Es ist modular aufgebaut, lässt sich einfach einsetzen und kann industrielle Prozesswärme von bis zu 1.300 Grad Fahrenheit erzeugen. So lautet die Devise für eine neue konzentrierende Solarstromanlage, die mit wärmespeichernden Kacheln in Form eines transparenten, schwammartigen Aerogels ausgestattet ist. Das ultimative Ziel ist es, fossile Energie aus schwer zu dekarbonisierenden Bereichen des Industriesektors zu entfernen. Wo sind nun all die Leute, die dachten, die Konzentration der Solarenergie sei eine Sackgasse?
Konzentrieren der Sonnenenergie auf jeden: Der Bericht über meinen Tod war…
Konzentrierende Solaranlagen sollen Wärme liefern, nicht Strom. Sie arbeiten, indem sie das Umgebungssonnenlicht von vielen verschiedenen Punkten sammeln, typischerweise von einer Reihe spezialisierter Spiegel oder einer Reihe langer Rinnen. Das konzentrierte Licht wird bei Spiegeln auf einen zentralen Punkt, bei Rinnen auf lange Röhren fokussiert. Die Wärme wird dann auf ein transportables, rezirkulierendes Fluid wie geschmolzenes Salz oder ein spezielles Öl übertragen.
Typischerweise wird das heiße Fluid dann verwendet, um Wasser zur Dampferzeugung zu kochen. Der Dampf wiederum wird verwendet, um Turbinen zur Stromerzeugung anzutreiben. Da stellt sich die Frage, warum man nicht einfach Solarzellen direkt zur Stromerzeugung nutzt und die ganze Dampfproduktion überspringt. Schließlich bringt das Steam-Ding mehr Infrastruktur, mehr Komplexität und mehr Kosten mit sich.
Das war das Grundargument der Kritiker der konzentrierten Solartechnik in den Anfangsjahren. Eine der Attraktionen der konzentrierten Solarenergie ist jedoch der Energiespeicherwinkel. Ist das zirkulierende Medium einmal erhitzt, kann es stundenlang heiß bleiben, sodass ein Dampfkraftwerk auch nach Sonnenuntergang noch Kilowatt produzieren kann.
…Eine Übertreibung
Trotz einer Flut von Kritik begann das US-Energieministerium während der gesamten Obama-Regierung, konzentrierte Solarenergie als Schaufenster für amerikanisches Know-how im Bereich saubere Energie zu fördern. Das Energieministerium trug weiterhin die Fackel für zusätzliche technologische Verbesserungen während der Regierung, die der Obama-Regierung folgte und seitdem durch die Biden-Regierung ersetzt wurde. Die Projekte umfassten einige interessante Schritte im Bereich des überkritischen Kohlendioxids und andere Innovationen, die darauf abzielten, Solarenergie zu ermöglichen, mit fossiler Energie um die Kontrolle des nationalen Stromnetzes zu konkurrieren.
Das ist schön und gut für die Dekarbonisierung der Stromerzeugung, lässt aber den Bereich der industriellen Prozesswärme noch offen.
Anfang dieses Jahres hat das National Renewable Energy Laboratory des Energieministeriums die Zahlen herausgegeben und die Notwendigkeit aufgezeigt, etwas dagegen zu unternehmen industrielle Prozesswärme, wie Papierfabriken und andere industrielle Prozesse, die Wärme benötigen.
„Fossile Brennstoffe machen etwa 87% des gesamten Kraftstoffverbrauchs in den Vereinigten Staaten aus, was im Wesentlichen der gleiche ist wie vor vier Jahrzehnten“, bemerkte NREL und betonte die Notwendigkeit eines strategischen Ansatzes.
Ironischerweise hängt ein Großteil des Kraftstoffverbrauchs in der Herstellung mit der Erdölraffination zusammen. Basierend auf den Zahlen aus dem Jahr 2014 schätzt NREL, dass die Erdölindustrie bei weitem der bedeutendste Verbraucher von Brennstoffen für industrielle Prozesswärme ist, mit dem 2-1/2-fachen des nächstgrößten Verbrauchers.
Von den Erdölraffinerien in der Größe nach unten gezählt, zählt NREL die größten industriellen Prozesswärmenutzer wie Papierfabriken (außer Zeitungspapier), Kartonfabriken, Eisen- und Stahlherstellung, chemische Grundprodukte und Ethylalkoholproduktion. Zusammen mit Erdöl machen diese Sektoren etwa die Hälfte der gesamten industriellen Prozesswärme in den USA aus.
Neues Leben für konzentrierte Solarenergie
Neben anderen Solartechnologien weist der neue NREL-Bericht darauf hin, dass konzentrierende Solarsysteme mit Parabolrinnenkollektoren der Schlüssel zu einer effizienten Strategie zur Dekarbonisierung industrieller Prozesse sein könnten.
„PTC-Technologie in Kombination mit thermischen Energiespeicher (TES) hat nicht nur die größte Chance bei der Verteilung über Geografie und Zeit, sondern auch in Bezug auf die geltenden IPH-Anforderungen“, schwärmt NREL und fügt hinzu, dass „PTC mit TES die Verdrängung von fast 2.500 Billionen Btus an Verbrennungskraftstoffen, das entspricht 137 Millionen Tonnen CO2 oder etwa 15 % aller CO2-Emissionen der industriellen Verbrennung.“
All dies soll sagen, dass Verbesserungen der Parabolrinnen-Technologie die Emissionen der industriellen Energieverbraucher erheblich senken könnten.
