Steigerung der Lebensdauer solarthermischer Kraftwerke

Qualität und Leistungsfähigkeit funktionaler Materialien haben in solarthermischen Kraftwerken einen großen Einfluss auf die Kosten der Energieproduktion. Elf europäische Partner – Forschungseinrichtungen, Hochschulen und Industrieunternehmen – arbeiten zusammen mit dem marokkanischen Forschungsinstitut MASCIR und dem israelischen Unternehmen BrightSource daran, die Lebensdauer von Schlüsselmaterialien zu verbessern, die in solarthermischen Kraftwerken zum Einsatz kommen. Damit sollen die Kosten der Produktion von Wärme oder Elektrizität gesenkt werden.

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Durch eine Verlängerung der Lebensdauer der Kraftwerkskomponenten, wie zum Beispiel der Heliostatbeschichtungen, können die Kosten für Strom aus solarthermischen Kraftwerken sinken. Das vom europäischen Horizon2020 Forschungs- und Innovationsprogramm geförderte Projekt RAISELIFE wird die Lebensdauer von Schlüsselmaterialien untersuchen und Empfehlungen für Verbesserungen erarbeiten.

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Korrosion schädigt die absorbierende Beschichtung der Receiverstahlrohre eines Solarturms.

Rastermikroskopische Aufnahme eines Querschliffs durch einen Korrosionsfleck eines Glas-Solarspiegels – die Silberschicht korrodierte trotz der beiden darüber liegenden Schutzschichten. Aus: Sutter et al. 2014.

Das EU-Projekt RAISELIFE (Raising the Lifetime of Functional Materials for Concentrated Solar Power Technology) trägt dazu bei, die dringendsten Herausforderungen kommerzieller solarthermischer Kraftwerke anzugehen: die Hochtemperaturoxidation der Absorberbeschichtungen der metallischen Receiver oder die Reflektordegradation.

Das Projektziel ist, die Nutzungsdauer der Materialien von fünf Schlüsselkomponenten solarthermischer Kraftwerke zu erhöhen:

  • Schmutzabweisende Schichten von Silberglas-Reflektoren
  • Hochreflektierende Oberflächen der Solarreflektoren
  • Hochtemperatur-Sekundärreflektoren
  • Receiver-Beschichtungen für Solartürme und linienfokussierende Kollektoren
  • Korrosionsbeständige Hochtemperatur-Metalle und -Beschichtungen für Anwendungen im Dampf- oder Flüssigsalzkontakt.

Lebensdauerverlängerung mit verbesserten Materialien

Die fünf Materialsysteme, die Gegenstand der Forschungen im Projekt sind, werden unter beschleunigten Alterungsbedingungen in Klimakammern unter relevanten Umgebungsbedingungen untersucht. Außerdem werden sie in beschleunigten Freiflächenversuchen unter erhöhter Solareinstrahlung und direkt im Betrieb kommerzieller Solarkraftwerke getestet. Die Partner analysieren die jeweils auftretenden Degradations- und Schädigungsmechanismen. Mithilfe der Ergebnisse will das Konsortium die Materialzusammensetzungen optimieren, damit die Komponenten eine höhere Lebensdauer haben. Die nächste Generation von Materialien, hergestellt von den vier beteiligten Materialentwicklungsinstituten, werden dann unter denselben Bedingungen bewertet, um im Vergleich die Lebensdauerverbesserung zu quantifizieren. Schließlich bewertet das RAISELIFE Konsortium mit gängigen Anlagensimulationstools auch den ökonomischen Nutzen der verbesserten Materialien.

Als Energiespeicher und als Wärmetransferflüssigkeit solarthermischer Kraftwerke kommen sogenannte Solarsalze zum Einsatz. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM führt komplexe Korrosionsversuche an Metallen im Kontakt mit den heißen Salzschmelzen durch. An speziellen Prüfanlagen wird die Korrosion unter den Strömungsbedingungen in den Rohrleitungen nachgestellt. Mittels Langsamzugversuchen (SSRT) werden Belastungskorrosionstests in einer speziellen Zugprüfmaschine durchgeführt, die mit einem Hochtemperatur-Salztank ausgestattet ist.