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Optimierter Betrieb von Solarturm-Receivern

In OPTOP werden Design und Betrieb des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island eines Solarturmkraftwerks verbessert. Dafür wird innovative Messtechnik in ein Monitoringsystem basierend auf Machine Learning und Digital Twin integriert. Das Projekt OPTOP hat drei Kernthemen: a) Sensorik für Receiver: In einem integralen Messkonzept für den Receiver wird die verbesserte Erfassung der Receiveroberflächentemperatur mittels Infrarotkameras, eine nicht-invasive Erfassung der Fluidtemperatur im Receiver, eine betriebsbegleitende Strahlungsdichtemessung und die kamerabasierte Reflexionsgradvermessung des Receivers implementiert. Die Sensordaten werden gemäß den Prinzipien von Industrie 4.0 und dem IoT aufbereitet und für die Betriebsoptimierung und das Receivermonitoring bereitgestellt. b) Receivermonitoring und intelligente Betriebsstrategien: Basierend auf dem umfassenden Sensorinput und einem parallellaufenden Digital Twin-Modell des Receivers wird ein Monitoringsystem entwickelt, das mittels Machine Learning-Methoden ein Überschreiten der Receiver-Betriebsgrenzen im Voraus erkennt und dem Betreiber einen sicheren Betrieb erleichtert. Darauf aufbauend wird mit dynamischen Zielpunkt- und Defokussierstrategien und O&M-Zyklen eine intelligente Betriebsstrategie entwickelt, die den Betrieb der Solar Island sowohl energetisch als auch ökonomisch optimiert. c) Transientes Receiverdesign: Eine Methodik für das Design des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island wird entwickelt, welche das integrale System für maximalen Ertrag im transienten Kraftwerksbetrieb optimiert. Dafür wird der Einsatz variabler Flussschemata untersucht, für welche - um die Grenzen des erlaubten Einsatzbereichs nicht zu überschreiten - die umfassende Kenntnis des Receiverzustands im Betrieb basierend auf Sensorik und Digital Twin notwendig ist. Die entwickelte Sensorik und Simulations-Methodik wird im Labor und im Turmsystem Cerro Dominador in Chile implementiert und getestet.

Solarfeld-Messungen zur Steigerung der Performanz, Teilvorhaben: Entwicklung von Receiver- und Heliostatfeldüberwachungsmethoden

Das Ziel von LEIA ist es, smarte Steuerungsstrategien sowie Lösungen für Betrieb und Wartung auf einem vorkommerziellen Entwicklungsniveau am Beispiel eines kommerziellen Solarturmkraftwerks in Chile zu kombinieren und zu integrieren. LEIA wird sich technologischen und industriellen Hindernissen in Bezug auf den zentralen Receiver sowie das Heliostatfeld stellen. Durch die Verwendung intelligenter Kalibrierungsverfahren sollen Kosten gesenkt und dadurch strategische Vorteile auf dem Markt für punktfokussierende Systeme (solare Turmkraftwerke) geschaffen werden, die wiederum gesteigerte Attraktivität für Investoren schaffen. LEIA ist ein internationales Verbundvorhaben mit den deutschen Partnern DLR und CSP Services, dem assoziierten Partner Siemens Energy, sowie vier spanischen Partnern aus Forschung und Industrie. Außerdem steht zu Demonstrationszwecken das chilenische Kraftwerk Cerro Dominador zur Verfügung. In mehreren Arbeitspaketen werden Kalibrier-, Monitoring- und Charakterisierungsverfahren aus der Forschung auf den Stand von Prototypen gebracht, welche im Anschluss von der Industrie zur Produktreife kommen sollen. Genauer handelt es sich um die indirekte Messung der Flussdichte auf der Receiveroberfläche, der Messung der ortsaufgelösten Temperatur des Receivers, der Receivereffizienz, sowie der ortsaufgelösten Verschmutzung des Solarfelds. Im zweiten Teil des Vorhabens werden diese Entwicklungen getestet und es wird evaluiert auf welche Weise diese Entwicklungen in ein Gesamtsystem zur intelligenten Steuerung und Wartung von Solarturmkraftwerken einfließen können.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1803: EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota, Landschaftsentwicklung unter Berücksichtigung des tektonischen Spannungsfeldes: Direkte Kopplung von Tektonik und dem Einfluss von Biota auf die langfristige Landschaftsentwicklung in den Küstengebirge von Chile