Hier kommt das neue Aerogel ins Spiel. Letzte Woche gab die University of Michigan bekannt, dass sie einen Zuschuss des Energieministeriums in Höhe von 3,1 Millionen US-Dollar für die Entwicklung von ein neues „solartransparentes Aerogel“ für den Einsatz in konzentrierenden Solarkraftwerken in Trogbauweise.
„Parabolrinnen-Kraftwerke, die derzeit am weitesten verbreitete Solarthermie-Technologie, verwenden eine Art verspiegelte Halfpipe, um das Sonnenlicht auf Receiverrohre mit einer zirkulierenden Flüssigkeit zu konzentrieren. Diese Flüssigkeit absorbiert Wärme und transportiert sie zur Speicherung oder Verwendung – zur Stromerzeugung oder zur Herstellung von Kraftstoffen und anderen Chemikalien“, erklärt die Schule.
Das Problem ist, dass herkömmliche Trogsysteme das zirkulierende Fluid nicht hoch genug erhitzen, um viele industrielle Prozesse anzutreiben. Mithilfe spezieller Beschichtungen können sie bis zu 1.000 Grad Fahrenheit erreichen, wodurch sie einige industrielle Anwendungsfälle abdecken können, aber viele andere bleiben unberührt, weshalb die Forscher nach Aerogelen und anderen neuen Beschichtungen gesucht haben, die haltbarer sind und effizienter.
Ein Liebesbrief von der NASA an die Erde
Angesichts der Tatsache, dass die USA die frühen Jahre der globalen Solarindustrie durch ihr Raumfahrtprogramm dominierten, passt es gut, dass sich das Forschungsteam der University of Michigan von den keramischen Aerogelen inspirieren ließ, die im Space Shuttle verwendet werden.
Ein Aerogel ist ein extrem leichtes, poröses Material. Tone und Polymere gehören zu den Materialien, die üblicherweise bei der Herstellung von Aerogelen verwendet werden. Um ein vollständiges Bild davon zu bekommen, was mit Aerogelen passiert, lädt die NASA Sie ein, sich vorzustellen, Gelatine aus Pulver und Wasser herzustellen, dann das gesamte Wasser zu entfernen, aber der Gelatine zu ermöglichen, eine feste Form und Struktur beizubehalten – das heißt, ohne zu wackeln.
Sowohl die NASA als auch das Energieministerium sind aufgrund ihrer überlegenen Isoliereigenschaften sehr an Aerogelen interessiert, was erklärt, warum sie unter anderem an der Außenseite des Space Shuttles aufgetaucht sind.
Der Trick besteht darin, das meiste Sonnenlicht für den effektivsten Wärmegewinn einzulassen und gleichzeitig zu verhindern, dass die meiste Wärme entweicht. Das Team hat mit der Firma zusammengearbeitet AeroShield-Materialien seine neuen transparenten Aerogel-Fliesen zu entwickeln, die für den Einsatz in einer standardmäßigen vier Meter langen Parabolrinne ausgelegt sind.
Auch die Haltbarkeit kommt ins Bild. Mit Unterstützung der Firma Nano schmieden, verfügen die Aerogel-Fliesen über eine spezielle, atomdünne Beschichtung, die verhindert, dass sie bei hoher Hitze abgebaut oder gerissen werden.
Das Team ist zuversichtlich, dass das neue Aerogel es Parabolrinnen-Solaranlagen ermöglichen wird, eine zirkulierende Flüssigkeit auf bis zu 1.300 Grad Fahrenheit zu erhitzen. Sie stellen sich auch ein modulares, skalierbares System vor, das in großem Umfang an Industriestandorten eingesetzt werden könnte.
Nächste Schritte zur Konzentration von Solarenergie
Mit der neuen Finanzierung wird das Team in der Lage sein, ein Demonstrationssystem im Pilotmaßstab zu bauen. Der Plan beinhaltet auch die Entwicklung von Fertigungsstrategien, die die Effizienz steigern und die Kosten senken.
Zusätzlich zu den 3,1 Millionen US-Dollar für das Demonstrationsmodell erhielt das Team auch einen Zuschuss vom Energieministerium in Höhe von 300.000 US-Dollar, der darauf abzielt, Materialien zu identifizieren, die bei konzentrierenden Solarsystemen für ein noch effektiveres Gleichgewicht zwischen Wärmegewinn und Wärmeverlust sorgen.
Es sieht so aus, als ob die Solarindustrie kurz vor dem Eintritt in das Zeitalter der Transparenz steht. Neben transparenten Aerogelen für konzentrierende Solaranlagen erfährt auch die Photovoltaik ein transparentes Makeover.
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Foto: “Ein sonnentransparentes Aerogel wird in ein Gerät gesteckt, das eine atomdicke Beschichtung für den Einsatz in solarthermischen Kraftwerken aufbringen wird.“ Bildnachweis: Evan Dougherty/Michigan Engineering.
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