Solarstrom für 6 Cent/kWh: Entwicklung eines low-cost Heliostaten mit Dünnfilmreflektor am NASA Jet Propulsion Laboratory

Heliostaten stellen einen wesentlichen Kostenfaktor bei der Errichtung und dem
Betrieb solarthermischer Kraftwerke dar. Sie können bis zu 50% der gesamten Anlagekosten
ausmachen. Das U.S. Department of Energy (DOE) verfolgt mit der Ausschreibung der
SunShot Initiative das Ziel, die Energiekosten für Solarstrom auf 6 US-Cent pro kWh zu
reduzieren. Da die Leistung von Solarturmkraftwerken (Concentrated Solar Power Anlagen)
proportional zur installierten Spiegelfläche und der Genauigkeit der Sonnennachführung ist,
spielt die Entwicklung kostengünstiger und leistungsstarker Heliostaten eine besondere Rolle.
Die Kosten der Heliostatfläche müssen von den aktuell erreichbaren ~ $ 200 - 250/m2 auf ~ $
100/m2 reduziert werden.
Am NASA Jet Propulsion Laboratory wurde im Rahmen eines vom DOE geförderten Projektes
in Zusammenarbeit mit der TU Graz ein Heliostat entwickelt, welcher durch Einsatz von
Schaumkern-Sandwichpaneelen und Dünnfilmreflektoren eine signifikante Gewichts- und
Kostenreduktion ermöglicht. Die Spiegel wurden umfangreichen Reflektivitäts- und
Lebensdauertests unterzogen, sowie mittels Reverse Shack-Hartman Methode
photogrammetrisch charakterisiert. Verschiedene Kosten-Nutzen-Analysen ergaben eine
kostenoptimale Heliostatgröße von etwa 100m2, wobei hierbei auch Installations- und
Verkabelungskosten beachtet wurden. Ein kabelloser, autarker Heliostat, welcher über PV-
Module und Batterie mit Energie versorgt wird und über Wi-Fi kommuniziert, erwies sich als
kostengünstigste Variante. Basierend auf dieser Größenabschätzung wurde eine
mechanische Grundstruktur entworfen, welche nicht nur durch konsequenten Leichtbau,
sondern auch durch Optimierung von Transport und Montage die Kosten des Heliostaten
weiter reduziert. Abschließend wurde ein 3x2m Heliostat-Prototyp konstruiert, gebaut und
getestet. Das CAD Modell wurde mit den Software Tools ANSYS und COMSOL unter
Windlasten von bis zu 35 mph im Betrieb und 85 mph in Parkposition (Stow) simuliert, wobei
ein optischer Gesamtwinkelfehler der mechanischen Grundstruktur von unter 1 mrad RMS
ermittelt wurde.