Technologie

Schmutzsensor für die Solarthermie

28.07.2022 - Erfolgreicher Testlauf einer vollautomatisierten, optischen Messmethode.

Solar­thermische Kraftwerke – ob Parabolrinnen oder Turmkraftwerke – werden meist in sonnen­reichen Wüstengebieten errichtet. Verschmutzungen durch Sand und Staub führen hier zu hohen Unsicher­heiten bei der Ertrags­prognose und erhöhten Betriebskosten. Im Projekt AVUSpro haben das Fraunhofer-Institut für Solare Energie­systeme ISE und die Unternehmen PSE Instruments, TSK Flagsol Engineering und Dornier Suntrace ein vollautomatisches Gerät zur Verschmutzungs­messung entwickelt. Die vier Partner haben das Messgerät erfolgreich in einem solaren Parabol­rinnen-Kraftwerk in Kuwait getestet. Mit den gesammelten Daten können Reinigungs­techniken und -zyklen optimiert werden, um den Ertrag zu steigern und die Kosten und den Wasserverbrauch zu minimieren.

Für Kraftwerksbetreiber ist ein präzises Verschmutzungs­monitoring eine wichtige Voraussetzung, um Reinigungs­zyklen besser planen zu können. Eine gute Kenntnis der Verschmutzungs­charakteristika und -raten sind zudem bereits für Standortwahl und Qualifizierung eines Kraftwerks­projekts nötig, da die mit Unsicherheiten verbundenen Finanzierungs­kosten, Ertragsm­inderungen sowie Reinigungskosten für die Wirtschaft­lichkeit der Kraftwerke entscheidend sind. „Bei konzentrierenden Kraftwerks­systemen ist Verschmutzung eine besondere Herausforderung, da die Streuung der Sonneneinstrahlung an den Staubpartikeln zu hohen Ertrags­verlusten führt“, sagt Gregor Bern, Gruppenleiter Konzen­trierende Kollektoren und Optiken. „Mit dem Messgerät AVUS haben wir nun ein weltweit einmaliges Gerät entwickelt, das automatisiert und kosten­effizient täglich den Verschmutzungs­grad im laufenden Kraftwerks­betrieb misst.“

Das Messgerät basiert auf einem auto­matisierten Reflektometer. Dieses misst den Verschmutzungs­grad eines kleinen Spiegels, der wie die Parabol­rinnen des Kraftwerks ausgerichtet ist und durch die Umwelteinflüsse über die Zeit verstaubt. Ein Mal pro Stunde wird der Spiegel automatisch an einem Schwenkarm zu einer Messöffnung geführt, wo der Reflexions­grad durch eine eigens entwickelte optische Messtechnik bestimmt wird. Im Gerät selbst befindet sich ein Referenz­spiegel, der über die Zeit nicht verschmutzt. „Ziel war es, ein komplett autonom arbeitendes Messsystem mit einer Online-Anbindung zur Daten­übertragung zu schaffen, da solar­thermische Anlagen oft in abgelegenen Regionen und auf einer großen Fläche installiert werden“, sagt Jan Steinmetz von PSE Instruments.

Seit November 2021 befinden sich drei Prototypen des Geräts im Parabol­rinnen-Kraftwerk Shagaya des Kuwait Institute for Scientific Research (KISR) im Westen Kuwaits im Praxistest. Die Geräte sind an verschiedenen Standorten innerhalb der 250 Hektar großen Anlage mit fünfzig Megawatt Nennleistung installiert, um lokale Abweichungen der Verschmutzungs­raten zu erfassen. Der Meteodienstleister Dornier Suntrace, der auch für Aufbau und Betreuung der Stationen verantwortlich zeichnet, erstellt aus den automatisch ausgewerteten Verschmutzungs­daten und Wetterdaten monatliche Berichte. „Aus den erhobenen Daten lässt sich der Verschmutzungs­grad der Anlage sehr präzise ablesen, so besteht zum Beispiel eine hohe Korrelation zu Wetter­daten wie Sandstürmen oder Regenfällen“, sagt Raul Granados von Dornier Suntrace. „Die aufbereiteten Daten erlauben es uns als Anlagen­betreiber sowie dem Eigentümer KISR, Reinigungs­zyklen zu optimieren und damit den Wasser­einsatz und Betriebskosten zu reduzieren“, sagt Sonia Martinez von TSK Flagsol.

Neben der Langzeit­erprobung des Messstandes plant das Forscherteam einen ähnlichen Test in einem Kraftwerk mit Solarturm-Technologie. Die automatisch gewonnenen Ver-schmutzungsdaten sollen zudem exemplarisch in einer umfangreichen Messkampagne mit aufwendig händisch gemessenen Verschmutzungs­raten verglichen werden. 
Eine weitere Forschungsfrage, die das Team vertiefen möchte, ist die Analyse der Verschmutzungs­raten und deren Verteilung im Feld. Die Daten ermöglichen eine Optimierung der Reinigungs­zyklen, um Kosten und Aufwand für den Betrieb zu reduzieren und den Ertrag zu erhöhen. Erste vielver­sprechende Ergebnisse weisen Einsparpotenziale bis zu 25 Prozent der Reinigungs­kosten und bis zu 19 Prozent des Wasserverbrauchs aus. Langfristig ist die Kommerziali­sierung des Messgeräts für den inter­nationalen Solarmarkt, sowohl der Solarthermie als auch der Photovoltaik, geplant.

Fh.-ISE / JOL

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