Solarthermie: Energie der Sonne optimal nutzen – mit einem Trick

Nachhaltigen Technologien gehört die Zukunft. In Deutschland wurden bis Ende 2020 knapp zwei Millionen Photovoltaik-Anlagen mit einer Gesamtleistung von etwa 54 Gigawatt installiert. Hinzu kommen Windenergieanlagen an Land mit zirka 54,4 Gigawatt und auf See mit 7,75 Gigawatt. Die Stromerzeugung aus Wasserkraft liegt bei rund 5,6 Gigawatt. Und aus Biomasse wurden etwa 9,3 Gigawatt Strom bereitgestellt.

Diese erneuerbaren Energien werden aber nicht ausreichen, um bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen. Der Bruttostromverbrauch lag im Jahr 2020 bundesweit bei rund 545 Terawattstunden. 55% des gesamten Energieverbrauchs gehen dabei auf Heizen und Kühlen zurück. Viele Heizungen arbeiten mit fossilen Brennstoffen wie Gas oder Öl. Die Sonne liefert zwar eine gewaltige Leistung. 90 Minuten Strahlungsenergie könnten rein rechnerisch den gesamten Energiebedarf der Welt für ein Jahr decken. Doch Solarzellen haben nur einen begrenzten Wirkungsgrad. Ingenieurinnen und Ingenieure am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP in Dresden ist es jetzt gelungen, mehrere Technologien zu entwickeln, um Wärme im Zuge der Solarthermie optimal zu speichern. Ein Überblick.

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Solarthermie: Innovative Beschichtungen für Sonnenkollektoren

Dazu gehören in erster Linie Verfahren, um Beschichtungen zu optimieren. Im Bereich der Solarthermie arbeiten Ingenieurinnen und Ingenieure mit Schichten, die im sichtbaren und im ultravioletten Spektralbereich des Sonnenlichts eine starke Absorption aufweisen. Ihre Emission im infraroten Spektralbereich soll gering sein, um Verluste nach Möglichkeit zu minimieren. Gleichzeitig ist eine hohe thermische und photochemische Stabilität für lange Lebenszeiten erforderlich.

Um dies zu realisieren, arbeitete das Fraunhofer-Team mit Systemen aus mehreren Schichten. Jede dieser Layer hat eine genau festgelegte Dicke. Sie werden auf Absorberrohren von Vakuumröhrenkollektoren abgeschieden. Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus evakuierten Glasröhren. Die Rohre tragen Beschichtungen, um Wärme gut zu absorbieren. Energie wird durch eine wärmeleitende Flüssigkeit abtransportiert. Die Energie kann als Prozesswärme genutzt werden oder Wärmespeicher aufladen. Bleibt als Nachteil: Wärmespeicher brauchen viel Platz, denn große Volumina an Flüssigkeit sind erforderlich.

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Zeolith-Granulate für Wärmespeicher in der Solarthermie 

Bislang wird vor allem Wasser eingesetzt, um Wärme zu transportieren und zu speichern. Forschende am Fraunhofer FEP zeigen, dass sich nanoporöse Zeolith-Granulate besser eignen. Zeolithe sind Silicate. Sie haben eine höhere Wärmespeicherkapazität als Wasser, was dazu beiträgt, Platz zu sparen und Verluste zu minimieren. Sie speichern Wärme nicht direkt, sondern über einen Umweg.

In energiebeladenem Zustand sind Zeolithe trocken. Die Energie liegt chemisch gespeichert vor. Leitet man Wasserdampf durch das Granulat, gibt es Wärme ab. Der Prozess ist schon länger bekannt, hat aber eine Schwachstelle. Die Mineralien selbst haben eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Der Übergang thermischer Energie wird dadurch erschwert.

Aluminium-Beschichtungen verbessern Eigenschaften der Zeolithe

Im Rahmen des Projekts Projekt „ZeoMet“ hat das Fraunhofer-Team eine praxistaugliche Lösung gefunden. Forschende beschichteten granulierte Zeolithe oberflächlich mit Aluminium. Das Metall ist als guter Wärmeleiter bekannt. Gleichzeitig wurde weder die Aufnahme noch die Abgabe von Wasser beeinträchtigt. Doch das Verfahren erwies sich als recht anspruchsvoll. Denn eine Million Pellets haben insgesamt etwa 3,6 Quadratmeter an Oberfläche. Und Aluminiumschichten von zehn Mikrometern Dicke sind für Vakuumverfahren eine Herausforderung.

Die Lösung: Forschende arbeiteten mit der thermischen Verdampfung. Sie erhitzten Aluminiumdraht auf einer Keramikplatte im Vakuum. Dabei wird Aluminium gasförmig. Das Metall schlägt sich auf dem Granulat nieder. Um gleichmäßige Beschichtungen zu erzielen, müssen die Pellets in einer Trommel ständig bewegt werden. Ihr Verfahren führte zum gewünschten Erfolg.

Ausblick: Abwärme nutzen, mit Zeolithen kühlen  

Die neuen Zeolithe eignen sich nicht nur für die Solarthermie. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen im nächsten Schritt, wie es gelingen könnte, beispielsweise Abwärme aus Fahrzeugen zu nutzen, um das Innere von Autos oder Lkw zu kühlen – und Energie effizient zu nutzen. Thermochemische Kreisläufe dieser Art erfordern jedoch neue Materialien.

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