In der Topografie der Chilenischen Küstengebirge ändert sich die Beziehung aus Neigung und Seehöhe systematisch von Nord nach Süd. Diese Beziehung kann durch den Einfluss von Biota auf die Landschaftsentwicklung entlang eines räumlichen Vegetationsgradienten interpretiert werden. Die Region bietet daher eine einzigartige Möglichkeit um zu erforschen, wie Landschaftsentwicklungsmodelle für den Einfluss von Biota adaptiert werden könnten. Es ist dafür geplant ein numerisches Modell zu verwenden, das die Antragsteller in Österreich entwickelt haben, mit dem Oberflächenprozesse (Erosion) auf einem mechanisch gekoppelten Raster beschrieben werden können. Das gut bekannte tektonische Spannungsfeld von Chile wird dazu verwendet, um die morphologische Hebung der Küstengebirge zu modellieren. Die Beschreibung der Oberflächenprozesse wird dann für den Einfluss von Biota moduliert, bis die beobachtete Beziehung aus Neigung und Seehöhe der Topografie reproduziert wird. Das Ergebnis ist ein quantitatives Werkzeug (ein Biota modulierte Erosionsgesetz), mit dem die relative Wichtigkeit von Biota und Tektonik auf Erosionsprozesse in Landschaftsentwicklungsmodellen beschrieben werden kann. Das Projekt ist ein eingeladener (österreichischer) Beitrag für das EarthShape Programm, weil: (a) die Benutzung des tektonischen Spannungsfeldes von Chile im Programm Portfolio fehlt, weil (b) der nummerische Code der hier benutzt wird in Deutschland nicht verfügbar ist und (c) weil die Fragestellung im Herz von Schwerpunktprogramms ist. Das Projekt wird 1 Jahr dauern und Ergebnisse werden dem deutlich länger laufenden Gesamt-Schwerprunkt Programm zur Verfügung gestellt.

Optimierter Betrieb von Solarturm-Receivern, Teilvorhaben: Infrarotbasierte Oberflächentemperaturmessung

In OPTOP werden Design und Betrieb des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island eines Solarturmkraftwerks verbessert. Dafür wird innovative Messtechnik in ein Monitoringsystem basierend auf Machine Learning und Digital Twin integriert. Das Projekt OPTOP hat drei Kernthemen: a) Sensorik für Receiver: In einem integralen Messkonzept für den Receiver wird die verbesserte Erfassung der Receiveroberflächentemperatur mittels Infrarotkameras, eine nicht-invasive Erfassung der Fluidtemperatur im Receiver, eine betriebsbegleitende Strahlungsdichtemessung und die kamerabasierte Reflexionsgradvermessung des Receivers implementiert. Die Sensordaten werden gemäß den Prinzipien von Industrie 4.0 und dem IoT aufbereitet und für die Betriebsoptimierung und das Receivermonitoring bereitgestellt. b) Receivermonitoring und intelligente Betriebsstrategien: Basierend auf dem umfassenden Sensorinput und einem parallellaufenden Digital-Twin-Modell des Receivers wird ein Monitoringsystem entwickelt, das mittels Machine-Learning-Methoden ein Überschreiten der Receiver-Betriebsgrenzen im Voraus erkennt und dem Betreiber einen sicheren Betrieb erleichtert. Darauf aufbauend wird mit dynamischen Zielpunkt- und Defokussierstrategien und O&M-Zyklen eine intelligente Betriebsstrategie entwickelt, die den Betrieb der Solar Island sowohl energetisch als auch ökonomisch optimiert. c) Transientes Receiverdesign: Eine Methodik für das Design des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island wird entwickelt, welche das integrale System für maximalen Ertrag im transienten Kraftwerksbetrieb optimiert. Dafür wird der Einsatz variabler Flussschemata untersucht, für welche - um die Grenzen des erlaubten Einsatzbereichs nicht zu überschreiten - die umfassende Kenntnis des Receiverzustands im Betrieb basierend auf Sensorik und Digital Twin notwendig ist. Die entwickelte Sensorik und Simulations-Methodik wird im Labor und im Turmsystem Cerro Dominador in Chile implementiert und getestet.

