Solarthermische Systeme

Technologien zu Verbesserung der Flexibilität der bedarfsnahen Bereitstellung von Wärme und Strom werden in Energiesystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien an Bedeutung zunehmen. Wir entwicklen Komponenten wie zum Beispiel Hochtemperaturspeicher, erstellen Gesamtkonzepte und simulieren deren Einsatz.

Projekte

Cuve Waters

Integriertes Wasserressourcen-Management im nördlichen Namibia

Kurzinformation: Im Projekt "CUVEwaters" wurden sechs mehrstufige Entsalzunganlagen in Akutsima im Norden Namibia installiert, um einen Beitrag zur Trinkwasserversorgung der circa 500 Bewohner zu leisten.

In Namibia, dem trockensten Land südlich der Sahara, ist der Norden mit 42 Prozent am Bevölkerunsanteil des Landes der am dichtesten besiedelte Raum. Ziel des Verbundprojektes war es, die Lebensbedingungen der Menschen in Namibia durch ein integriertes Wassermanangement zu verbesern.

Das Solar-Institut Jülich hat gemeinsam mit dem Ingenieurbüro für Energie- und Umwelttechnik Jülich eine mehrstufige Eintsalzungsanlage (MSD - Multi-Stage Desalination System) zur solarthermicshen Wasserentsalzung entwickelt, die insbesondere durch wartungsarmen und robusten Betrieb speziell für entlegene Gebiete mit schwacher Infrastruktur geeignet ist und je nach Kollektortyp zwischen 60 und 80 Liter ´Trinkwasser pro Tag produziert. Der Betrieb benötigt keine elektrische Energie, da die Wärmezufuhr in die Anlagen rein thermosiphonisch erfolgt.

Im Rahmen des Projektes, wurde Ende 2010 sechs solcher MSD-Systeme in Akutsima, im Norden von Namibia, installiert und leisteten erfolgreich einen Beitrag zur Trinkwasserversorgung der circa 500 Bewohner.

Nähere Informationen finden Sie bitte unter folgendem Link: http://www.bmbf.wasserressourcen-management.de/de/106.php

Projektpartner:

  • Ingenieurbüro für Energie- und Umwelttechnik Jülich (IBEU)

Gefördert durch:

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung

Editor

Evaluation of the Dispatchability of a Parabolic Trough Collector System with Concrete Storage

Projektlaufzeit: 01.10.2015 bis 30.09.2018

Die Zielsetzung von EDITOR ist es, die Grundlastfähigkeit sowie Leistungsfähigkeit eines solarthermisches Systems, das für kontinuierlichen Betrieb konzipiert ist, zu demonstrieren und zu verifizieren. Während der Projektlaufzeit wird ein System bestehend aus einem mittelgroßen Parabolrinnenkollektor, Betonwärmespeicher und Kessel auf Zypern errichtet. Mit dem System wird Sattdampf produziert und in das Dampfsystem eines Getränkeherstellers eingespeist.

Der Parabolrinnenkollektor erhitzt mit einem innovativen Vakuumreceiver ein neuartiges, umweltfreundliches Thermoöl auf über 400 Grad Celsius. Ein innovatives neues Betonwärmespeichersystem speichert die gewonnene Wärme, um diese in Zeiten ohne (ausreichender) Direktsolarstrahlung für die Produktion von Sattdampf zu nutzen.

Im Projekt werden sowohl die technischen Aktivitäten der Installation, Inbetriebnahme und dem Betrieb der Anlage, als auch kommerzielle Gesichtspunkte, wie zum Beispiel die Machbarkeit hinsichtlich Hochskalierung, die Identifizierung von zukünftigen Kunden und der begleitende Kommunikationsprozess mit dem potentiellen Markt, umgesetzt.

Projektpartner:

  • protarget AG
  • Cyprus University of technology
  • CADE Soluciones de Ingeniería, S. L.
  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.

