Feststoffpartikel für die Nutzung der Sonnenenergie

Die Solarenergie ist eine wichtige alternative Energiequelle, die dazu beiträgt, die negativen Folgen für die Umwelt durch Kohlenstoffdioxidemissionen abzuschwächen. Bei einer Konzentration der Sonnenenergie (CSP, Concentrated solar power) werden Spiegel verwendet, um das Sonnenlicht zu bündeln und als Wärme einzufangen, die wiederum eine Maschine oder Turbine antreibt. Um Elektrizität auf einer wettbewerbsfähigen Basis zu erzeugen, muss die Effizienz und Sicherheit von CSP-Anlagen verbessert werden. Ein Faktor, dem bislang in CSP-Anlagen Grenzen gesetzt sind, ist das Wärmeübertragungsmittel.

Das Ziel des von der EU geförderten Projekts "Concentrated solar power in particles" (CSP2) besteht in der Verwendung einer dichten Gaspartikelsuspension (DPS) als alternatives Wärmeübertragungsmittel, das Betriebstemperaturen von mehr als 550 Grad Celsius ermöglicht. Die Festphase umfasst ein festes Mineral, das hohen Temperaturen widersteht. Die Feststoffpartikel können ebenfalls aufgrund deren hoher Wärmekapazitäten als Medium zur Speicherung von Wärmeenergie genutzt werden.

Im Vergleich zu Standard-Wärmeübertragungsmitteln hat das Feststoffmaterial Vorteile im Hinblick auf die Folgen für die Umwelt und Sicherheitsaspekte. Große Partikelmengen können ohne Weiteres zu geringen Kosten hergestellt werden, ohne dass eine chemische Prozessentwicklung notwendig wäre.

Das oberste Ziel des Projekts ist es, die Leistungsfähigkeit eines Speichers im Pilotmaßstab mit einer Wärmekapazität zwischen 100 und 150 Kilowatt zu demonstrieren. Bislang haben die Projektmitglieder die Wärmeübertragung sowie den Mittelfluss der Gaspartikelsuspension in Rohren und in einem Solarstrahlungsempfänger mit komplettem Rohrbündel modelliert. Zu experimentellen Zwecken wurden einerseits zirkulierende Teilchen auf bis zu 750°C (mit einem Vorheizen bei 500°C) in dem Solarstrahlungsempfänger im Labormaßstab mit einem Rohr erhitzt. Andererseits wurde der Empfänger im Pilotmaßstab im Rahmen einer ersten Reihe von Experimenten an der Sonne mit einer Teilchenzirkulationsflussrate von etwa 1 t/h in einem geschlossenen Kreis für bis zu fünf Stunden verwendet. Es werden ebenfalls Untersuchungen in größerem Maßstab für industrielle CSP-Anlagen durchgeführt. Das Entwicklungsmodell prognostizierte eine gute Wärmeleistung für 10 bis 50 Megawatt mit einer Effizienz von mehr als 70 Prozent. Die Studie zur Folgenabschätzung für die Umwelt ist im Gange und hat bislang gezeigt, dass der Partikelabrieb sehr gering ist.

Die CSP2-Lösung zur Verwendung von Feststoffpartikeln in einem Solarstrahlungsempfänger ist eine deutliche Alternative zu den bislang verwendeten flüssigen oder gasförmigen Wärmeübertragungsmitteln. In Anbetracht der Tatsache, dass bei höheren Temperaturen weniger Wärmeübertragungsmaterial erforderlich ist, ermöglicht eine dichte Gaspartikelsuspension eine Energieanlagenkonfiguration, die zu Einsparungen führt.