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06.04.2017

Solarthermische Kraftwerke

Schwefel soll Wärme speichern

Forscher am KIT entwickeln zusammen mit Projektpartnern einen geschlossenen Stoffkreislauf, bei dem mittels Schwefel die Energie aus dem Solarfeld gespeichert wird. Damit sollen höhere Temperaturen erreicht und so die Kraftwerke effektiver werden. Zudem kann die Solarenergie grundlastfähig werden.

Turm Kraftwerk CSP
 - Die Sonnenenergie wird mit Parabolspiegeln auf einen Turm geworfen. Vor dort wird die Wärme zum Speicher abgeführt. Diese soll in Zukunft in Form von Schwefel gespeichert werden.
Die Sonnenenergie wird mit Parabolspiegeln auf einen Turm geworfen. Vor dort wird die Wärme zum Speicher abgeführt. Diese soll in Zukunft in Form von Schwefel gespeichert werden.
DLR

Die Stromgewinnung aus großen, solarthermischen Kraftwerken ist vor allem für die Länder des Sonnengürtels geeignet. Doch sind sind Anlagen noch zu teuer. Forscher arbeiten mit Hochdruck daran, die Stromgestehungskosten aus solchen Kraftwerken zu senken, damit sie ihren Beitrag zur Energiewende leisten können. Ein Ansatz ist die Temperatur, mit der das Wärmeträgermedium aus dem Solarfeld kommt und in großen Speichern gesammelt wird. Ein Ansatz ist das sogenannte Turmkraftwerk, das das Forschungszentrum Jülich errichtet hat.

Bisher dominieren thermische Speicher

Die zweite Möglichkeit, die Kosten zu senken ist, die Speicher effektiver zu gestalten, um mehr Wärme deponieren zu können. Die bisher errichtet solarthermischen Kraftwerke (Concentrated Solar Power – CSP) sind in der Regel mit Wasserspeichern verbunden. Einige wenige dieser CSP-Kraftwerke laufen auch versuchsweise mit Salzspeichern. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wollen jetzt zusammen mit Partnern im Rahmen des Projekts Pegasus einen Wärmespeicher für CSP-Kraftwerke entwickeln, der auf einen Schwefel-Schwefelsäure-Kreislauf basiert. Dieser hat den Vorteil, dass die Wärme nicht mehr thermisch, sondern thermochemisch gespeichert wird.

Geschlossener Schwefelkreislauf speichert die Energie

Vereinfacht gesagt wird hier aus Schwefelsäure Schwefel gewonnen, der als Feststoff gespeichert werden kann. Danach wird dieser verbrannt, wobei die entstehende Wärmeenergie zum Antrieb eines Generators genutzt wird. Die Karlsruher Forscher nutzen dabei das Prinzip der sogenannten Disproportionation von Schwefeldioxid. Eine Disproportionation ist eine Redoxreaktion, bei der der Schwefel gleichzeitig als Oxidations- als auch als Reduktionsmittel auftritt. Das heißt, das Schwefeldioxid, das die Forscher mittels Sonnenenergie aus der Schwefelsäure gewinnen, wird gleichzeitig in Schwefel und zurück in Schwefelsäure umgewandelt. Die Energie, die für diesen Prozess benötigt wird, kommt aus dem Solarfeld. Um die auf diese Weise gespeicherte Energie für die Stromproduktion nutzen zu können, wird der Schwefel mit Sauerstoff verbrannt. Es entsteht Schwefeldioxid, wobei große Mengen Wärme frei werden. Mit dieser Wärme kann das – wie bisher auch üblich – ein Generator angetrieben werden. Das Schwefeldioxid wird dann in den Kreislauf zurückgeschickt, um mittels der Energie aus dem Solarfeld wieder Schwefel herzustellen. Das Sonnenlicht wird zudem dazu genutzt, den Schwefelkreislauf wieder zu schließen und aus der Schwefelsäure wieder Schwefeldioxid zu produzieren, das ebenfalls in den gesamten Prozess zurückgeschickt wird.

Geeignete Komponenten entwickeln und testen

Die Aufgabe der Forscher des KIT ist es, zunächst im Labormaßstab einen geeigneten Schwefelbrenner zu entwickeln. Dieser soll in einem Bereich von zehn bis 15 Kilowatt stabile Verbrennungsbedingungen bei hohen Leistungsdichten erreichen. Konkret soll er ohne zusätzlichen Druck eine Verbrennungstemperatur von 1.400 Grad Celsius schaffen. Mit diesen Temperaturen könnten die angeschlossenen Generatoren effizienter arbeiten als mit den weit niedrigeren Temperaturen, die mit Wasser als Wärmespeicher erreicht werden.

Zusammen mit weiteren Projektpartnern wird dann ein Gesamtprozess entwickelt. Dabei wird neben dem Schwefelbrenner auch ein Solarabsorber und ein Schwefeltrioxid-Zersetzer kreiert. Diese Komponenten sollten danach so weit hochsklaiert werden, dass die Forscher im Gesamtprozess fünf Megawatt thermische Leistung erreichen. Dieses System werden die Projektpartner dann am Solarturmkraftwerk in Jülich hinsichtlich ihrer Effizienz und ihrer Langzeitstabilität testen. Dabei beobachten die Forscher nicht nur, ob die Komponenten ihre erforderliche Leistung erreichen, sonder auch die Eignung der Materialien, die für den Wärmeeinfang, die Wärmeübertragung und die Wärmespeicherung. Sie werden sich auch genau die Katalysatoren anschauen, die für die chemischen Reaktionen notwendig sind.

Verbrennung wird Baustein der Energiewende

Die klingt alles sehr chemisch und passt auf den ersten Blick nicht zum Image der erneuerbaren Energien. Das weiß auch Dimostenis Trimis vom Engler-Bunte-Institut am KIT, der das Projekt leitet. „Auch wenn der Begriff Verbrennung oft mit fossilen Technologien verbunden wird, zeigen wir hier, dass Verbrennungstechnologie ein wichtiger Baustein des Energiesystems auch im Kontext der Energiewende ist“, betont er. Die Entwickler von CSP-Kraftwerken brauchen zudem dringend Möglichkeiten, höhere Temperaturen zu erreichen. Denn die handelsüblichen Großturbinen arbeiten mit Temperaturen, die mit dem Solarfeld – selbst mit den neuen Turmkraftwerken – nicht erreicht werden. Da Wasser aber nur die Temperaturen speichern kann, die aus dem Solarfeld kommen, reicht dies als Speichermedium nicht mehr aus. Hier können sich solche thermochemischen Speicher als Lösung etablieren. An dem Projekt sind neben dem KIT auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das Centre for Research and Technology in Griechenland beteiligt. Als Industriepartner sitzen Baltic Ceramics aus Polen, Processi Innovativi aus Italien und Bright Source aus Israel mit im Boot. (Sven Ullrich)