Gefördert durch:

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
Pic1: PTC test side in Bad Aibling, Germany (© protarget AG)
Pic2: Concrete storage system (© CADE)
 

Heureka

Heliumkreislaufsysteme für Solarturmkraftwerke

Projektbeginn: September 2013

Ziel des Projekts ist die Untersuchung, Entwicklung und Bewertung eines geschlossenen Heliumturbinenkreislaufs in Verbindung mit einem druckaufgeladenen Solarreceiver. Dazu werden verschiedene Kraftwerks-Konzepte mit der Simulationssoftware EBSILON®Professional modelliert. Weiterhin wird ein Helium-Receiver entwickelt, konstruiert und im Labormaßstab getestet. Die konzentrierte solare Energie wird hierbei durch ein Nahinfrarot-Strahlungsmodul nachgeahmt.

Nutzen für die Allgemeinheit: Solar betriebene Gasturbinenprozesse weisen ein hohes Potenzial auf, um die Kosten solarthermischer Stromerzeugung zu senken. Helium hat sehr gute thermische Eigenschaften. So können Wärmeübertrager kleiner dimensioniert werden. Zudem müssen bei Einsatz von Helium keine Korrosionsvorgänge berücksichtigt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass Helium einen geringen Druckverlust im Kreislauf aufweist. Dies wirkt sich positiv auf den Gesamtwirkungsgrad aus.

Projektförderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projektpartner:

HiTexStor

High Temperatures heat Exchange and Storage

Die Idee, Sand als Speichermedium für Wärmeenergie zu nutzen, ist Grundlage dieses Projektes. Die Beständigkeit bei hohen Temperaturen, die hohe Verfügbarkeit und die niedrigen Materialpreisen machen Sand zu einem hervorragenden Speichermaterial.Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Übertragung von Wärme aus bis zu 700°C heißer Luft in Sand.

In Zusammenarbeit mit dem DLR wurden in Laborversuchen die Eigenschaften von verschiedenen Sanden und Schüttgütern auf ihre Eignung als Wärmeträgermedium und als Wärmespeichermaterial getestet. Darauf aufbauend wurde eine Versuchsanlage für eine direkte Wärmeübertragung von Luft auf Sand konzeptioniert und gebaut. Damit wird das Verhalten des Sandes im Betrieb untersucht.

Dieser Wärmeübertrager soll eingesetzt werden um in Solarkraftwerken Schüttgut-Wärmespeicher zu realisieren. Ein weiterer Einsatzzweck ist bei Industrieprozessen zur Abluftwärme-Rückgewinnung denkbar.

 

HPMS

Entwicklung eines hocheffizienten Receiversystems für Salzturmkraftwerke

Projektbeginn: Oktober 2014

In dem Projekt HPMS wird in Kooperation mit Partnern aus Forschung und Industrie eine hocheffiziente Receivertechnologie mit Salzschmelze als Wärmeträger-Fluid entwickelt.

Das Projekt zielt auf die Kostenreduktion bei Solarturmkraftwerken mit Salzschmelze als Wärmetransport- und Speichermedium durch die Entwicklung eines hocheffizienten Receiversystems für die nächste Generation von Salzturmkraftwerken ab. Der Receiver und der solare Hochtemperaturkreislauf (Receiversystem) werden aus technischer und ökonomischer Sicht optimiert. Derzeit werden sowohl Hochflussdichte- als auch Hochtemperatur-Receiverkonzepte als die nächste Generation von Salzturmkraftwerken betrachtet.

Beim Receiver soll durch Auswahl des vielversprechendsten Receiverkonzeptes und durch eine detaillierte Designoptimierung der Wirkungsgrad und die Lebensdauer verbessert, sowie die Kosten gesenkt werden. Hierzu werden verbesserte Werkstoffkonzepte und innovative Beschichtungen berücksichtigt.

