SolarRetrofit - Solarthermische Wärme für Kraftwerke und Industrie; Teilvorhaben: Receiver-Entwicklung und Projektierung Pilotanlage + Teilvorhaben: Receiver-Entwicklung, Solartest und Systemanalyse

Abstract

Der solarthermischen Energieumwandlung mit 'Concentrated Solar Power' (CSP) kann eine bedeutende Rolle zukommen, denn die in CSP-Anlagen erzeugte Wärme ist kostengünstig speicherbar, um sie zu einem späteren Zeitpunkt nach Bedarf abzurufen. Daher können CSP-Anlagen die Stromnetze bei zunehmend fluktuierender Energieerzeugung aus Photovoltaik (PV) und Wind stabilisieren. Es gibt eine Vielzahl von Ansätzen für die Konfiguration von CSP-Anlagen. Dennoch fehlt es bislang an einem Konzept, dass derart universell, robust und zugleich kostengünstig ist, dass es im industriellen Maßstab mit ähnlichen Beiträgen zum Einsatz kommen kann, wie sie bereits von PV und Windenergie erzeugt werden. In dem Vorhaben 'SolarRetrofit' wurde ein neuartiges Receiver-Konzept umgesetzt, bei dem drucklose Luft in einem heißseitig geschlossenen System als Wärmeträgermedium dient. Dies führt zu einem hohen Wirkungsgrad, ermöglicht die Verwendung eines Feststoffspeichers und ergibt eine sehr robuste Konfiguration für CSP-Anlagen. Die Entwicklung des Receivers erfolgte mit iterativen Schritten für Berechnung, Konstruktion, Herstellung und Erprobung. Ferner wurden technisch-wirtschaftliche Betrachtungen zu den sich ergebenden Strom- und Wärmegestehungskosten durchgeführt. Zunächst wurde ein einzelnes Receiver-Modul ausgelegt, konstruiert, im 3D-Druck aus Kunststoff und anschließend zweifach aus Keramik und Stahl hergestellt. Es folgten Messungen mit Kaltluft und unter Wärmebestrahlung. Anschließend wurde ein weiteres einzelnes Receiver-Modul im 3D-Druck aus Kunststoff und schließlich acht Receiver-Module aus Keramik und Stahl hergestellt. Ein Prüfstand für sieben Receiver-Module wurde in der künstliche Sonne Synlight des DLR errichtet. Die numerischen Berechnungen konnten mit den Messwerten zu dem einzelnen Receiver-Modul in Einklang gebracht werden. Die Verwendbarkeit des neuen Receiver-Konzepts ist umfassend und beinhalten sowohl die Wärme- als auch die Stromerzeugung mit CSP-Anlagen.

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Solar thermal energy conversion with concentrated solar power (CSP) can play an important role, because the heat generated in CSP plants can be stored cost-effectively in order to retrieve it at a later time as needed. Therefore, CSP plants can stabilize the power grids in the face of increasingly fluctuating energy generation from photovoltaics (PV) and wind. There are a variety of approaches to configuring CSP plants. Nevertheless, there is still a lack of a concept that is so universal, robust and at the same time cost-effective that it can be used on an industrial scale with similar contributions as those already generated by PV and wind energy. In the 'SolarRetrofit' project, a new receiver concept was implemented in which pressureless air serves as heat transfer medium in a hot-sided closed system. This results in high efficiency, allows the use of a solid-state storage system and leads to a very robust configuration for CSP plants. The development of the receiver was carried out with iterative steps for calculation, design, manufacturing, and testing. In addition, technical and economic considerations were carried out on the resulting electricity and heat generation costs. First, a single receiver module was designed, constructed, 3D printed from plastic and then made of ceramic and steel twice. This was followed by extensive measurements with cold air and under heat irradiation. Subsequently, another single receiver module was 3D printed from plastic and finally eight receiver modules made of ceramic and steel. A test rig for seven receiver modules was set up in DLR's Synlight artificial sun. The numerical calculations could be reconciled with the measured values for the individual receiver module. The usability of the new receiver concept is comprehensive and includes both heat and power generation with CSP plants.