Optimierter Betrieb von Solarturm-Receivern, Teilvorhaben: Entwicklung und Verifizierung aktiver nicht-invasiver Temperatursensierung im Hochtemperaturbereich

In OPTOP werden Design und Betrieb des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island eines Solarturmkraftwerks verbessert. Dafür wird innovative Messtechnik in ein Monitoringsystem basierend auf Machine Learning und Digital Twin integriert. Das Projekt OPTOP hat drei Kernthemen: a) Sensorik für Receiver: In einem integralen Messkonzept für den Receiver wird die verbesserte Erfassung der Receiveroberflächentemperatur mittels Infrarotkameras, eine nicht-invasive Erfassung der Fluidtemperatur im Receiver, eine betriebsbegleitende Strahlungsdichtemessung und die kamerabasierte Reflexionsgradvermessung des Receivers implementiert. Die Sensordaten werden gemäß den Prinzipien von Industrie 4.0 und dem IoT aufbereitet und für die Betriebsoptimierung und das Receivermonitoring bereitgestellt. b) Receivermonitoring und intelligente Betriebsstrategien: Basierend auf dem umfassenden Sensorinput und einem parallellaufenden Digital-Twin-Modell des Receivers wird ein Monitoringsystem entwickelt, das mittels Machine-Learning-Methoden ein Überschreiten der Receiver-Betriebsgrenzen im Voraus erkennt und dem Betreiber einen sicheren Betrieb erleichtert. Darauf aufbauend wird mit dynamischen Zielpunkt- und Defokussierstrategien und O&M-Zyklen eine intelligente Betriebsstrategie entwickelt, die den Betrieb der Solar Island sowohl energetisch als auch ökonomisch optimiert. c) Transientes Receiverdesign: Eine Methodik für das Design des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island wird entwickelt, welche das integrale System für maximalen Ertrag im transienten Kraftwerksbetrieb optimiert. Dafür wird der Einsatz variabler Flussschemata untersucht, für welche - um die Grenzen des erlaubten Einsatzbereichs nicht zu überschreiten - die umfassende Kenntnis des Receiverzustands im Betrieb basierend auf Sensorik und Digital Twin notwendig ist. Die entwickelte Sensorik und Simulations-Methodik wird im Labor und im Turmsystem Cerro Dominador in Chile implementiert und getestet.

Optimierter Betrieb von Solarturm-Receivern, Teilvorhaben: Online-Monitoring-System

In OPTOP werden Design und Betrieb des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island eines Solarturmkraftwerks verbessert. Dafür wird innovative Messtechnik in ein Monitoringsystem basierend auf Machine Learning und Digital Twin integriert. Das Projekt OPTOP hat drei Kernthemen: a) Sensorik für Receiver: In einem integralen Messkonzept für den Receiver wird die verbesserte Erfassung der Receiveroberflächentemperatur mittels Infrarotkameras, eine nicht-invasive Erfassung der Fluidtemperatur im Receiver, eine betriebsbegleitende Strahlungsdichtemessung und die kamerabasierte Reflexionsgradvermessung des Receivers implementiert. Die Sensordaten werden gemäß den Prinzipien von Industrie 4.0 und dem IoT aufbereitet und für die Betriebsoptimierung und das Receivermonitoring bereitgestellt. b) Receivermonitoring und intelligente Betriebsstrategien: Basierend auf dem umfassenden Sensorinput und einem parallellaufenden Digital-Twin-Modell des Receivers wird ein Monitoringsystem entwickelt, das mittels Machine-Learning-Methoden ein Überschreiten der Receiver-Betriebsgrenzen im Voraus erkennt und dem Betreiber einen sicheren Betrieb erleichtert. Darauf aufbauend wird mit dynamischen Zielpunkt- und Defokussierstrategien und O&M-Zyklen eine intelligente Betriebsstrategie entwickelt, die den Betrieb der Solar Island sowohl energetisch als auch ökonomisch optimiert. c) Transientes Receiverdesign: Eine Methodik für das Design des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island wird entwickelt, welche das integrale System für maximalen Ertrag im transienten Kraftwerksbetrieb optimiert. Dafür wird der Einsatz variabler Flussschemata untersucht, für welche - um die Grenzen des erlaubten Einsatzbereichs nicht zu überschreiten - die umfassende Kenntnis des Receiverzustands im Betrieb basierend auf Sensorik und Digital Twin notwendig ist. Die entwickelte Sensorik und Simulations-Methodik wird im Labor und im Turmsystem Cerro Dominador in Chile implementiert und getestet.

