SI/502256

Schlussbericht

Die Nutzung alternativer Kraftstoffe wurde als wichtiger Hebel zur Reduzierung des CO2-Fussabdrucks insbesondere im Luft- und Seefernverkehr identifiziert. Ein technologischer Weg zu ihrer Herstellung führt über die Umwandlung von Biomasse (d. h. landwirtschaftliche Rückstände, Abfälle oder Gülle). Zu diesem Zweck wird die Biomasse fermentiert und das Biogas durch konzentrierte Sonnenenergie zu Synthesegas veredelt. Um die erforderlichen Temperaturen zu erreichen, wird das Sonnenlicht durch ein Feld von Spiegeln gebündelt und auf die Spitze eines Turms fokussiert, wo ein Receiver die Strahlung in Hochtemperaturwärme umwandelt. Die Entwicklung effizienter Solar-Receiver ist ein Eckpfeiler der Technologie und wurde durch ein aktuelles Design von Synhelion vorangetrieben, das den Treibhauseffekt nutzt, um hohe Temperaturen bei vergleichsweise geringen Konzentrationen der Sonnenstrahlung zu erreichen. Das FUELRECII-Projekt untersucht die Konstruktion und Erprobung von zwei verschiedenen Solarreceivern und trägt so dazu bei, die Technologie zu verbessern und ihre Umsetzung in einem zukünftigen Anlagenentwurf vorzubereiten. Die Aktivitäten des FUELRECII-Projekts konzentrieren sich hauptsächlich auf zwei Bereiche: Entwurf und Konstruktion des ersten vorkommerziellen 0,6-MW-Receivers (SM3) Bau und Erprobung des 250-kW-SM1D-Receiverprototyps auf der Sonne Was den ersten Punkt betrifft, so wurde der erste vorkommerzielle 0,6-MW-Receiver (SM3) entworfen und durch eine Reihe von CFD-Simulationskampagnen sorgfältig analysiert, mit dem zweifachen Ziel: (i) ein tiefes Verständnis der physikalischen Phänomene, die im Hohlraum stattfinden, sowie ihrer gegenseitigen Wechselwirkung zu erlangen und (ii) sein Design zu optimieren, um die Menge der von der Wärmeträgerflüssigkeit gesammelten Sonnenenergie zu maximieren. Der Receiver befindet sich derzeit im letzten Teil der Konstruktionsphase. Der feuerfest ausgekleidete Hohlraum von SM3 wurde im Durchmesser im Vergleich zu SM1D um den Faktor zwei vergrössert, was eine Vervierfachung der Leistung (1 MW) ermöglichen würde, wie ursprünglich angestrebt. Aufgrund der begrenzten Landfläche, die für die industrielle Demonstrationsanlage zur Verfügung stand, musste die Grösse des Solarfelds jedoch reduziert werden, und die Aperturfläche des Receivers wurde für 0,6 m 2 oder 600 kW konzentrierte Solareingangsleistung ausgelegt. Dennoch wurde für SM3 eine segmentierte Fensteröffnung gewählt, die auf einer Abfolge von Viertelquarzröhren basiert, im Vergleich zum flachen Quarzfenster von SM1D. Obwohl das segmentierte Fenster nicht mehr vollständig luftdicht ist, konnte durch spezifische CFD-Simulationen die effektive atmosphärische Abdichtung durch die vorgeschlagene Lösung beobachtet werden. Die Herstellbarkeit und das Zuschneiden der Viertelquarzröhren wurden durch spezifische Tests bestätigt, die von den Lieferanten durchgeführt wurden. Beide Konzepte, die leichte Wärmedämmung des Hohlraums auf der Basis von Fasermodulen sowie die segmentierte Fensteröffnung, sind auf einen kommerziellen Multi-Megawatt-Massstab skalierbar. Eine innovative Lösung zur Isolierung des Receivers wurde ebenfalls vorgeschlagen und durch einen CFD-basierten Ansatz bewertet. Diese aktive Wärmedämmlösung besteht aus einem Bündel gerader Rohre, die parallel zur Hohlraumachse verlaufen und wenige Zentimeter von den inneren Hohlraumwänden entfernt in das herkömmliche Isoliermaterial integriert sind. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird vorgewärmt, indem sie durch das Rohrbündel vom hinteren Teil des Receivers zum vorderen Abschnitt fliesst, wo sie in den Hohlraum geleitet wird. Trotz des komplexeren mechanischen Designs sind die wichtigsten Vorteile dieser Lösung: eine Reduzierung der thermischen Masse des Receivers (nützlich zur Reduzierung der Transienten) und eine leichte Reduzierung des Wärmeverlusts von den Aussenflächen. Aufgrund der Rückmeldungen des Dämmungsherstellers zu den Herausforderungen bei der Installation gebogener Rohre durch die Dämmung wurde jedoch beschlossen, die Umsetzung der aktiven Wärmedämmung zu vermeiden und stattdessen einen herkömmlichen Verteiler zur Dampfeinspeisung in den Hohlraum zu verwenden. Darüber hinaus wurde auch ein vorläufiger Entwurf der Innenkühlung der Receiveröffnung auf der Grundlage einer Reihe von parallel zur Öffnung verlaufenden Radialstrahlen vorgeschlagen und bewertet. Der 250-kW-SM1D-Receiverprototyp wurde gebaut und dann von Juli 2022 bis Oktober 2023 für Tests auf der Sonne genutzt. Während der Konstruktions- und Bauphase wurde besonderes Augenmerk auf die Entwicklung eines geeigneten Wasserkühlsystems für den Sekundärkonzentrator gelegt, der während einer der experimentellen Kampagnen einige Fehlfunktionen aufwies. Im Allgemeinen lieferte SM1D zuverlässig Dampf mit Temperaturen von über 1000 °C und wurde erfolgreich mit einem gasbeheizten Reformer zur Erzeugung von solarem Synthesegas gekoppelt.

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