Quasi-geschlossene Heliostatenfeld-Regelung eines Multi-Kammer Reaktors zur solaren Wasserstofferzeugung
Laufzeit: 1.10.2018 – 31.7.2022
Thermochemische Redox-Kreisprozesse zur Herstellung von Wasserstoff, die auf einem Solarturm stattfinden, benötigen höhere Temperaturen als Prozesse zur Stromerzeugung. Außerdem erfordern diese Prozesse im Zeitablauf mitunter die Anpassung der Prozessparameter, zum Beispiel der Temperatur. Daraus ergeben sich besondere Anforderungen an das Heliostatfeld: Die Spiegel müssen die Solarstrahlung höher konzentrieren und dementsprechend genauer gefertigt sein sowie der Sonne genauer nachgeführt werden können.
Das Projekt H2Loop greift dies auf. Forschende entwickeln dabei eine vollautomatisierte Regelung per Heliostatfeld für die Prozesstemperatur in einem solchen solarchemischen Multi-Kammer-Reaktor. Das neuartige, quasi-geschlossene Regelungskonzept (H2Loop) basiert auf mehreren Innovationen: einem modellbasierten Optimierungstool, einem echtzeitfähigen Kommunikationsnetzwerk, einem Online-Kalibrierverfahren der Heliostate und einem neuen Hochfokus-Heliostaten.
Modellbasiertes Optimierungstool
Im vom DLR entwickelten modellbasierten Optimierungstool soll der zukünftige Zustand (Temperaturen, Reaktionsgrade und Partialdrücke) des aus mehreren Reaktorkammern bestehenden Solarreceivers berechnet und so optimiert werden, dass möglichst viel Wasserstoff hergestellt wird und gleichzeitig ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Dazu soll das Tool vorschlagen, auf welche Reaktoren die Heliostate wann zielen sollen, also wie die zur Verfügung stehende Solarleistung auf die einzelnen Reaktoren verteilt werden soll.
Heliostate vor den Jülicher Solartürmen
Über 2.000 bewegliche Spiegel reflektieren das einfallende Sonnenlicht auf die Solar-Receiver an der Spitze der Türme.
Um der vom Optimierungstool gewünschten Verteilung der Solarstrahlung auf dem Solartrum möglichst nahe zu kommen, wird ein neuer Hochfokus-Heliostat von der Hilger GmbH entwickelt. Verbesserungen, unter anderem in der Antriebstechnik und der Fertigungstechnik, sollen die Genauigkeit erhöhen und Kosten reduzieren.
Echtzeitfähiges Kommunikationsnetzwerk
Dazu passend wird ein echtzeitfähiges Kommunikationsnetzwerk zwischen den einzelnen Heliostaten im Feld und der Leitstelle des Kraftwerks federführend durch die Synhelion Germany GmbH entwickelt. Dazu stimmen die Forschenden die Kommunikationshardware am Heliostaten und das Netzwerkprotokoll so aufeinander ab, dass sie die Informationen in beide Richtungen zuverlässig und mit nur minimalen und akzeptablen Verzögerungen übertragen.
Online-Kalibrierverfahren
Das vom Solarinstitut Jülich (SIJ) entwickelte Online-Kalibrierverfahren soll ermöglichen, Ausrichtungsfehler der Heliostaten direkt während des Betriebs zu erkennen und zu korrigieren. Es werden mehrere Verfahren evaluiert und getestet, unter anderem ein lasergestütztes sowie ein kamerabasiertes Verfahren. Durch die Online-Kalibrierung wird die Nachführgenauigkeit weiter verbessert.
Die genannten Innovationen sollen eine Regelung des Wasserstofferzeugungsprozesses ermöglichen und dessen Ertrag steigern. Zusammen mit der Kostenreduktion der Einzelkomponenten soll so die Wirtschaftlichkeit der solaren Wasserstofferzeugung erhöht werden.
