Neue Rekorde bei der Solarumwandlungseffizienz gibt es heutzutage wie Sand am Meer, und die Kosten für PV-Module sinken weiter wie ein Stein. Anscheinend haben wir aber noch nichts gesehen. Forscher weisen darauf hin, dass PV-Zellen nur einen Teil des Sonnenspektrums nutzen. Die nächste große Sache in der Solarenergie ist die Nutzung von hoher Wärme in Systemen, die das gesamte Spektrum von einem Ende zum anderen nutzen.
Das Arbeitspferd für konzentrierende Solarenergie
Wenn Sie denken, dass konzentrierte Solarenergie der Schlüssel ist, dann haben Sie Recht. Für diejenigen unter Ihnen, die neu in diesem Thema sind, bezieht sich konzentrierende Solarenergie auf Systeme, die Energie von der Sonne sammeln, indem sie sie in einem Feld von spezialisierten Spiegeln oder reflektierenden Rinnen sammeln und sie auf einen kleineren Punkt oder ein Rohr fokussieren.
Konzentrierende Solarstromsysteme erzeugen nicht direkt Strom, aber sie erzeugen viel Wärme, die zum Kochen von Wasser verwendet werden kann, um Dampf zum Betreiben einer Turbine zu erzeugen, die Strom erzeugt.
Wenn das nach viel Arbeit für ein paar saubere Kilowatt klingt, ist es das auch. Bereits während der Obama-Regierung wiesen Skeptiker darauf hin, dass CSP-Systeme zu komplex und kostspielig seien. CSPs sind jedoch auf ein wärmespeicherndes Medium wie geschmolzenes Salz oder Öl angewiesen, was bedeutet, dass sie potenziell rund um die Uhr Strom erzeugen können, ohne dass die Kosten für ein zusätzliches Batteriesystem anfallen.
Darüber hinaus müssen CSPs keinen Strom erzeugen, um nützlich zu sein. Viele industrielle Prozesse sind auf Wärme angewiesen, und hier kommt der neue Wasserstoff-Perowskit-Winkel ins Spiel.
Konzentrierende Solarenergie schlägt fossile Energie für Hochtemperaturarbeiten
CleanTechnica Dass etwas Neues im Gange ist, wurde erstmals 2018 bemerkt, als das US-Energieministerium und seine Forschungspartner begannen, über die potenzielle Nutzung konzentrierender Solarenergie in Anwendungen mit hoher Wärmeentwicklung zu sprechen
Insbesondere ein High-Heat-CSP-System könnte Temperaturen erzeugen, die weit über den Möglichkeiten typischer fossiler Kraftwerke liegen. John Shingledecker vom Electric Power Research Institute erklärte den Reiz CleanTechnica im Telefoninterview:
„Viele der Entwicklungen stammen von Dampfkreisläufen oder Kohlekesseln fossiler Kraftwerke, aber sie reichen nur bis 620 Grad Celsius“, sagte er. „Siebenhundert Grad und mehr waren Gegenstand zahlreicher Studien – zum Beispiel fortschrittliche überkritische Technologie, die überkritische CO2-Energiekreisläufe auf der Grundlage von CO2 als Arbeitsmedium umfasst.“
Überkritisches CO2 (sCO2) ist die flüssige Form von Kohlendioxid. Sobald die Knicke ausgearbeitet sind, könnte sCO2 das Feld der konzentrierenden Solarenergie mit einem nicht brennbaren, ungiftigen Ersatz für geschmolzenes Salz oder Öl versorgen.
Beim Betrieb einer Turbine könnte sCO2 auch die Basis für einen neuen kompakten, hocheffizienten Energiekreislauf sein. Die Forscher stellen fest, dass der typische dampfbetriebene Rankine-Kraftzyklus einen Wirkungsgrad von 33 % hat, während sCO2 den Einsatz eines Brayton-Zyklus mit einem Wirkungsgrad von über 40 % ermöglichen würde. Die Auswirkungen auf die Größe der Turbinen wären erheblich und würden eine typische 20-Meter-Turbine auf nur 1 Meter schrumpfen.
Der grüne Wasserstoffwinkel
Wo waren wir? Ach ja, das neue Solar thermochemisches Wasserstoff (STCH)-Produktionssystem vorgeschlagen vom National Renewable Energy Laboratory des Energieministeriums.
Das Energieministerium begann im vergangenen Sommer mit dem Start einer Reihe von „Energy Earthshot“-Initiativen, die der Führung des ehrgeizigen Sunshot-Programms für erschwingliche PV folgen. Der allererste Energy Earthshot konzentrierte sich auf sauberen Wasserstoff, der anscheinend etwas Spielraum für weniger als grünen Wasserstoff ließ.