Optimierter Betrieb von Solarturm-Receivern, Teilvorhaben: Optimierung von Design und Betrieb der Solar Island

In OPTOP werden Design und Betrieb des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island eines Solarturmkraftwerks verbessert. Dafür wird innovative Messtechnik in ein Monitoringsystem basierend auf Machine Learning und Digital Twin integriert. Das Projekt OPTOP hat drei Kernthemen: a) Sensorik für Receiver: In einem integralen Messkonzept für den Receiver wird die verbesserte Erfassung der Receiveroberflächentemperatur mittels Infrarotkameras, eine nicht-invasive Erfassung der Fluidtemperatur im Receiver, eine betriebsbegleitende Strahlungsdichtemessung und die kamerabasierte Reflexionsgradvermessung des Receivers implementiert. Die Sensordaten werden gemäß den Prinzipien von Industrie 4.0 und dem IoT aufbereitet und für die Betriebsoptimierung und das Receivermonitoring bereitgestellt. b) Receivermonitoring und intelligente Betriebsstrategien: Basierend auf dem umfassenden Sensorinput und einem parallellaufenden Digital-Twin-Modell des Receivers wird ein Monitoringsystem entwickelt, das mittels Machine-Learning-Methoden ein Überschreiten der Receiver-Betriebsgrenzen im Voraus erkennt und dem Betreiber einen sicheren Betrieb erleichtert. Darauf aufbauend wird mit dynamischen Zielpunkt- und Defokussierstrategien und O&M-Zyklen eine intelligente Betriebsstrategie entwickelt, die den Betrieb der Solar Island sowohl energetisch als auch ökonomisch optimiert. c) Transientes Receiverdesign: Eine Methodik für das Design des Receivers als zentraler Schnittstelle der Solar Island wird entwickelt, welche das integrale System für maximalen Ertrag im transienten Kraftwerksbetrieb optimiert. Dafür wird der Einsatz variabler Flussschemata untersucht, für welche - um die Grenzen des erlaubten Einsatzbereichs nicht zu überschreiten - die umfassende Kenntnis des Receiverzustands im Betrieb basierend auf Sensorik und Digital Twin notwendig ist. Die entwickelte Sensorik und Simulations-Methodik wird im Labor und im Turmsystem Cerro Dominador in Chile implementiert und getestet (Text abgebrochen)

Solarfeld-Messungen zur Steigerung der Performanz, Teilvorhaben: Demonstration und Validierung der Receiver- und Heliostatfeldüberwachungsmethoden

Das Ziel von LEIA ist es, smarte Steuerungsstrategien sowie Lösungen für Betrieb und Wartung auf einem vorkommerziellen Entwicklungsniveau am Beispiel eines kommerziellen Solarturmkraftwerks in Chile zu kombinieren und zu integrieren. LEIA wird sich technologischen und industriellen Hindernissen in Bezug auf den zentralen Receiver sowie das Heliostatfeld stellen. Durch die Verwendung intelligenter Kalibrierungsverfahren sollen Kosten gesenkt und dadurch strategische Vorteile auf dem Markt für punktfokussierende Systeme (solare Turmkraftwerke) geschaffen werden, die wiederum gesteigerte Attraktivität für Investoren schaffen. LEIA ist ein internationales Verbundvorhaben mit den deutschen Partnern DLR und CSP Services, dem assoziierten Partner Siemens Energy, sowie vier spanischen Partnern aus Forschung und Industrie. Außerdem steht zu Demonstrationszwecken das chilenische Kraftwerk Cerro Dominador zur Verfügung. In mehreren Arbeitspaketen werden Kalibrier-, Monitoring- und Charakterisierungsverfahren aus der Forschung auf den Stand von Prototypen gebracht, welche im Anschluss von der Industrie zur Produktreife kommen sollen. Genauer handelt es sich um die indirekte Messung der Flussdichte auf der Receiveroberfläche, der Messung der ortsaufgelösten Temperatur des Receivers, der Receivereffizienz, sowie der ortsaufgelösten Verschmutzung des Solarfelds. Im zweiten Teil des Vorhabens werden diese Entwicklungen getestet und es wird evaluiert, auf welche Weise diese Entwicklungen in ein Gesamtsystem zur intelligenten Steuerung und Wartung von Solarturmkraftwerken einfließen können.

