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Die Erzeugung elektrischer Energie erfolgt in der Regel in Kohle-, Gas- oder Atomkraftwerken. Das Prinzip ist immer das gleiche. Es wird Wasserdampf erzeugt, der wiederum mittels Dampfturbinen elektrische Generatoren antreibt. Auch neue, sich in der Entwicklung befindende, solarthermische Kraftwerke arbeiten nach diesem Prinzip.
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Der Wirkungsgrad dieser Systeme liegt aufgrund des Kreisprozesses mit den bekannten hohen Verlusten für die Rückkondensation des Arbeitsmediums bei max. 25–30%. Durch die Optimierung der Prozesse werden zwischenzeitlich höhere Wirkungsgrade erzielt, der apparative Aufwand, die erforderliche regelmäßige Wartung und damit die Kosten sind allerdings entsprechend hoch.
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In der photovoltaischen Elektrizitätserzeugung ist der apparative Aufwand für ein Kraftwerk zwar geringer, aber der Systemwirkungsgrad ist mit aktuell max. 12–13% sehr gering. Die Gründe dafür sind der niedrige Wirkungsgrad der Solarzellen selbst und die Wandlungsverluste der Umrichter.
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Im Bereich der solarthermischen Energieumwandlung über Solarkollektoren, wie sie beispielsweise zur Erwärmung von Wasser in Wohnhäusern zum Einsatz kommt, sind die Wirkungsgrade der Kollektoren um ein Vielfaches höher und erreichen Spitzenwerte bis zu 80%.
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Da der Wirkungsgrad von solarthermischen Anlagen sehr viel höher ist als der von photovoltaischen Systemen, wäre wünschenswert, die thermische Energie direkt in Strom umzuwandeln.
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Der nachfolgend beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zweckmäßigen Stromgenerator und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben. Mit dem Stromgenerator und dem zugehörigen Verfahren soll insbesondere thermische Solarenergie, optional aber auch thermische Energie anderer Herkunft, direkt in elektrische Energie umgewandelt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Stromgenerator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Aufgabe wird außerdem erfindungsgemäß gelöst durch das mittels des Stromgenerators bestimmungsgemäß durchgeführte Verfahren. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Stromgenerators und des zugehörigen Verfahrens sind in den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen dargelegt.
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Erfindungsgemäß wird ein elektrischer Stromgenerator angegeben, in dem elektrische Energie durch die Trennung von positiven und negativen Ladungsträgern (insbesondere Kationen und freien Elektronen) in einem heißen Gas oder Gasgemisch erzeugt wird, wobei die Trennung der Ladungsträger durch ein elektrisches oder magnetisches Feld erfolgt und die Ladungsträger an einer Elektrode des Stromgenerators rekombinieren, so dass das eingesetzte Gas oder das Gasgemisch nicht verbraucht wird und sich in einem geschlossenen Kreislauf befindet.
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Die Erfindung nutzt den Effekt, dass sich elektrische Ladungsträger mit Hilfe von elektrischen Feldern oder Magnetfeldern ablenken lassen. Zur Erzeugung elektrischer Energie werden die positiven und negativen Ladungsträger getrennt. Greift man die Ladungsträger an den Orten, zu denen sie hin abgelenkt werden, mittels Elektroden ab, entsteht zwischen den Elektroden eine elektrische Potentialdifferenz, d. h. eine elektrische Spannung. Verbindet man die Elektroden über einen elektrischen Verbraucher, fließt ein elektrischer Strom. Die negative Elektrode des Stromgenerators ist entsprechend bevorzugt an dem Ort angeordnet, zu dem die negativ geladenen Ladungsträger abgelenkt werden. Die positive Elektrode des Stromgenerators befindet sich entsprechend bevorzugt an dem Ort, zu dem die positiv geladenen Ladungsträger abgelenkt werden.
