Im Rahmen des RESTRUCTURE-Projekts, das im Januar 2016 offiziell endete, beschäftigte man sich mit der Validierung einer Pilotanlage im halbtechnischen Maßstab von etwa 74 kWh Leistung, die am Solarturmkraftwerk Jülich (Juelich Solar Tower, STJ), Deutschland, gebaut und betrieben wurde.
Obgleich die Speicherkapazität relativ gering war, konnte hier erstmalig ein Konzept dieser Art unter realitätsnahen Bedingungen für thermochemische Wärmespeicheranwendungen bewertet werden.
Die Herstellung der Redox-Waben
„Die Neuheit der [RESTRUCTURE]-Reaktorbauform bezieht sich auf die Verwendung einer als Baustein dienenden monolithischen Keramikwabenstruktur, in welche das aktive Material auf verschiedene Arten eingearbeitet werden kann“, wie Projektkoordinator Dr. George Karagiannakis erklärt. „Diese Struktur ähnelt sehr jenen keramischen ‘Bausteinen’, die in Katalysatorwandlern von Motorfahrzeugen Einsatz finden.“
In Hinsicht auf die verwendeten Materialien legte Dr. Karagiannakis dar, dass es sich um Stoffe auf Metalloxidbasis (z. B. Kobaltoxid und Manganoxid) handelt. Im Rahmen des Projekts waren grundlegende Entwicklungen erforderlich, um die kompletten Redox-Waben herzustellen. Dabei musste das Projektteam mehrere Herausforderungen meistern.
Zu den hervorstechenden Beispiele für solche Aufgaben zählten die Realisierung eines guten Kompromisses zwischen struktureller Stabilität unter Betriebsbedingungen und der Redoxleistung sowie der Hochskalierung der Produktionsstrategien, die zunächst im Labormaßstab entwickelt wurden. Das Projektkonsortium hatte jedoch mit den meisten dieser Herausforderungen bereits gerechnet und in einigen Fällen Ausweichoptionen in der Schublade bereitgehalten.
Die Vorteile der monolithischen Wabenstrukturen hängen mit der einfacheren Reaktorkonstruktion, die sie ermöglichen, und der einem derartigen System innewohnenden Modularität zusammen.
„Von entscheidender Bedeutung ist, dass Probleme wie spezielle Maßnahmen zur Verhinderung des Aufbaus eines Hochtemperaturabfalls während des Betriebs, Materialrückführung und zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen im Zusammenhang mit effizienter Teilcheneindämmung im System in Betracht gezogen werden müssen, wenn ‘konventionelles’ Pulver/kleine Partikel in feststehenden oder beweglichen Reaktorbauformen beabsichtigt sind“, führte Dr. Karagiannakis näher aus. „Dadurch kann die Komplexität des Systems deutlich zunehmen, was letztlich den Gesamtwirkungsgrad verringert. Beim Überdenken der Wabenreaktorbauformen breitete jedoch keine dieser Fragen besondere Sorge.“
Die Konfiguration des Reaktor-/Wärmetauschersystems
Während der Projektlaufzeit wurden zunächst umfassende Tests im Labormaßstab durchgeführt, um geeignete Formulierungen zu ermitteln und zu bestätigen. Die konzipierte halbtechnische Pilotanlage war eine Anordnung von Waben, die im Wesentlichen im Maßstab vergrößerte strukturierte Körper auf Grundlage der kleinmaßstäblichen Versuchsergebnisse waren.
Die im Rahmen des RESTRUCTURE-Projekts untersuchten Redox-Systeme erfordern maximale Temperaturen von ungefähr 1000 Grad, um in Betrieb zu sein, aber derart hohe Temperaturen sind derzeit in den existierenden kommerziellen Solarkraftwerken (Concentrated Solar Power, CSP) nicht realisierbar.
Bei einer Energiespeicherkapazität von ungefähr 25 kW wurde das System aus einem Seitenstrom des heißen Arbeitsmediums (d. h. heißer Luft) gespeist, das durch den Solar-Receiver am STJ-Teststandort erzeugt wurde.
Während des Ladens sowie aufgrund der Tatsache, dass die maximale Temperatur der durch den Solar-Receiver bereitgestellten Heißluft etwa 700 Grad betrug, wurde, um die erforderliche Temperatur von 1000 Grad für die Ladereaktion zu erreichen, ein Brenner verwendet, der die zusätzlich erforderliche Wärme liefernte. Während der Entladung passierte kältere Luft die geladene monolithische Baugruppe und die erzeugte Wärme wurde aus dieser Strömung abgeführt, wodurch deren Temperatur am Reaktor-/Wärmetauscherauslass steigt.
Auf diese Weise wird ein Teil der in dem Luftstrom enthaltenen Energie in den Waben gespeichert und die Strömung verlässt das System mit niedrigerer Temperatur, die aber immer noch hoch genug ist, um einen Dampfkraftzyklus anzutreiben und Strom zu erzeugen. Ist keine Energie von der Sonne verfügbar, sinkt die Temperatur der Luftströmung stark, aber wenn sie durch das Speichersystem geleitet wird, wird eine Wärmeabgabereaktion ausgelöst, wodurch die Temperatur der Luft steigt, was wiederum dazu dient, den Kraftzyklus zu betreiben.
Wie weiter nach RESTRUCTURE?
Dr. Karagiannakishat betont, dass der innerhalb von RESTRUCTURE verfolgte Ansatz als Technik der „nächsten Generation“ gilt, und dass die zukünftige Kommerzialisierung der Technologie stark von der erfolgreichen industriellen Entwicklung einer nächsten Generation von Hochtemperatur-/Hocheffizienz-CSP-Technologien abhängt. Diese Entwicklung ist derzeit im Gange, allerdings außerhalb des formellen Rahmens des Projekts an sich.
„Wir suchen intensiv nach Wegen der Fortsetzung unserer Forschungsbemühungen sowie zur Weiterentwicklung der Technologie“, bestätigt Dr. Karagiannakis. „Speziell die Hochskalierungs- und Optimierungsstrategien stehen im Mittelpunkt unserer zielgerichteten nächsten Schritte.“
Insgesamt leistete das Projekt durch Design und Validierung seines neuartigen Wabenreaktors/Wärmetauschers einen Beitrag zu einem ersten wichtigen Schritt hin zum Nachweis der grundsätzlichen Effizienz eines neuen Konzepts für thermochemische Wärmespeicheranwendungen.
Nun hofft man, dass ein Folgeprojekt initiiert werden kann, um auf den Resultaten von RESTRUCTURE aufzubauen und die Technologie in Richtung vorkommerzielle Phase voranzutreiben.
