Anhang I: Stromerzeugung mit solarthermischen Kraftwerken

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1 Anhang I: Stromerzeugung mit solarthermischen Kraftwerken Unter dem Begriff "solarthermische Kraftwerke" werden hier Anlagen zusammengefaßt, die aus Sonnenenergie über die Umwandlung in Wärmeenergie elektrische Energie bereitstellen. Dabei wird unterschieden zwischen das Sonnenlicht konzentrierenden Anlagen (d. h. Solarturmkraftwerke, Dish/Stirling- bzw. Dish/Brayton Anlagen, Parabolrinnen- bzw. Farmanlagen) und nicht-konzentrierende Anlagen (z. B. das Aufwindkraftwerk)!AI-3, AI-58!. Allen konzentrierenden solarthermischen Stromerzeugungstechnologien ist gemein, daß der letzte Umwandlungsschritt weitgehend wie bei konventionellen Kraftwerken abläuft; heißes Gas oder Dampf wird verwendet, um eine Turbine oder einen Stirlingmotor und damit eine Wärme-Kraft-Maschine zu betreiben, die wiederum einen Generator antreibt, welcher die letztlich gewollte elektrische Energie bereitstellt. AI.1 Grundprinzip und Einteilung Physikalisches Grundprinzip. Die typischen Schritte der Energiewandlung in solarthermischen Anlagen können wie folgt zusammengefaßt werden: - Sammeln der solaren Strahlung mit Hilfe eines Kollektorsystems. - Konzentrieren der Strahlung auf einen Strahlungsempfänger (Receiver). - Umwandeln der Strahlungsenergie in Wärme im Receiver. - Transport der thermischen Energie zur Energiewandlereinheit. - Umwandeln der thermischen Energie in mechanische Energie mit Hilfe einer Wärme-Kraft-Maschine (z. B. Turbine, Stirlingmotor). - Umwandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie durch einen Generator. In Abb. AI.I ist eine derartige grundsätzliche Energiewandlungskette einer solarthermischen Stromerzeugung dargestellt. Demnach wird das Sonnenlicht nach einer Sammlung zunächst in Wärme umgewandelt und diese anschließend über einen

2 468 Anhang I konventionellen Dampfprozeß in mechanische Energie umgeformt. Letztere wird dann in elektrische Energie überführt. -_....s:: Sammeln und 99f. -.~... Konzentrieren der... - ~... " Strahlungsenergie - "... im Kollektor 0 - CI)... Umwandeln der Photonenenergie in Wärme im Strahlungs~ empfänger und Wärmeübertragung an das Wärmeträgermedium... Umwandeln der thermischen Energie im Wärmeträgermedium in mechanische Energie... Umwandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie --C~..... GI g) g) c c :s =ca :CD. f E iii GI I." CD ~ ~ S 5 ~Jl -e ; es.5 :s CI) _ EI- Gi 0 OS " E ~ :e :::I I- Abb. AI.1 Energiewandlungskette bei der solarthermischen Stromerzeugung.. B f GI C GI Cl i z Einteilung. Solarthermische Kraftwerke lassen sich nach der Art der Konzentration in konzentrierende und nicht konzentrierende Systeme unterteilen. Erstere werden weiter unterteilt in punkt- und linienkonzentrierende Anlagen. Der Übersichtlichkeit halber wird auf eine weitere Unterteilung, z. B. nach Art der verwendeten Strahlungsempfänger, Wärmeübertragermedien oder verwendeten Speicher oder fossilen Zusatzfeuerungen hier verzichtet. Tabelle AI.1 Kennzahlen ausgewählter solarthermischer Stromerzeugungstechniken Solarturm- DishlStirling Parabolrinnen- Aufwindkraftwerk DishlBrayton kraftwerk kraftwerk Typische elek. Leistung in MW ' 0,01 - I b ' " Konzentrationsfaktor Typischer Wirkungsgrad' in % ,7-1,1 Typische Betriebsart netzge- Inselbetrieb netzge- netzgekoppelt (netzgekoppelt) koppelt koppelt Flächenbindung in m'/kw"f Entwicklungsstand' Größte bisher realisierte Anlage 10 MW; b Durch ZusammenschaIten vieler Einzelsysteme zur Farm;, Größte bisher realisierte Anlage 80 MW; d Bisher nur Versuchsanlage mit 50 kw;, Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie, lahresmittelwert usw vom Standort abhängig; f Stark von Vollaststundenzahl bzw. solarem Vielfachen (hier I) abhängig, nur als Richtwert zu betrachten; g + Erfolgreicher Betrieb von Demonstrationsanlagen, ++ kommerzielle Anlagen in Betrieb. Unter den konzentrierenden Systemen werden im wesentlichen die folgenden Kraftwerkskonzepte zusammengefaßt (vgl. Tabelle ALl):