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Die Erfindung basiert nun darauf, dass die Ladungsträger durch Ionisation in einem Gas oder Gasgemisch erzeugt werden. Um dies zu erreichen, wird das Gas bzw. das Gasgemisch stark überhitzt. Durch die dabei angeregten starken Molekular- bzw. Atombewegungen werden Elektronen von den zugehörigen Atomen separiert. Die Atome, die Elektronen abgeben, werden zu positiv geladenen Ionen (Kationen). Das überhitzte Gas bzw. Gasgemisch enthält somit nunmehr Ladungsträger in Form von freien Elektronen und positiv geladenen Ionen.
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In einer zweckmäßigen ersten Variante der Erfindung erfolgt die Trennung der Ladungsträger im überhitzen Gas oder Gasgemisch durch ein Magnetfeld. Zur Ladungsträgertrennung wird in diesem Fall die Lorentzkraft genutzt, die auf bewegte elektrisch geladene Teilchen in einem Magnetfeld wirkt. Durch die Lorentzkraft werden positive und negative Ladungsträger hierbei in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. Damit eine Ladungsträgertrennung aufgrund der Lorentzkraft stattfindet, ist allerdings erforderlich, dass sich positive und negative Ladungsträger gleichförmig, d. h. in gleiche Richtung durch das Magnetfeld bewegen. Dies wird zweckmäßigerweise dadurch sichergestellt, dass – z. B. durch einen Ventilator, eine Pumpe oder unter Nutzung eines Temperaturgradienten – ein Gasstrom quer zur Ausrichtung des Magnetfeldes erzeugt wird. Zur Erzeugung des Magnetfeldes wird bevorzugt ein Dauermagnet oder alternativ ein supraleitender Magnet herangezogen, da die Magnetfelderzeugung in diesen Fällen verlustfrei, insbesondere ohne ständigen Verbrauch elektrischer Energie erfolgt.
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In einer alternativen Variante der Erfindung erfolgt die Trennung der Ladungsträger im überhitzten Gas oder Gasgemisch durch ein elektrisches Feld. Die Erzeugung des elektrischen Feldes erfolgt zweckmäßigerweise über zusätzliche felderzeugende Elektroden. Im elektrischen Feld werden die negativ geladenen Ladungsträger von der positiv geladenen felderzeugenden Elektrode angezogen, während die positiven Ladungsträger von der negativ geladenen felderzeugenden Elektrode angezogen werden. Zumindest eine der zur Erzeugung des elektrischen Feldes vorgesehenen Elektroden ist vorzugsweise mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet, um einen Stromfluss von dieser Elektrode oder auf diese Elektrode zu unterbinden.
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Als Medium für diesen Prozess wird ein (grundsätzlich beliebiges) Gas mit niedriger Ionisationsenergie herangezogen (z. B. Wasserstoff). Alternativ wird ein Gasgemisch herangezogen, das Spuren leicht ionisierbarer Stoffe, wie z. B. Alkalimetalle oder deren Verbindungen, enthält.
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Die erforderliche Energie zur Ionisierung des Gases bzw. Gasgemisches (Separierung der Elektronen) wird bevorzugt durch die Präsenz eines geeigneten Katalysators reduziert. Hierbei ist in bevorzugter Ausführung die negative Elektrode des Stromgenerators mit einer porösen Katalysatorschicht beschichtet. Die Katalysatorschicht besteht hierbei in vorteilhafter Ausgestaltung aus Platin oder Nickel-Zinn, insbesondere wenn Wasserstoff als Gas eingesetzt wird. Die Katalysatorschicht ist bevorzugt elektrisch leitfähig und dient in diesem Fall gleichzeitig als Elektrode. Die Oberfläche der positiven Elektrode ist in zweckmäßiger Ausführung mit einem Edelmetall beschichtet.
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Alle Elektroden des Stromgenerators besitzen in bevorzugter Ausführung Bohrungen, sind aus porösem Material, oder weisen eine engmaschige Gitterstruktur auf, damit sie vom Prozessgas durchströmt werden können.