Beim Receiversystem sollen die während des Betriebes und den An- und Abfahrvorgängen auftretenden Verluste optimiert und so die Betriebskosten entscheidend reduziert werden. Für eine anschließende Projektphase wird das Basic Engineering für ein Test-Receiversystem basierend auf den Ergebnissen des Projektes erstellt.

Detaillierte Informationen finden Sie auf der Seite des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V.. Bitte klicken Sie hier

Projektpartner:

  •     Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. | DLR
  •     Babcock Borsig Steinmüller GmbH | BBS
  •     Bilfinger Piping Technology GmbH | BPT
  •     M + W Germany GmbH | M+W
  •     STEAG Energy Services GmbH | STEAG
  •     Salzgitter Mannesmann Forschung | SZMF
  •     Outokumpu VDM GmbH | als assoziierter Partner
  •     BASF | als assoziierter Partner


Projektförderer:

Indiref

Indirekt solar-beheizter Reformer zur Herstellung von Methanol

Projektbeginn: 01.12.2016

Kurzinformation: Entwicklung eines Receiver-Reaktor-Systems für eine indirekt solar beheizte Reformierung zur Herstellung von Methanol aus CO² und Erdgas

Im Projekt "Indiref" wird ein Prozess der indirekt solar-beheizten Reformierung zur Herstellung von Methanol aus CO² und Erdgas weiterentwickelt. Die konventionelle Herstellung von Synstesegas, das Ausgangsprodukt für viele chemische Produkte wie zum Beispiel Methanol ist, verursacht signifikante CO² Emissionen. Beim Einsatz von konzentrierter Solarstrahlung lassen sich die Emissionen stark reduzieren. Ein CO² Recycling im Prozess reduziert die Emissionen weiter. So kann die Nutzung von Sonnenergie in den Bereich der Chemieindustrie ausgeweitet werden.

Im Vordergrund stehen die Entwicklung des Reformierungsreaktors und eines modifizierten Solar-Receivers für diese Anwendung, welche technisch umgesetzt und unter solaren Bedingungen getestet werden kann. Zur Erreichung maximaler Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems wird parallel ein Prozesssimulationsmodell aufgebaut und anhand der Versuchsergebnisse validiert. Auf Basis dessen erfolgt eine virtuelle Hochskalierung des Prozesses, um das technisch-ökonomische Potenzial für eine Markteinführung zu bewerten.

Projektpartner:

  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
  • Hilger GmbH
  • Hille & Müller GmbH

Gefördert durch:

  • Ministerium für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk des Landes Nordrhein-Westfalen
  • Europäische Union - Investition in unsere Zukunft, Europäischer Fonds für regionale Entwicklung
  • EFRE.NRW - Investition in Wachstum und Beschäftigung

MOREWA-Def

Mobile und regenerative Energie- und Wasserversorgungseinheit für ländliche Bevölkerungen in semiariden Gebieten

Projektbeginn: April 2017

In diesem Definitionsprojekt werden Kontakte zu verarbeitenden Betrieben und der staatlichen Universität in Südkasachstan aufgebaut. Übergeordnetes Ziel dabei ist die Entwicklung einer Versorgungseinheit für die ländliche Bevölkerung in Kasachstan. Mit dieser Versorgungseinheit soll durch solare Anwendungen Trinkwasser aus der Luft gewonnen sowie Wärme und Strom bereitgestellt werden. Aufgrund von hohen Temperaturunterschieden zwischen Sommer und Winter, stellt die Wasser- und Wärmeversorgungn im Flächenland eine große Herausforderung dar.

Im ersten Teil des beabsichtigten Projektes werden die Bedürfnisse und die Möglichkeiten in Kasachstan ausgelotet. Im zweiten Teil wird ein Prototyp der Versorgungseinheit konzipiert und produziert. Anschließend sind Feldtests der Anlage in Kasachstan geplant, um die Versorgungssicherheit zu testen.

Näheres finden Sie hier.

