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Von besonderer Bedeutung für die Concentrated Solar Power (CSP) Technologie ist die Entwicklung geeigneter Speicher zur zeitlichen und räumlichen Entkopplung von Solarstrahlungsangebot und Stromerzeugung. Schon heute ermöglichen Wärmespeicher mittels Schmelzsalzen einen kontinuierlichen Betrieb von kommerziellen CSP Anlagen bis in die Nachstunden. Um aber fossil betriebene Kraftwerke mit einer jährlichen Betriebsdauer von über 6000 Stunden in Zukunft vollständig ersetzen zu können, werden zusätzlich Langzeitspeicher benötigt, die einen kontinuierlichen 24-Stunden-Betrieb über das gesamte Jahr und einen Transport der gespeicherten Solarenergie in sonnenarme Regionen ermöglichen.

Das durch das Land NRW geförderte Projekt BaSiS (Bedarfsgerechte Solarstromproduktion mittels Schwefelspeichertechnologie) betrachtet einen thermochemischen Schwefelspeicher-Kreisprozess, um Solarenergie dauerhaft und effizient in chemischer Form als elementaren Schwefel zu speichern. Und das mit einer 30-mal höheren Energiedichte als heutige Schmelzsalzsysteme. Schwefel – einer der bedeutendsten Grundstoffe der chemischen Industrie mit einer globalen Jahresproduktion von 70 Mio. Tonnen – kommt als Brennstoff in konventionellen Schwefelsäureanlagen zum Einsatz, die die Abwärme ihrer Schwefelbrenner in Dampfturbinen zu Elektrizität umwandeln. Zusätzlich wäre es möglich, Gasturbinen in diese Anlagen zu integrieren, sodass ein hocheffizientes und emissionsfreies Gas- und Dampfturbinen (GuD) Kraftwerk entsteht, in dem flexibel und bedarfsgerecht Strom produziert werden kann.

Im untersuchten Kreisprozess wird die bei der Stromproduktion erzeugte Schwefelsäure in einer CSP-Anlage solarthermisch gespalten und das entstehende Schwefeldioxid (SO2) anschließend in einem innovativen Disproportionierungsreaktor zu Schwefel weiterreagiert. Diese solare Schwefelproduktionsanlage und das schwefelbefeuerte GuD-Kraftwerk können sich an vollkommen unterschiedlichen Orten befinden, da Lagerung und Transport von Schwefel und Schwefelsäure problemlos und praktisch verlustfrei über lange Zeit bzw. große Distanzen möglich ist.

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Das Projekt MHF – Mikrohelix-Feldtest – verfolgt das übergeordnete Ziel die Investitionskosten für ein Heliostatenfeld durch Entwicklung, Fertigung und Qualifizierung eines massenfertigungstauglichen und materialsparenden Mikoheliostaten zu reduzieren. Das entspricht einer drastischen Reduktion der Investitionskosten im Heliostatenfeld und somit einer deutlichen Gesamtinvestitionskostenreduktion von solarthermischen Turmkraftwerken. Die hiermit erzielten wettbewerbsfähigen Stromgestehungskosten sollen den Ausbau der CSP-Technologien beschleunigen und eine weitere Reduzierung der umweltschädlichen Treibhausgase erwirken.

Zu diesem Zweck hat das Solar-Institut Jülich, in Kooperation mit der Hilger GmbH, eine neue Heliostatentechnologie, den Mikroheliostaten (MH), entwickelt. Die ersten MH-Prototypen wurden bereits gebaut und unter Laborbedingungen getestet. Die Ergebnisse zeigten die prinzipielle Tauglichkeit dieser Heliostatentechnologie für den Einsatz in solarthermischen Kraftwerken. Im Vorhaben MHF sollen die Mikroheliostaten im industriellen Maßstab, das heißt im größeren Testfeld und unter realen Bedinungen untersucht werden. Um die Vorteile des MH-Konzeptes voll auszuschöpfen, sollen die Mikroheliostaten außerdem für eine Massenproduktion optimiert werden.

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Die solare Wasserstofferzeugung bezeichnet die Nutzung der Sonnenenergie, insbesondere in den konzentrierenden Solarsystemen zur umweltfreundlichen Herstellung von Wasserstoff. Zu den vielversprechendsten und am weitesten entwickelten Technologien der solaren Wasserstofferzeugung gehört der zweistufige Metalloxid-Kreisprozess. Dabei wird ein Metalloxid, z. B. Eisenoxid bei Temperaturen von mehr als 1200 °C zunächst reduziert, um in einem zweiten Schritt bei niedrigeren Temperaturen von ca. 800 °C mit Wasserdampf zu reagieren und Wasserstoff freizusetzen (Oxidationsschritt). Die benötigte Hochtemperatur-Prozesswärme wird mittels konzentrierender Solarsysteme bereitgestellt.

Um eine kontinuierliche Wasserstoff-Produktion zu ermöglichen, kann der zweistufige Kreisprozess in mehreren Reaktorkammern (Multi-Kammer-Reaktor) simultan ablaufen. Während z.B. in einer Kammer der Oxidationsschritt abläuft, findet in den anderen Kammern die Reduktion statt. Das erforderliche Temperaturniveau in den jeweiligen Kammern wird durch das abwechselnde Zuschalten (Fokussieren) und Wegschalten (Defokussieren) von Lichtkonzentratoren (Heliostaten) realisiert.

Neben den abwechselnden Temperaturniveaus in den Reaktorkammern stellt der kontinuierliche Betrieb des Multi-Kammer-Reaktors sehr hohe Anforderungen an das Heliostatenfeld; Die Regelung des Reaktorbetriebs mittels Heliostaten bedarf eine simulationsbasierte vorausschauende Berechnung der Heliostatzielpunkte. Die Einhaltung der erforderlichen Reaktionszeiten sieht den Einsatz von echtzeitfähigen Netzwerk-Komponenten im Feld vor. Der Brennfleck des Heliostaten ist in Abhängigkeit seiner Position im Feld individuell an die Größe der Reaktorkammern anzupassen und seine Ausrichtung während des Betriebs zu ermitteln bzw. zu korrigieren. Das Vorhaben H2Loop verfolgt das Ziel diese Innovationen im Heliostatenfeld umzusetzen, um eine quasi-geschlossene Heliostatenfeld-Regelung des Multi-Kammer-Reaktors zu ermöglichen.

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