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Das Prozessgas wird vorzugsweise vor Erreichen der Elektroden durch einen Absorber geleitet und in diesem erhitzt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird das Gas oder Gasgemisch zum Zweck der Ionisierung mit konzentrierter thermischer Solarenergie beheizt, wobei aber auch die alternative oder zusätzliche Nutzung thermischer Energie aus anderen Quellen, z. B. Abwärme industrieller Prozesse oder geothermische Energie, zur Erhitzung des Gases oder Gasgemischs im Rahmen der Erfindung denkbar ist.
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Der Stromgenerator umfasst in bevorzugter Ausgestaltung eine hermetisch dichte Prozesskammer, in der die gesamte Anordnung der Elektroden, sowie gegebenenfalls der Absorber aufgenommen sind. Die Prozesskammer umfasst hierbei insbesondere hermetisch dichte Durchführungen für die elektrischen Anschlüsse, die Zu- und Abführung der Betriebsstoffe und – sofern solche zur Erhitzung des Gases oder Gasgemischs verwendet wird – die solarthermische Energie. Die konzentrierte thermische Solarenergie wird gegebenenfalls insbesondere von außen durch ein Fenster in die Prozesskammer – und hier gegebenenfalls auf den optional vorhandenen Absorber – geleitet.
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Zur Kreisführung des Prozessgases, insbesondere des gegebenenfalls verwendeten Wasserstoffs, wird dieses nach der Rekombination an der positiven Elektrode in einer bevorzugten Variante der Erfindung aus der Prozesskammer aktiv – insbesondere durch eine Pumpe oder einen Ventilator – abgesaugt und dem Prozess von neuem wieder zugeführt. In einer alternativen Variante der Erfindung sind der Absorber und die Elektroden konstruktiv derart angeordnet und/oder ausgeführt, dass die Rückführung des Prozessgas oder Gasgemischs durch reine Konvektion erfolgt. In diesem Fall umfasst der Stromgenerator vorzugsweise weder eine Pumpe noch ein vergleichbares Gasfördermittel.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung sind mehrere Elektrodenstapel innerhalb der Prozesskammer in Serie geschaltet angeordnet, um eine höhere Ausgangsspannung zu erreichen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
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1 in schematischer Abbildung eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromgenerators, bei dem die Ladungsträgertrennung durch ein elektrisches Feld erzeugt wird, und
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2 in schematischer Abbildung eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromgenerators, bei dem die Ladungsträgertrennung durch ein magnetisches Feld erzeugt wird.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromgenerators.
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Die gesamte beschriebene Anordnung befindet sich in einem hermetisch dichten Gehäuse (auch als Prozesskammer PK bezeichnet), das wiederum über hermetisch dichte Durchführungen für die Betriebsstoffe, die elektrischen Anschlüsse und die Einkopplung der Wärmeenergie verfügt.
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Als Prozessgas soff im folgenden Wasserstoff eingesetzt werden, die Ladungstrennung erfolgt in einem elektrischen Feld.
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An einem vorderen Ende der hermetisch dichten Prozesskammer PK befindet sich ein Fenster F, durch das konzentrierte Solarstrahlung ETh eintritt und auf einen Absorber A trifft.
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Der Absorber A hat mehrere Aufgaben. Er besteht aus einer hochtemperaturfesten porösen Industriekeramik. Auf der zu den Elektroden zugewandten Seite ist der Absorber A mit einer elektrisch leitfähigen, katalytischen Schicht E1 versehen. Diese Schicht E1 dient als Katalysator und gleichzeitig als Elektrode zur Trennung der Ladungsträger. Als katalytisches Material für die Schicht E1 kommt z. B. Platin oder Nickel-Zinn zum Einsatz.