Das Hauptaugenmerk von Hydrogen Shot scheint jedoch grüner Wasserstoff zu sein, und darauf hat NREL seine Aufmerksamkeit gerichtet.
„Wasserstoff hat sich zu einem wichtigen Träger für die Speicherung von Energie entwickelt, die aus erneuerbaren Ressourcen gewonnen wird, als Ersatz für fossile Brennstoffe, die für den Transport, die Herstellung von Ammoniak und für andere industrielle Anwendungen verwendet werden“, betont NREL.
Erdgas und Kohle sind seit Jahrzehnten die Hauptquellen für Wasserstoff. Die aufstrebende grüne Alternative ist die Elektrolyse, die erneuerbare Energien zur Stromerzeugung nutzt. Bei Anwendung auf Wasser mit einem Katalysator drückt der Strom Wasserstoffgas aus dem Wasser.
Jetzt geht es darum, die Kosten für die Elektrolyse zu senken. Das Energieministerium hat sich ein Ziel von 1,00 $ pro Kilogramm für grünen Wasserstoff innerhalb der nächsten 10 Jahre gesetzt, was ziemlich ehrgeizig ist, wenn man bedenkt, dass die Kosten letzten Sommer bei etwa 5,00 $ lagen.
Das STCH-System bietet einen alternativen Weg zu 1,00 US-Dollar, indem die Elektrolyse zugunsten eines wärmebasierten chemischen Prozesses aufgegeben wird.
„STCH stützt sich auf einen zweistufigen chemischen Prozess, bei dem Metalloxide Temperaturen von mehr als 1.400 Grad Celsius ausgesetzt und dann mit Dampf bei niedrigeren Temperaturen reoxidiert werden, um Wasserstoff zu erzeugen“, erklärt das NREL-Team.
Der Perowskit-Twist
Bevor Sie ganz aufgeregt sind, erklärt das Team auch, dass sich die STCH-Systeme noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden. Das Haupthindernis liegt im Bereich der fortschrittlichen Materialien, und das Team strebt Perowskite an, die bei großer Hitze eine hohe Leistung erbringen sollen.
Interessant! Perowskit bezieht sich auf eine Familie von im Labor gezüchteten synthetischen kristallinen Materialien mit interessanten optischen Eigenschaften. Sie sind in den letzten Jahren zu einem heißen Studiengebiet im PV-Bereich geworden.
Dies ist das erste Mal, dass wir sie im Bereich der Solarthermie gesehen haben, aber wenn es um niedrigere Kosten geht, ist Perowskit der Name.
Alle interessanten Details finden Sie in der NREL-Studie, die in der Zeitschrift Renewable Energy unter dem Titel „System- und technoökonomische Analyse der solarthermochemischen Wasserstofferzeugung.”
Zu den nächsten Schritten gehört es, tiefer in das Perowskit-Feld einzudringen, um Varianten zu identifizieren, die die Leistungs- und Kostenziele erreichen können.
Nächste Schritte zur Konzentration von Solarenergie
Das solarbetriebene thermochemische Wasserstofferzeugungssystem von NREL ist nur ein Teil eines globalen Puzzles aus konzentrierender Solarenergie, das unter zusammengesetzt ist die SolarPACES-Organisation.
SolarPACES ist ein Programm der Internationalen Energieagentur. Der Name steht für Solar Power and Chemical Energy Systems und beschäftigt sich seit den 1970er Jahren mit dem Thema, was nicht zufällig das Jahrzehnt ist, aus dem das National Renewable Energy Laboratory hier in den USA hervorgegangen ist.
Jetzt sieht es so aus, als würde sich die ganze harte Arbeit auszahlen.
„SolarPACES hat seit den allerersten Tagen ab 1977 eine prägende Rolle in der CSP-Forschung gespielt, und die Rolle hat sich ausgeweitet, als der Markt für einsatzbereite Solarenergie für den heutigen kommerziellen Einsatz in vollem Umfang definierter wurde“, erklärt SolarPACES.
Die 28. jährliche SolarPACES-Konferenz findet diesen September in Albuquerque, New Mexico, statt, also bleiben Sie dran, um mehr darüber zu erfahren.
In der Zwischenzeit haben Fans konzentrierender Solarenergie bereits den Mars als nächste Gelegenheit für den Einsatz von CSP ins Auge gefasst, also bleiben Sie dran, um auch dazu mehr zu erfahren.
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Bildnachweis: Konzept für ein thermochemisches konzentrierendes Solarstromsystem für Produktion von grünem Wasserstoff von Patrick Davenport/NREL.
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