Stärkere Materialien für eine effizientere Sonnenenergie
Um den steigenden Bedarf an erneuerbaren Energien zu decken, werden im Zuge der Abkehr von fossilen Brennstoffen effizientere und skalierbarere Technologien benötigt. Eine der am häufigsten vorkommenden natürlichen Ressourcen ist die Sonnenenergie, doch die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität oder Wärme stellt immer noch eine Herausforderung dar. Moderne Sonnenwärmekraftwerke(öffnet in neuem Fenster) speichern Wärme in Flüssigkeiten wie geschmolzenen Salzen und wandeln sie dann in Strom um. Die Effizienz dieses Verfahrens wird jedoch durch die Höchsttemperaturen begrenzt, denen diese Materialien standhalten können. Um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, die Kosten zu senken und neue Anwendungen – wie die Herstellung von Solarkraftstoffen und das Recycling im industriellen Maßstab – zu ermöglichen, sind für diesen Sektor Technologien erforderlich, die unter weitaus härteren Bedingungen funktionsfähig sind.
Energiesysteme mit höherer Effizienz
Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts COMPASsCO2(öffnet in neuem Fenster) sollten neue Materialien, Beschichtungen und ein Wärmetauscher entwickelt werden, die in der Lage sind, Solaranlagen bei 700 °C zu betreiben und einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Ein zentraler Aspekt des untersuchten Systems ist der Brayton-Kreisprozess, ein Energieumwandlungssystem, das in Düsentriebwerken und Gasturbinen weit verbreitet ist. In einem Brayton-Kreisprozess wird ein Arbeitsmedium komprimiert, erhitzt und dann durch eine Turbine hindurch expandiert, um dadurch Strom zu erzeugen. „Anstelle von Dampf als Arbeitsmedium verwenden wir überkritisches Kohlendioxid (scCO2). Dabei handelt es sich um einen flüssigen Zustand von Kohlendioxid, der mit außergewöhnlichen Eigenschaften einhergeht, da hier das Verhalten von Gasen und Flüssigkeiten kombiniert ist“, erklärt Projektkoordinator Daniel Benitez.
Robuste Partikel und Legierungen für Extrembedingungen
Das Konsortium erzeugte feste Partikel aus recyceltem Material der Stahlindustrie. Sie dienen sowohl als Medium für die Wärmeübertragung als auch für die Speicherung. Die Partikel, die mit Materialien mit hoher Sonnenabsorptionsfähigkeit beschichtet sind, können extremer Hitze und Erosion widerstehen und gewährleisten eine zuverlässige Langzeitleistung. Ergänzt werden die Partikel durch neuartige Superlegierungen auf Chrombasis(öffnet in neuem Fenster), die so entwickelt wurden, dass sie bei hohen Temperaturen und Drücken oxidations- und korrosionsbeständig sind. Im Gegensatz zu teuren Nickellegierungen bieten die neuen Chromlegierungen eine erschwinglichere und skalierbare Option für Sonnenenergie-Anwendungen und können als Beschichtungen auf weniger widerstandsfähigen modernen Materialien verwendet werden. Der Prototyp des Wärmetauschers wurde erfolgreich getestet und seine Haltbarkeit bei Partikeln über 700 °C und scCO₂ über 200 bar Druck bestätigt. Diese Ergebnisse validieren die technische Machbarkeit der Integration dieser Partikeltechnologie mit scCO₂-Zyklen in Sonnenwärmekraftwerken der nächsten Generation.
Innovative Beschichtungen für praktische Anwendungen
Gemeinsam mit Projektpartnern aus Forschung und Industrie stellte COMPASsCO2 sicher, dass die Ergebnisse für praktische Anwendungen nutzbar sind. Eine der herausragenden Errungenschaften von COMPASsCO2 ist eine Chrom-Silizium-Slurry-Beschichtung, die sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen auszeichnet und die sich einfacher und kostengünstiger aufbringen lässt als herkömmliche Lösungen. Ihre Anwendungen sind nicht auf die Sonnenenergie beschränkt und erstrecken sich auch auf Turbinen. Externe Interessengruppen sind bereits auf die Beschichtung aufmerksam geworden und wollen sie in die Turbinenproduktion integrieren. Auch die FerOx-Partikel können bereits in der kommerziellen Produktion verwendet werden. Die weitere Verfeinerung der technisch-wirtschaftlichen Leistung des Wärmetauschers wird seinen Einsatz in der europäischen Industrie ermöglichen. „Mit Blick auf die Zukunft stellen die COMPASsCO2-Ergebnisse einen Fortschritt für konzentrierende solarthermische Kraftwerke dar und erschließen das wahre Potenzial der Sonnenenergie, um den Übergang zu einer grünen Zukunft anzutreiben“, so Benitez abschließend.