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In die Prozesskammer PK wird Wasserstoffgas und Wasser eingeleitet. Beim Kontakt mit dem heißen Absorber A verdampft das Wasser und der Wasserstoff wird erhitzt. Vor Austritt des erhitzten Wasserstoffes aus dem Absorber A reagiert dieser mit dem Katalysator. Das führt zur Ionisierung des Wasserstoffes, d. h. er gibt seine Elektronen an den Katalysator ab.
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Damit eine Ladungstrennung der Elektronen von den verbleibenden Wasserstoffkernen (Protonen) stattfinden kann, verbindet man die elektrisch leitfähige katalytische Schicht E1 mit dem Pluspol der Hochspannungsquelle U1. Den negativen Pol der Hochspannungsquelle U1 verbindet man mit der Elektrode E2, die parallel zu E1 in einem Abstand angeordnet ist. Die Gleichspannung U1 bewirkt die Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden E1 und E2.
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Die Elektronen verbleiben dadurch im Katalysator und die Protonen werden frei. Damit die Protonen aus dem Katalysator austreten können, nutzt man den Wasserdampf, der in der Prozesskammer PK entsteht. Die Protonen reagieren mit den Wassermolekülen zu H3O+-Ionen, die durch das elektrische Feld der Spannung U1 in Richtung der Elektrode E2 beschleunigt werden.
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Um die positiven Ionen zur Generierung eines elektrischen Stromes zu nutzen, werden die positiven Ionen zu einer Elektrode geführt, die von der Spannungsquelle U1 getrennt ist. Um dies zu bewirken, ordnet man ein weiteres Elektrodenpaar E3, E4 in der Prozesskammer PK an, das zu den Elektroden E1, E2 um 90° gedreht ist. Eine Gleichspannung an den Elektroden E3, E4 bewirkt ein zweites elektrisches Feld, das die positiven Ionen zur Elektrode E4 ablenkt.
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Die Elektroden E2 und E3 sind mit einem Isolator überzogen. Dadurch ist gewährleistet, dass zwischen E1 und E2 sowie zwischen E3 und E4 kein Strom fließt.
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Treffen die positiven Ionen auf die Elektrode E4, benötigen sie dort ein Elektron, um zu Wasserstoffmolekülen rekombinieren zu können. Um Elektronen an der Elektrode E4 bereitzustellen, verbindet man die Elektroden E1 und E4 über einen elektrischen Verbraucher, der an den Klemmen K1 und K2 angeschlossen ist. Die Elektronen, die der Wasserstoff an die katalytische Elektrode E1 abgibt, fließen als elektrischer Strom über den elektrischen Verbraucher zur Elektrode E4. Der Stromfluss erzeugt am Verbraucher die Generatorspannung UG.
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Die Rekombination der positiven Ionen an der Elektrode E4 führt zur Bildung von Wasser und Wasserstoffgas. Befindet sich der Prozess im Gleichgewicht, kann die äußere Zufuhr von Wasser und Wasserstoff gestoppt werden. Um den Prozess dennoch in Gang zu halten, wird über die Pumpe P das rekombinierte Wasser/Wasserstoff-Gemisch aus der Prozesskammer PK abgesaugt und wieder dem Absorber A zugeführt.
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Das Wasser/Wasserstoff-Gemisch befindet sich damit in einem geschlossenen Kreisprozess und wird nicht verbraucht.
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Der gleiche Aufbau ist denkbar, wenn in der Anordnung ein Gasgemisch als Prozessgas zum Einsatz kommt. Stehen keine geeigneten Katalysatoren für das eingesetzte Gasgemisch zur Verfügung, wird auf den Einsatz des Katalysators verzichtet. In diesem Fall muss das Gasgemisch im Absorber entsprechend überhitzt werden, damit eine Ionisierung stattfindet. Auch diese Überhitzung erfolgt vorzugsweise mittels konzentrierter thermischer Solarenergie.
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Die 2 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromgenerators.
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Die gesamte beschriebene Anordnung befindet sich in einem hermetisch dichten Gehäuse (auch als Prozesskammer PK bezeichnet), das wiederum über hermetisch dichte Durchführungen für die Betriebsstoffe, die elektrischen Anschlüsse und die Einkopplung der Wärmeenergie verfügt.
