Wie Neigungssensoren Solarthermie effizienter machen
5504 °C Oberflächentemperatur, 4,57 Milliarden Jahre alt, hundertfach größer als die Erde. Als zentrales Gestirn am Himmel setzt die Sonne pro Sekunde das 20.000-fache des Energiebedarfs der Menschheit frei. Solarenergie wird daher auch als eine der wichtigsten Antworten auf die Frage nach rentablen erneuerbaren Energien angesehen. Pepperl+Fuchs bietet hierzu verschiedene Produkte, wie den F199-Neigungssensor zur präzisen Messung von Neigungswinkeln und Positionsmessungen an. In diesem Blogbeitrag erklären wir, was CSP-Anlagen (Concentrated Solar Power) sind und wie Neigungssensoren von Pepperl+Fuchs sie noch produktiver machen …
Was sind CSP-Anlagen?
Solarkraftanlagen oder CSP-Anlagen funktionieren nach dem Grundprinzip der Strahlenbündelung durch Spiegel oder optische Linsen. Durch die Fokussierung der Sonnenstrahlen auf eine kleine Fläche wird ein Trägermedium (bspw. Thermoöl) so stark erhitzt, dass der entstehende Wasserdampf eine Turbine antreibt. Zu den bekanntesten und meist erprobten Arten von CSP-Anlagen gehören Parabolrinnen– und Turmkraftwerke.
Parabolrinnen
Weltweit sind 95 % der kommerziell eingesetzten Solarkraftanlagen Parabolrinnenanlagen. Durch effizientere Herstellungsverfahren sowie Betriebs- und Wartungskosten gehören sie zu den günstigsten Anlagenarten. Das grundlegende technische Prinzip von Parabolrinnenanlagen beruht auf fokussierenden Refklektorflächen, die das Sonnenlicht auf ein Empfängerrohr bündeln. Im Empfängerrohr wird dabei eine Flüssigkeit (bspw. Salzschmelze) zwischen 150 °C und 380 °C erhitzt und der daraus entstehende heiße Dampf an eine Turbine weitergeleitet. Der abgekühlte Dampf wird mithilfe eines abgeschlossenen Systems wieder in die Empfängerrohre überführt. Auch Fresnel-Kollektoranlagen funktionieren nach dem gleichen Grundprinzip und sind somit eine Alternative zu Parabolrinnen.
Turmkraftwerke
Bei Turmkraftwerken werden Tausende Sonnennachlauf-Reflexionsspiegel (Heliostaten) auf eine kleine Kollektorfläche an der Spitze des sogenannten Leistungsturms konzentriert. Hierbei sind Temperaturen von mehreren 1000 °C möglich, wobei die maximal verwertbare Energie bei rund 1300 °C liegt. Durch die hohen Temperaturen werden im Turm Wärmeträgermedien wie flüssiges Nitratsalz, Wasser oder Luft verdampft, die eine Dampf- oder Gasturbine antreiben. Da Turmkraftwerke meist in wüstenähnlichen Landschaften gebaut werden, kann zur Abkühlung des Wärmeträgermediums häufig kein Wasser verwendet werden. Trockenkühlanlagen umgehen dieses Problem, indem sie das Wärmeträgermedium soweit herunterkühlen, bis es wieder in der Spitze des Turmes zum Einsatz kommt.
Auf den Winkel kommt es an
Damit Tausende Spiegel einer CSP-Anlage die maximale Sonneneinstrahlung auf einen Absorber konzentrieren können, benötigt es einer feinen Abstimmung der Winkelposition der Reflektorspiegel durch Sensoren. Wie wichtig hochpräzise Sensoren, wie der F199- oder F99-Neigungssensor von Pepperl+Fuchs, sind, zeigt sich anhand des geringen Wirkungsgrades von CSP-Anlagen durch ungenaue Winkeleinstellungen. Unter exakten Direkteinstrahlungen liegt der Nettowert an erzeugtem Strom bei rund 16 %.
Der vermeintlich geringe Output wird durch fünf Verlustfaktoren beeinflusst:
- 13 % Cosinus-Verlust durch einachsige Nachführungen
- 21 % Verlust durch Verschmutzungen, Nachführungsfehler etc.
- 10 % Verlust durch Wärmeabstrahlung am Absorber und Feldverlust
- 38 % Verlust durch Kondensatoren
- 2 % Verlust durch Eigenbedarf bei nachführenden Solaranlagen
Mit dem hochpräzisen Neigungssensor F199 kann der gezeigte Leistungsverlust auf ein Minimum reduziert werden. Möglich wird dies durch seine hochpräzise Genauigkeit von ±0,15° – über den gesamten Messbereich von 0 bis 360° über beide Achsen. So können zum einen der Cosinus-Verlust, also der Verlust durch schräg einfallende Sonneneinstrahlung als auch Nachführungsfehler minimiert und der Energieoutput maximiert werden.
Aber nicht nur die hohe Präzision macht den F199/F99 für CSP-Anlagen zum idealen Neigungssensor, sondern auch seine robuste Bauweise. Da CSP-Anlagen bevorzugt in abgelegenen und häufig wüstenähnlichen Umgebungen installiert werden, müssen verbaute Sensoren auch extremen Bedingungen wie Sandstürmen, Temperaturschwankungen und Reinigungsvorgängen widerstehen. Damit Wartungsarbeiten möglichst gering ausfallen und ein reibungsloser Betrieb der Anlagen möglich ist, besteht das Gehäuse des F199 aus korrosionsbeständigem Aluminium. Zusätzlich ist die verbaute Elektronik fest vergossen und weist dadurch die Schutzart IP68/69 auf. Auch wurde auf die extremen Temperaturschwankungen in Wüsten reagiert, die je nach Region zwischen 70 °C am Tag und bis zu -10 °C in der Nacht erreichen können. Der erweiterte Temperaturbereich des F199 von -45 bis +85 °C erlaubt somit seinen Einsatz auch in den heißesten Wüstengebieten der Erde.
CSP-Anlagen können in der Zukunft einen signifikanten Beitrag bei der Stromerzeugung durch erneuerbare Energien auf der Welt leisten. Werden die weltweit geplanten Investitionen in CSP-Anlagen umgesetzt, können bis zum Jahr 2050 rund 25 % des weltweit erzeugten „Ökostroms“ aus der Solarthermie stammen. Mit der richtigen Technik sind rentable Ziele auch heute schon zu erreichen, insbesondere dann, wenn man einem Hersteller wie Pepperl+Fuchs vertrauen kann. Dies zeigt sich auch in den Absatzzahlen des F99, von dem jedes Jahr mehrere tausend Sensoren in Solarprojekte verkauft werden.
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