Gefördert durch:

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung

OMF

Optimierung der Mikroheliostatfelder

Kurzinformation: Anwendung generischer Algorithmen zur Optimierung der Wirtschaftlichkeit von Klein-Heliostat-Systemen (Mikroheliostaten)

Das Heliostatfeld verursacht mit rund 50 % den größten Anteil an den Gesamtinvestitionskosten eines Solarturmkraftwerks. Das SIJ hat sich zur Aufgabe gemacht neue Heliostatkonzepte zu entwickeln, um diese Investitionskosten zu senken. Der Mikroheliostat ist ein zweiachsig der Sonne nachgeführtes Spiegelsystem. Im Gegensatz zu konventionellen Heliostaten wird eine Vielzahl von einzelnen kleinen Spiegelfacetten miteinander gekoppelt und sychron der Sonne nachgeführt. Die Nachführung erfolgt innerhlab einer festinstallierten Modulbox. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines numerischen Optimierungswerjkzeugs um bereits in der konzeptionellen Entwurfsphase innovativer Konzentratorsysteme deren Wirtschaftlichkeit optimieren zu können. Zur Bewertung der Mikroheliostate wurden diese im Kraftwerkskontext untersucht. Dazu wurden Simulationswerkzeuge entwickelt, die unter Berücksichtigung der optischen Effekte eine resultierende Strahlungsflussverteilung auf dem Absorber ermitteln (Raytracing).

Projektbeginn: 01.09.2012

Projektpartner:

  • Hilger GmbH, Wipperführt
  • Jokey Plastic Wipperfürth GmbH

Gefördert durch:

  • Bundesministerium für Wirtschaft, Mittelstand und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen

PaRiS

Weiterentwicklung und Erprobung eines neuartigen Verfahrens zur Bestimmung der Effizienz von konzentrierenden solarthermischen Kollektoren

Projektlaufzeit: 01.09.2013 bis 31.08.2016

Im Rahmen des Vorhabens PaRiS wurde ein Test- und Prüfverfahren weiterentwickelt und optimiert, ewlches es ermöglicht schon in der Entwicklungsphase von Parabolrinnenkollektoren deren Leistungsfähigkeit schnell und preisgünstig zu bestimmen. Im Vergleich zu konventionellen Messverfahren nach der Norm ISO 9806:2013 können mit dem neuen Verfahren Entwicklungsschritte beschleunigt, Kosten reduziert und der Anreiz für kleine und mittlere Unternehmen erhöht werden, in dieses Marktsegment vorzudringen. Zur Durchführung der normgerechten Prüfungen wurde ein Prüfstandsaufbau für kleine Parabolrinnenkollektoren entwickelt.

Weiterhin wurde im Projekt zusammen mit dem Industriepartner Hofmann Glastechnik GmbH während der Projektlaufzeit ein Receiver entwickelt, der in wiederholenden Optimierungsschritten am SIJ getestet und bewertet wurde.

Als Projektpartner engagierte sich das Ingenieurbüro für Energie- und Umwelttechnik (IBEU) im Vorhaben und als weitere Kooperationspartner konnten das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) und das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) gewonnen werden.

Gefördert durch:

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
  • FHprofUnt - Forschung an Fachhochschulen
 
 

PolyP

Entwicklung eines kleinen Parabolrinnenkollektors mit Kunststoffkorpus zur Bereitstellung solarer Prozesswärme

Projektlaufzeit: 01.08.2012 bis 31.01.2016

Das Ziel des Projekts war die Entwicklung eines kostengünstigen, hocheffizienten und serientauglichen Parabolrinnenkollektors mit circa 2 m² Aperturfläche und der Besonderheit eines aus Kunststoff gefertigten Parabolrinnenkorpus. Der Kollektor soll für die wirtschaftliche und CO²-freie Bereitstellung von solarer Prozesswärme in einem Temperaturbereich bis zu 250° C in modularer Bauweise und damit in seiner thermischen Leistung skalierbar eingesetzt werden. Neben der Untersuchung und Bewertung der Leistungsfähigkeit des Kollektors erfolgten eine Evaluierung bezüglich der optischen Qualität sowie eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Herstellung.

An diesem Projekt war die Firma AL-KO Kober SE mit ihrem Geschäftsbereich "Thermoformen" beteiligt. Die Firma Klaus Hofmann GmbH setzte in diesem Projekt erstmalig ihre neue Vakuumreceiver-Entwicklung ein. Die Firma TSK Flagsol war als Industriepartner für die Vermarktung des Produktes beteiligt. Ein erster Prototyp wurde am SIJ entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen.

Gefördert durch:

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
  • FHprofUnt - Forschung an Fachhochschulen
 

ReSoL

Nachrüstung von bestehenden Parabolrinnenkraftwerken mittels einer Erweiterung durch einen Solarturm

Projektbeginn: 01.10.2012

Das ReSol-Projekt untersucht die Nachrüstung von bestehenden Parabolrinnenkraftwerken (PRK) mit Solartürmen, um die Synergien beider Technologien zu nutzen und die Stromgestehungskosten auf ein attraktives Niveau zu senken.

Durch das Projekt soll die solare Stromerzeugung weiter gesteigert werden. Die Nachrüstung, mittels Integration eines Solarturms, verspricht eine Verbesserung der Effizienz und eine Flexibilitäts- und Verfügbarkeitserhöhung der Anlage. Das Nachrüstungspotenzial wird in Bezug auf folgende Retrofit-Merkmale (A und B) untersucht (siehe Abbildungen):

A: Retrofit zur Ertragssteigerung unter Beibehaltung der Kraftwerkgröße. Hierbei wird ein Teil des bestehenden Solarfelds zurückgebaut und auf der freigewordenen Fläche ein Solarturm errichtet.

B: Retrofit zur Steigerung der Nennleistung. Hierbei wird die thermische Gesamtleistung durch einen Solarturm erweitert, um das optimale Verhältnis von Rinnen- und Turm-Anlage herauszufinden.

Projektpartner:

  •     MAN Diesel & Turbo | MAN
  •     Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. | DLR

SiBopS

Simulationsunterstützte Betriebsoptimierung für Solartürme durch innovatives Heliostatnachführungsystem, Zielpunktoptimierung und Betriebsassistenzsystem

Projektbeginn: 01.02.2012

Ziel des Vorhabens ist die Effizienzsteigerung von Solarturmkraftwerken durch softwarebasierte Maßnahmen. Die Arbeiten konzentrieren sich auf innovative Methoden zur Heliostatfeldsteuerung und zur effizienzoptimalen Betriebsführung. Aufbauend auf Vorarbeiten der Partner werden softwarebasierte Verfahren entwickelt und am Solarturm Jülich getestet. Die auch für andere Turmkraftwerkskonzepte andwendbaren Methoden bieten zusammen mit dem Funktionsnachweis am Solarturm Jülich die Chancen einer zeitnahen Umsetzunggin der CSP-Branche. Gleichzeitig wird die Forschungsinfrastruktur am Solarturmkraftwerk Jülich durch Installation der entwickelten Verfahren und ein partiell verbessertes Heliostatfeld qualitativ aufgewertet.

Projektpartner:

 

  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. | DLR
  • RWTH Aachen - Institut für Regelungstechnik | IRT
  • RWTH Aachen - Institut für Dampf- und Gasturbinen | IDG
  • Kraftanlagen München GmbH | KAM
  • CSP Services GmbH | CSPC
  • Stadtwerke Jülich | SWJ
  • Universität Leuven, Belgien | OPTEC_Gruppe
  • LeiKon GmbH

 

 

SolMethCO²

Solare Produktion von Methanol aus Kohlendioxid

Projektlaufzeit: 01.02.2009 bis 31.01.2012

Im Rahmen des Projektes "SolMethCO²" wurden die Eigenschaften verschiedener Katalysatoren für die Reformierungsreaktion untersucht. Auf Basis von Literaturrecherche, Praxiserfahrung, Experimentenergebnisse und Simulationsrechnungen wurden diverse CO²-zu-Methanol-Verfahren analysiert und bewertet. Um ein besseres Verständnis über die Prozessparameter, wie Umsatz, Effizienz und Reaktionsgeschwindigkeit der CO²--Reformierung von Methan, zu gewinnen, wurde ein Laborteststand entwickelt und aufgebaut. Die Betriebscharakteristika wurden unter konstanten Bedigungen als auch unter solar-typischen fluktuierenden Randbedingungen analysiert. Es wurden zwei Szenarien zur CO²-Erzeugung durch "Post-Combustion" und Systhesegaserzeugung durch CO²-Reformierung und 2) Absorption von CO² aus der Atmosphäre und photokatalytische Methanol-Direkterzeugung- Die Kommerzialisierung des Prozesses erlaubt eine Diversifizierung der Solarenergienutzung, zusätzlich zur Stromerzeugugng als Brennstoff und als Rohrstoff für die Chemieindustrie. 

Projektpartner:

  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
  • Ferrostaal AG
  • FB Chemie und Biotechnologie der FH Aachen

Gefördert durch:

  • Europäische Union - Europäischer Fonds für Regionale Entwicklung

    SpOpt

    Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, des Nutzungsgrades sowie der Flexibilität und die Betriebsdauer des Speichersystems im Solarturm Jülich

    Projektbeginn: 01.07.2010 

    Mit dem solarthermischen Versuchskraftwerk Jülich (SVJ) wurde das weltweit erste Kraftwerk dieser Art in Deutschland gebaut. Dieses Projekt dient dem verbesserten Einsatz der Speichertechnologie und der damit verbundenen Senkung der Kraftwerksbetriebskosten. Schwerpunkt dieses Projektes ist mittels neuen nummerischen Simulationstools die Wirtschaftlichkeit, den Nutzungsgrad, die Flexibilität und die Betriebsdauer des Speichersystems zu erhöhen. Die Optimierungen sollen in einem innovativen Speichersystem-Konzept münden, der für den Einsatz in Solarturmkraftwerken prädestiniert ist.

    Projektpartner:

    •     KBA-MetalPrint GmbH | KBA
    •     Kraftanlagen München GmbH | KAM
    Schematische Skizze des thermischen Speichers | KBA-Clean Air GmbH

    VORWAiRTS

    Volumetrischer Receiver mit hoher Luftrückführrate zur Verbesserung des Systemwirkungsgrades

    Projektbeginn: September 2016

    Die Technologie des offenen volumetrischen Receivers (HiTRec) bietet ein erprobtes, effektives und skalierbares Konzept zur bedarfsgeführten solaren Stromerzeugung an. Die HiTRec-Technologie hat deutliche Vorteile in der Einfachheit und Robustheit des Betriebs gegenüber Anlagen mit Salzschmelzereceiver. Die höhere Prozesstemperatur eröffnet darüber hinaus das Potential zur Nutzung moderner hocheffizienter 620°C­ Dampfprozesse.

    In diesem Projekt werden neue Ansätze zur Verbesserung der Luftreceivertechnik entwickelt. Dabei werden Konzepte sowohl für die kurzfristige, als auch für die längerfristige Umsetzung erarbeitet und getestet. Hauptansatz ist eine Modifikation in der Geometrie des Receivers inklusive einer verbesserten Rückführung der Warmluft. Zudem sollen durch eine optimierte Betriebsführung die Effizienz und der Jahresertrag gesteigert werden.

    Projektpartner:

    • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. | DLR
    • Kraftanlagen München GmbH | KAM

    Projektförderer:


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