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Als Prozessgas soll im folgenden Wasserstoff eingesetzt werden, die Ladungstrennung erfolgt in einem magnetischen Feld.
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An einem vorderen Ende der hermetisch dichten Prozesskammer PK befindet sich ein Fenster F, durch das konzentrierte Solarstrahlung ETh eintritt und auf einen Absorber A trifft.
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Der Absorber A besteht aus einer hochtemperaturfesten porösen Industriekeramik. Auf der dem Eintrittsfenster abgewandten Seite ist der Absorber A mit einer katalytischen Schicht K versehen. Diese Schicht K dient als Katalysator zur Trennung der Ladungsträger. Als katalytisches Material für die Schicht K kommt z. B. Platin oder Nickel-Zinn zum Einsatz.
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In die Prozesskammer PK wird Wasserstoffgas eingeleitet. Beim Kontakt mit dem heißen Absorber A wird der Wasserstoff erhitzt. Vor Austritt des erhitzten Wasserstoffes aus dem Absorber A reagiert dieser am Katalysator K. Das führt zur Ionisierung des Wasserstoffes, d. h. es bildet sich ein Plasma P aus.
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Damit eine Ladungstrennung der Elektronen von den verbleibenden Wasserstoffkernen (Protonen) stattfinden kann, legt man ein starkes Magnetfeld an. Das Magnetfeld wird von einem Dauermagneten oder alternativ von einem supraleitenden Magneten erzeugt, der außerhalb der hermetisch dichten Prozesskammer PK angeordnet ist. Damit das Magnetfeld im Inneren der Prozesskammer PK wirksam ist, besteht die Prozesskammer PK aus einem anti magnetischen Material z. B. Quarzglas.
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In 2 bewegen sich die Ladungsträger zunächst vom Absorber A in Richtung Ausgang AG. Das Magnetfeld M verläuft senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger in die Zeichenebene.
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Durch die auf die Ladungsträger wirkende Lorentzkraft werden die positiven Ionen zur Elektrode E3 und die Elektronen zur Elektrode E4 abgelenkt.
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Treffen die positiven Ionen auf die Elektrode E3, benötigen sie dort ein Elektron, um zu Wasserstoffmolekülen rekombinieren zu können. Um Elektronen an der Elektrode E3 bereitzustellen, verbindet man die Elektroden E3 und E4 über einen elektrischen Verbraucher, der an den Klemmen K1 und K2 angeschlossen ist. Die Elektronen, die der Wasserstoff an die Elektrode E4 abgibt, fließen als elektrischer Strom über den elektrischen Verbraucher zur Elektrode E3. Der Stromfluss erzeugt am Verbraucher die Generatorspannung UG.
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Die Rekombination der positiven Ionen an der Elektrode E3 führt zur Bildung von Wasserstoffgas. Befindet sich der Prozess im Gleichgewicht, kann die äußere Zufuhr von Wasserstoff gestoppt werden. Um den Prozess dennoch in Gang zu halten, wird über die Pumpe P der rekombinierte Wasserstoff aus der Prozesskammer PK abgesaugt und wieder dem Absorber A zugeführt.
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Der Wasserstoff befindet sich damit in einem geschlossenen Kreisprozess und wird nicht verbraucht.
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Der gleiche Aufbau ist denkbar, wenn in der Anordnung ein Gasgemisch als Prozessgas zum Einsatz kommt. Stehen keine geeigneten Katalysatoren für das eingesetzte Gasgemisch zur Verfügung, wird auf den Einsatz des Katalysators verzichtet. In diesem Fall muss das Gasgemisch im Absorber entsprechend überhitzt werden, damit eine Ionisierung stattfindet. Auch diese Überhitzung erfolgt vorzugsweise mittels konzentrierter thermischer Solarenergie.
