischer Kraftwerke ist, dass sie Schwankungen der Einstrahlung durch Wärmespeicher oder Zusatzfeuerung ausgleichen und den Strom nach Bedarf bereitstellen können. Dadurch können solarthermische Kraftwerke mit sehr geringem Brennstoffeinsatz die gleiche hohe Versorgungssicherheit erreichen wie allein mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke. Ihre Kommerzialisierung und Markteinführung steht am Beginn. Derzeit werden in mehreren Ländern neue Kraftwerke gebaut, insbesondere in Spanien und den USA. Ein industrieller Prototyp eines Linear-Fresnel- Kollektors wird auf der PSA getestet. Zur Konzentration von Solarstrahlung werden verschiedene Technologien eingesetzt und weiter entwickelt. In Parabolrinnen-Kollektoren, die einachsig der Sonne nachgeführt werden, wird die direkte Solarstrahlung um das 80-fache auf ein in der Brennlinie verlaufendes Rohr konzentriert. Darin zirkuliert ein Thermo-Öl als Wärmeträger. Das Fluid wird bis zu seiner Einsatzgrenze von knapp 400 C aufgeheizt und dann zur Dampferzeugung in einem konventionellen Kraftwerk verwendet. Diese Technik ist in Kalifornien bereits seit Ende der 80er Jahre mit einer elektrischen Leistung von insgesamt 354 MW in neun solarthermischen Kraftwerken im Betrieb. Seit in Spanien und den USA beginnend - werden in zahlreichen sonnenbegünstigten Ländern der Welt neue kommerzielle Parabolrinnen-Kraftwerke gebaut, inzwischen mehr als 1000 MW pro Jahr. Ähnlich ist das Prinzip der Linear- Fresnel-Kollektoren mit schmalen, flacheren Reflektor-Elementen und fest stehendem Absorber. Ein erstes kommerzielles 30 MW Kraftwerk dieses Typs wurde Anfang 2012 in Spanien in Betrieb genommen. In der nächsten Generation von Parabolrinnen- und Linear-Fresnel-Kollektoren sollen durch die direkte Verdampfung von Wasser und anschließende Überhitzung im Kollektorfeld oder durch den Einsatz von Salzschmelzen als Wärmeträgermedium Dampftemperaturen von rund 500 C erreicht und dadurch der Kraftwerkswirkungsgrad gesteigert werden. Innovative Speicherkonzepte für solarthermische Kraftwerke werden in enger Kooperation am DLR Institut für Technische Thermodynamik entwickelt. Bei Solarturm-Kraftwerken werden bis zu 200 m2 große Spiegel (sog. Heliostate) zweiachsig der Sonne nachgeführt, um die Direktstrahlung um das 500- bis 1000-fache auf die Spitze eines zentralen Turms zu konzentrieren. Dort wird ein Wärmeträger typischerweise auf 250 C bis 1000 C und manchmal sogar darüber hinaus erhitzt. In mehreren exemplarischen Turmkraftwerken wurde die Eignung verschiedener Wärmeträger untersucht und qualifiziert. Das erste kommerzielle Solarturm-Kraftwerk der Welt PS10, ist seit 2007 mit einer elektrischen Leistung von zehn MW in Südspanien im Einsatz. Es wurde 2009 um das 20-MW- Kraftwerk PS20 ergänzt wurde ein 15-MW-Solarturm in der Nähe von Cordoba errichtet, der Salzschmelze als Wärmeträger- und Speichermedium verwendet und mit seinem 15-h-Speicher rund die Uhr betrieben werden kann. Aktuell stehen in den USA kommerzielle Solarturm-Kraftwerke mit größerer Leistung kurz vor der Inbetriebnahme. Thermische Speicher verbessern zusätzlich die Nutzungsmöglichkeiten für die solarthermische Stromerzeugung. Etwa die Hälfte aller Parabolrinnen-Kraftwerke in Spanien werden heute im 50-MW- Maßstab mit einem Salzschmelzespeicher betrieben, der bis zu sieben Stunden Volllastbetrieb ohne Sonnenschein möglich macht. Für die verschiedenen solaren Kraftwerkstechnologien mit den unterschiedlichen Temperaturbereichen und Wärmeträgermedien werden innovative Speicherkonzepte und -medien entwickelt und in Pilotanlagen erprobt.

6 Das DLR im Überblick Das DLR ist das nationale Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt. Seine umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in Luftfahrt, Raumfahrt, Energie, Verkehr und Sicherheit sind in nationale und internationale Kooperationen eingebunden. Über die eigene Forschung hinaus ist das DLR als Raumfahrt-Agentur im Auftrag der Bundesregierung für die Planung und Umsetzung der deutschen Raumfahrtaktivitäten zuständig. Zudem fungiert das DLR als Dachorganisation für den national größten Projektträger. In den 16 Standorten Köln (Sitz des Vorstands), Augsburg, Berlin, Bonn, Braunschweig, Bremen, Göttingen, Hamburg, Jülich, Lampoldshausen, Neustrelitz, Oberpfaffenhofen, Stade, Stuttgart, Trauen und Weilheim beschäftigt das DLR circa Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Das DLR unterhält Büros in Brüssel, Paris und Washington D.C. Die Mission des DLR umfasst die Erforschung von Erde und Sonnensystem, Forschung für den Erhalt der Umwelt und umweltverträgliche Technologien, zur Steigerung der Mobilität sowie für Kommunikation und Sicherheit. Das Forschungsportfolio des DLR reicht von der Grundlagenforschung bis zur Entwicklung von Produkten für morgen. So trägt das im DLR gewonnene wissenschaftliche und technische Know-how zur Stärkung des Industrieund Technologiestandorts Deutschland bei. Das DLR betreibt Großforschungsanlagen für eigene Projekte sowie als Dienstleistung für Kunden und Partner. Darüber hinaus fördert das DLR den wissenschaftlichen Nachwuchs, betreibt kompetente Politikberatung und ist eine treibende Kraft in den Regionen seiner Standorte. Institut für Solarforschung Leitung: Prof. Dr.-Ing. Robert Pitz-Paal Prof. Dr.-Ing. Bernhard Hoffschmidt SF-0512-KP-B-de-001 Linder Höhe Köln Telefon: Telefax: Internet: