SOLARTHERMISCHE STROMERZEUGUNG Von Peter Heller und Wolfgang Schiel DISH/ STIRLING- SYSTEME Dish/Stirling-Systeme sind Anlagen zur solaren Stromerzeugung im Bereich 1 bis 50 Kilowatt. Sie konzentrieren direktes Sonnenlicht mit Hilfe eines der Sonne nachgeführten Parabolkonzentrators (engl. Dish ) auf einen Wärmetauscher eines Stirlingmotors, der mit Hilfe der Sonnenenergie mechanische Energie erzeugt und diese über einen angekoppelten Generator in Strom wandelt. 56
Abb.: EuroDish mit Stirling-Motor (zehn Kilowatt elektrisch) im Testbetrieb auf der Plataforma Solar de Almería, Spanien. 57
SOLARTHERMISCHE STROMERZEUGUNG 58 S tirlingmotoren können im Vergleich zu kleinen Dampf- oder Gasturbinen sehr hohe Wirkungsgrade von über 40 Prozent erzielen. Da anders als bei Explosionsmotoren die benötigte Energie von außen über einen Wärmetauscher ( Receiver ) zugeführt wird, entstehen im Motorinnenraum keine Verbrennungsrückstände. Deshalb gelten sie als sehr wartungsarm und eignen sich hervorragend auch für die dezentrale
Stromerzeugung. Sie können zudem vergleichsweise einfach hybridisiert, das heißt mit einer weiteren Energiequelle wie Biogas gekoppelt werden, um einen 24 Stunden Betrieb zu gewährleisten. Dies ist neben dem hohen Kostenpotenzial ihr wesentlicher Vorteil gegenüber PV-Systemen, die auf Batteriesysteme zur Energiespeicherung angewiesen sind. Das DLR hat sich in den vergangenen Jahren gemeinsam mit dem Systementwickler Schlaich, Bergermann und Partner (SBP) und weiteren deutschen und europäischen Industrie- und Forschungspartnern an der Entwicklung des Eurodish-Systems mit einer Leistung von zehn Kilowatt und Sytemkosten bei einer Kleinserienfertigung von unter 5.500 Euro pro Kilowatt beteiligt. Das System basiert auf einem kostengünstigen neuartigen Konzentrator in Sandwichbauweise aus zwölf glasfaserverstärkten Einzelfacetten, die zu einer Schale verklebt werden. Diese wiederum wird in einem Drehgestell über die beiden Drehachsen automatisch der Sonne nachgeführt. Im Brennfleck dieser Parabol-Schale ist der aus 78 Metallröhrchen bestehende Wärmetauscher einer SOLO 161-Stirlingmaschine positioniert und überträgt die von ihm absorbierte Solarenergie auf das die Röhrchen durchströmende Arbeitsgas (Helium oder Wasserstoff). Der Receiver ist zwischen den beiden V-förmig angeordneten Zylindern angebracht, deren Kolben die mechanische Energie aus der Expansion des Arbeitsgases über einen Kurbeltrieb direkt auf den Generator übertragen. Ein Wasserkühler am Kompressionszylinder kühlt das Arbeitsgas zurück. Ein Regenerator zwischen Receiver und Kühler verbessert durch wechselweise Aufnahme und Abgabe von Wärme des Arbeitsgases die Effizienz des Kreisprozesses. Die derzeitigen F&E-Arbeiten konzentrieren sich auf die Verbreiterung der Datenbasis, auf die Analyse von Fehlern und die Detailverbesserungen einiger Komponenten. Neben der Steigerung des Wirkungsgrades durch Verbesserungen an Komponenten, Abb.: Stirling-Motor zur Stromerzeugung. wie Receiver-Cavity, steht die Erhöhung der Zuverlässigkeit und die Kostenreduktion von Bauteilen im Vordergrund.Weiterhin wurden drei sogenannte Länderreferenzanlagen in Odeillo (Frankreich), Sevilla (Spanien) und Würzburg errichtet. Diese sollen die Markteinführung durch die Präsenz in interessanten Märkten unterstützen. Somit sind derzeit neben den beiden Prototypen auf der Plataforma Solar de Almería, einer Demo-Anlage in Mailand (Italien) und einer in Indien insgesamt sieben Prototypen in der Erprobung. Dish/Stirling-Systeme könnten sich wegen ihrer hohen Wirkungsgrade und niedriger Systemkosten bei entsprechend hoher Fertigungsstückzahl bei einer schnellen und erfolgreichen Markteinführung einen großen Markt erschließen. Dies erfordert jedoch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit, Wartungsarmut und Langlebigkeit. Um diese Aspekte erfolgreich verbessern zu können, wird nun ein größerer Feldtest anvisiert. Demgegenüber werden sich die F&E-Arbeiten auf die Entwicklung von Hybridsystemen für netzferne Anwendungen konzentrieren. Dies beinhaltet im Wesentlichen die Nutzung von verschiedenen flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen in so genannten Multifuel -Brennern und deren effiziente Umsetzung und Übertragung auf den Stirling-Receiver. Dr.-Ing. Peter Heller ist Projektgruppenleiter für punktkonzentrierende Systeme am DLR- Standort Almería. Dipl.-Phys. Wolfgang Schiel ist Geschäftsführer der SBP GmbH. 59