Siebbedruckte keramische Absorberstruktur der Exentis Group.

Durch Innovation in seiner Kernkomponente – dem volumetrischen Absorber – kann der Open Volumetric Receiver (OVR) einen Wirkungsgrad von 90 % und mehr erreichen

Innovation:

In einem kürzlich durchgeführten F&E-Projekt, das von einem Konsortium deutscher Unternehmen durchgeführt wurde Kraftanlagen Energie & Services GmbH, Vitesco Emitec und Exentis-Gruppe zusammen mit dem Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt Es zeigte sich, dass das Effizienzpotenzial des volumetrischen Receivers mit derzeit verfügbaren Absorberstrukturen noch lange nicht ausgeschöpft ist.

Entsprechend den Produktionsmöglichkeiten der beteiligten Unternehmen wurden extrem fein skalierte dreidimensionale Texturgeometrien entworfen. Für die Strukturauslegung wurde ein neues simulationsbasiertes Optimierungsverfahren angewendet, an dem Spezialisten der Herstellerfirmen beteiligt waren.

Hintergrund

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

ABBILDUNG 1: Schema eines Solarkraftwerks mit offenem volumetrischen Receiver (OVR).

Darüber hinaus hat die OVR-Technologie deutliche Vorteile in Bezug auf Einfachheit und Robustheit im Vergleich zu Installationen mit Salzschmelzebehältern. Mit Luftaustrittstemperaturen von 650 °C und mehr verfügt es über die höchste derzeit verfügbare 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 am deutschen Solarturm Jülich, einem Versuchskraftwerk des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, demonstriert (BILD 2).

ABBILDUNG 2: Das Versuchskraftwerk Solar Tower Jülich in Betrieb.

Der volumetrische Absorber, die Kernkomponente der OVR-Technologie, ist eine poröse Struktur, die es der konzentrierten Sonnenstrahlung ermöglicht, tief in das zu absorbierende Volumen einzudringen und durch die große innere Oberfläche als Wärme an den parallelen Gasstrom abzugeben (BILD 3).

Typische Materialien, die als Absorber verwendet werden, sind Geflechte aus Metalldrähten aus temperaturbeständigen Stahllegierungen, retikulierte Schaumstrukturen aus Keramik oder kanalartige Strukturen aus Stahl oder Keramik.

ABBILDUNG 3: Funktionsprinzip des volumetrischen Absorbers.

Der aktuelle State-of-the-Art-Absorber, der auch im Solarturm Jülich zum Einsatz kommt, besteht aus extrudierten Waben aus Siliziumkarbid-Keramik mit einer Zelligkeit von ca. 80 cpsi und 50 % offener Porosität (BILD 4).

ABBILDUNG 4: Hochmodernes keramisches Wabenabsorbermodul

Das Projekt konzentrierte sich auf die Innovation von zwei Produktionstechnologien:

Vitesco Emitec produzierten einen Körper aus Kanalstrukturen aus abwechselnden Paaren flacher und gewellter ultradünner Metallplatten (~50 Mikrometer) aus einer Hochtemperatur-Stahllegierung. Die Metallplatten können in Länge und Ausrichtung variieren (ABBILDUNG 5).

ABBILDUNG 5: Vitesco Emitec Absorbermodul mit Metallfolienkanalstruktur.

ABBILDUNG 6: Absorbermodul der Exentis Group mit keramischer Pin-Frontstruktur.

Exentis-Gruppe hergestellte Kanalstrukturen mit einer innovativen additiven Fertigungstechnologie: Siebdruck mit SiC-Keramik. Ihr wabenbasiertes Design ist durch Kanäle gekennzeichnet, die in sehr dünnen Stiften zur bestrahlten Vorderseite hin enden (ABBILDUNG 6).

Zu testen

In einem zweistufigen Designprozess wurden die neuen Absorberstrukturen zunächst in Sondenabmessungen von 60 mm x 60 mm gefertigt und getestet, bevor sie in Modulabmessungen von 140 mm x 140 mm, kompatibel zum Receiver am Solarturm Jülich, produziert wurden.

Das Testen beider Größen wurde in einem Testbett durchgeführt Künstlicher Sonnensimulator Synlight® des DLR um den thermischen Wirkungsgrad im Vergleich zum State-of-the-Art-Absorber zu messen. Anschließend wurden die neuen modulgroßen Absorber mehrere Tage bei konzentrierter Sonneneinstrahlung im Solarturm Jülich eingesetzt, um ihre Stabilität in einer realen Umgebung mit Transienten, insbesondere durch Bewölkung, zu beweisen.

Ergebnisse

Die Messergebnisse zeigen einen signifikanten Vorteil in der thermischen Effizienz der neuen Absorberstrukturen im Vergleich zu einem Absorber nach dem Stand der Technik (BILD 7). Bei der Referenztemperatur von 650 °C hat die Struktur von Vitesco Emitec einen thermischen Wirkungsgrad von 91 % und die Struktur der Exentis-Gruppe einen thermischen Wirkungsgrad von 92 %, was +6 bzw. +7 %-Punkte im Vergleich zum Stand der Technik sind.

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

ABBILDUNG 7: Vergleich des thermischen Wirkungsgrades neuer Absorberstrukturen mit State-of-the-Art-Absorbern.

beeinflussen

Das F&E-Projekt hat gezeigt, dass fortschrittliche Absorberkonstruktionen, die mit modernen Produktionstechniken hergestellt werden, einen thermischen Wirkungsgrad von 90 % und mehr erreichen können, wodurch das theoretisch prognostizierte hohe Potenzial der OVR-Technologie realisiert wird. Mit einem Wirkungsgrad von über 90 % liegt der OVR zudem auf Augenhöhe mit den derzeit gängigen Salzschmelze-Receivern.

Eine Effizienzsteigerung im Kernbereich des Absorbers wirkt sich direkt auf die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage aus. 8 % höherer Wirkungsgrad bedeutet etwa 8 % weniger benötigte Heliostaten im Solarfeld. Bei einem 600.000 m² großen Heliostatenfeld bei angenommenen Kosten von 100 €/m² führt diese Effizienzsteigerung zu einer Investitionseinsparung von über 4,5 Mio. €!

Ausblick

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 im Hinblick auf eine langfristige industrielle Einsetzbarkeit in rauer Umgebung noch in einem frühen Stadium.
Der Metallfolienabsorber hingegen stützt sich auf jahrzehntelange automobile Entwicklung und ist 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.

Lesen Sie weiter

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

Broeske, RT, Schwarzbözl, P., Birkigt, L., Dung, S., Müller, B., und Doerbeck, T. (2021) Innovative 3D-geformte Strukturen als volumetrische Absorber. 27. SolarPACES-Konferenz, 27. September – 01.10. 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, Schwarzbozl, 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, Schwarzbozl, P., & Hoffschmidt, B. (2022). Mehrdimensionale numerische Analyse von Strömungsinstabilitäten in 3D-geformten Wabenabsorbern. Solarenergie, 247, 86-95. doi: 10.1016/j.solener.2022.10.007.