Umwelt- und Klimaarchive der südlichen Anden: Ein Schlüssel zum Verständnis globaler Einflüsse

Es werden verschiedene Umwelt- und Klimaarchive im Hinblick auf deren Eignung zur Rekonstruktion postglazialer Klimabedingungen im Gebiet der südlichen Anden untersucht. Neben dendroökologischen Analysen von Jahrringsequenzen werden Seesediment- und Torfarchive untersucht. Entlang eines Ost-West-Transektes in den südlichsten Andenausläufern Chiles wurden Stammscheiben von Pilgerodendrum uviferum, Nothofagus betuloides, N. antarctica and N. pumilio gewonnen. Diese werden in den Messlabors des Institut für Waldwachstum präpariert, vermessen und analysiert. Das Institut für Waldwachstum wirkt bei der statistischen Analyse der Dendrozeitreihen mit.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1803: EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota, Diversität und funktionelle Merkmale mikrobieller Gemeinschaften im unterirdischen terrestrischen Lebensraum entlang eines klimatischen Gradienten: von der Oberfläche zur Verwitterungsfront in der Tiefe

In dem Projekt werden Diversität und funktionelle Eigenschaften von mikrobiellen Gemeinschaften erfassten, die im unterirdischen Teil der 'Critical Zone (CZ)' terrestrischer Lebensräumen leben, entlang eines Gradienten von Aridität, d.h. dem EarthShape Transekt in der küstennahen Cordillera in Chile. Es wird überprüft, ob (1) der terrestrische unterirdische Lebensraum verbunden mit der oberirdischen CZ und damit von klimatischen Bedingungen beeinflusst ist. Die CZ ist eine dünne lebende Schicht der Erde, die Atmosphäre und Geosphäre verbindet. Sie wird zunehmend von menschlichen Aktivitäten beeinflusst. Der unterirdische Teil der CZ mit der Verwitterungszone ist ein aktiver Teil der tiefen Biosphäre, die aus Lebensräumen unterhalb der Erdoberfläche besteht und zu den am wenigsten verstandenen Lebensräumen der Erde zählt. Verwitterungsprozesse transformieren hartes und biologisch inertes Muttergestein zu brüchigem verwitterten Gestein, das eine hervorragende Grundlage für Organismen darstellt und aus dem sich Boden entwickelt. Daher ist die Verwitterung von Gestein ganz entscheidend für die Aufrechterhaltung des Lebens, da sie Nährstoffe für die Organismen bereitstellt. Mit Gestein verbundene Lebensformen haben vermutlich Schlüsselrollen, um die Erde so zu gestalten, dass Leben möglich ist. Außerdem wird das Projekt untersuchen, (2) ob die Artenvielfalt und die damit verbundene Abundanz der mikrobiellen Verwitterungsprozesse an der Verwitterungsfront in der Tiefe zunehmen. Die mikrobiellen Gemeinschaften in der Übergangszone von Muttergestein zu Saprolit könnten einen gemeinsam phylogenetischen Ursprung mit nicht-photoautotrophen Organismen von Felsoberflächen haben. Dagegen könnten Gemeinschaften, die zu Verwitterungsprozessen im Saprolit in Bezug stehen, einen phylogenetischen Ursprung mit den mikrobiellen Gemeinschaften aus Böden teilen. (3) Pro- und eukaryotische Mikroorganismen bilden ein Netzwerk, das die Auflösung von Mineralien hauptsächlich an der Verwitterungsfront und in tiefen Saproliten-Profilen steuert. Tiefe taxonomisch Einblicke auf Artniveau werden durch DNA-Sequenzierung (pair-end reads), die auf Amplikon-basiertem Metabarcoding beruht, möglich. Gensequenzen funktioneller Gene werden verwendet, um Abundanzen und phylogenetische Diversität von Aktivitäten der Biomassebildung und Mineralienverwitterung zu bestimmen. Ein neuartiges aufwändiges Protokoll zur Extraktion von DNA wird verwendet, das intrazelluläre DNA lebender Zellen von dem extrazellulären DNA Pool und Dauerstadien (bakteriellen Endosporen) abzutrennen erlaubt. Das ist wichtig, um die Hypothese, ein Fortschreiten der Verwitterungsfront sei ein rezentes Merkmal, das auch heute noch evolviert, entlang des EarthShape-Transekts zu evaluieren. Das Projekt nutzt die Bohrkampagne wie von der DeepEarthshape-Gruppe vorgeschlagen, d.h. eine Bohrung durch Boden und Saprolit bis zum unverwitterten Mutterboden an den vier Untersuchungsgebieten entlang des Ariditätsgradienten.

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