Die konzentrierenden solarthermischen Kraftwerke – ob nun Parabolrinnen oder Turmkraftwerke – werden meist in sonnenreichen Wüstengebieten gebaut. Hier sind sie immer wieder intensiven Verschmutzungen ausgesetzt, sowohl durch Sand als auch durch Staub. Das Resultat sind Staubschichten vor allem auf den Spiegeln, die zu geringeren Erträgen führen.
Im schlimmsten Fall können sich sogar feste Schmutzschichten auf den Spiegeln bilden, wenn der Staub mit nur leichter Feuchtigkeit in Verbindung kommt und dieses Gemisch in der Sonne trocknet. „Bei konzentrierenden Kraftwerkssystemen ist Verschmutzung eine besondere Herausforderung, da die Streuung der Sonneneinstrahlung an den Staubpartikeln zu hohen Ertragsverlusten führt2, erklärt Gregor Bern, Gruppenleiter Konzentrierende Kollektoren und Optiken am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE).
Verschmutzungen minütlich messen
Um diesem Problem Herr zu werden, haben die Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit den Entwicklern von PSE Instruments, TSK Flagsol Engineering und Dornier Suntrace ein vollautomatisches Gerät zur Verschmutzungsmessung entwickelt. Dieses könne automatisiert und kosteneffizient täglich den Verschmutzungsgrad im laufenden Kraftwerksbetrieb messen, betont Bern. Mit den Daten aus dem Verschmutzungsmonitoring, das mit dem Messgerät möglich wird, können die Betreiber der Kraftwerke in Zukunft die Reinigungszyklen besser planen und damit Wirtschaftlichkeit der Anlagen erhöhen.
Testspiegel zeigt den Verschmutzungsgrad an
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 im gleichen Maße verstaubt, wie die großen Spiegel. Ein Schwenkarm führt diesen kleinen Spiegel ein Mal stündlich automatisch an einem Schwenkarm zu einer Messöffnung. Dort wird der Reflexionsgrad durch eine vom Fraunhofer ISE entwickelte optische Messtechnik bestimmt.
Dieser Reflexionsgrad wird dann mit einem Referenzspiegel abgeglichen, der geschützt im Messgerät untergebracht ist und so staubfrei bleibt. Aus der Differenz der beiden Reflexionsgrade kann die tatsächliche Verschmutzung der Spiegel des Kraftwerks abgeschätzt werden.
Daten werden online übertragen
Das Gesamtsystem mit Mechanik und einem Datenlogger wurde von PSE Instruments entwickelt. „Ziel war es, ein komplett autonom arbeitendes Messsystem mit einer Onlineanbindung zur Datenübertragung zu schaffen, da solarthermische Anlagen oft in abgelegenen Regionen und auf einer großen Fläche installiert werden“, sagt Jan Steinmetz, Leiter der Abteilung Test Equipment bei PSE Instruments.
Reinigungszyklen optimieren
Drei der neuen Messgeräte haben die Projektpartner auch schon im Feld getestet. Denn sie liefern seit November 2021 Daten aus dem Parabolrinnenkraftwerk Shagaya, das das Kuwait Institute for Scientific Research (KISR) im Westen Kuwaits betreibt. Die Geräte sind an verschiedenen Standorten innerhalb der 250 Hektar großen Anlage mit 50 Megawatt Leistung installiert, um lokale Abweichungen der Verschmutzungsraten zu erfassen. Der Meteodienstleister Dornier Suntrace, der auch für Aufbau und Betreuung der Stationen verantwortlich ist, 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“, beschreibt Raul Granados von Dornier Suntrace, die ersten Ergebnisse des Testbetriebs. „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 mit Blick auf die Einsatzbereiche des neuen Messgeräts. Erste Ergebnisse zeigen Einsparpotenziale von bis zu 25 Prozent bei den Reinigungskosten und bis zu 19 Prozent beim Wasserverbrauch.
Auch für die Photovoltaik geeignet
Neben diesen ersten Feldtests wollen die Projektpartner das Gerät jetzt auch in einem Solarturmkraftwerk einem ähnlichen Test unterziehen. Die automatisch gewonnenen Verschmutzungsdaten sollen zudem exemplarisch in einer umfangreichen Messkampagne mit aufwendig händisch gemessenen Verschmutzungsraten verglichen werden. Außerdem wollen die Forscher und Entwickler die Verschmutzungsraten und deren Verteilung im Feld analysieren. Wenn diese Tests erfolgreich verlaufen, werden die Projektpartner das Messgeräts sowohl für die Solarthermie als auch für die Photovoltaik auf den internationalen Markt bringen. (su)