3 AI.2 Solarturmkraftwerke Solarturmkraftwerk als punktkonzentrierende Anlage, - DishJStirling- bzw. DishJBrayton-Systeme als punktkonzentrierende Anlage und - Parabolrinnen- oder Farmkraftwerk als Iinienfokusierende Anlage. Zu den nicht konzentrierenden Anlagen wird hier im wesentlichen das Aufwindkraftwerk gezählt; andere nicht konzentrierende Systeme (z. B. Solarteiche) werden aufgrund ihrer geringen Bedeutung hier nicht näher diskutiert. Wichtige Kennzahlen dieser Stromerzeugungstechniken sind in Tabelle Al. I aufgeführt / AI-3, AI-4, AI-19, AI-41, AI-42, AI-48, AI-58/. AI.2 Solarturmkraftwerke Bei solarthermischen Turmkraftwerken (Abb. Al.2) reflektieren zweiachsig dem Lauf der Sonne nachgeführte Spiegel, sogenannte Heliostate, die gerichtete direkte Solarstrahlung auf einen zentral auf einem Turm angebrachten Strahlungsempfänger. Dort wird die Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt und an ein Wärmetransportfluid (z. B. Luft, flüssiges Salz, Wasser/Dampf) übertragen. Diese Wärme wird verwendet, um eine Turbine und damit einen Generator anzutreiben /AI-33/. Um konstante Dampfparameter und einen konstanten Dampfrnassenstrom auch bei schwankender solarer Einstrahlung zu gewährleisten, kann entweder ein Wärmespeicher als Puffer eingebaut oder eine fossile Zufeuerung realisiert werden. Einstrahlrlchtung Receiver ~ konzentrierte tf:.', SOlarstrahlung, ' ' ' ' ' ' ' ', ' ' ' " " ', ' Turm Abb. AL2 Funktionsprinzip eines Solarturmkraftwerkes HelIostatenfeld Ein Solarturmkraftwerk besteht grundsätzlich aus den Im folgenden kurz zusammengestellten Komponenten: - Heliostatenfeld mit mehreren hundert bis einigen tausend einzelnen Heliostaten, - Strahlungsempfänger auf einem meist zentral im Heliostatenfeld angeordneten Turm.

4 470 Anhang I - Wärmeträgerkreislauf mit Dampferzeuger, Turbine und Generator, - Steuerung und Regelung, sowie ggf. - Energiespeicher oder fossile Zusatzfeuerung. AI.2.t Komponenten Im folgenden werden die wichtigsten Komponenten einer derartigen Anlage kurz beschrieben. Heliostatenfeld. Das Heliostatenfeld besteht aus einer Vielzahl (mehrere hundert bis einige tausend) von einzelnen Heliostaten. Heliostate sind Spiegel, die durch ihre zweiachsige Nachführung stets so ausgerichtet werden, daß sie das Sonnenlicht auf einen definierten Punkt im Raum - normalerweise den Receiver - konzentrieren. Sie bestehen aus einem das Sonnenlicht reflektierenden (und konzentrierenden) Konzentrator, einer Nachführeinheit mit den Antriebsmotoren, dem Fundament, und einer Steuerelektronik. Die Berechnung der jeweiligen Sollwinkel für Azimut und Elevation wird üblicherweise von einem zentralen Rechner, basierend auf dem aktuellen Sonnenstand, der räumlichen Position der Heliostaten und des Zielpunktes durchgeführt und über eine Kommunikationsleitung an die einzelnen Heliostate des Feldes übermittelt. Die Aktualisierung erfolgt im Abstand von jeweils einigen Sekunden. Übliche Heliostate haben Konzentratorflächen zwischen 40 und 150 m 2 IAI-2, AI-9, AI-lI, AI-21, AI-55, AI-56, AI-58/; bisher wurden maximal 200 m 2 realisiert IAI-47/. Das Heliostatenfeld macht etwa 60 % der Kosten des solaren Anlagenteils aus. Deshalb wurden und werden große Anstrengungen unternommen, Heliostate mit guter optischer Qualität, hoher Zuverlässigkeit, langer Lebensdauer und gleichzeitig niedrigen flächenspezifischen Kosten (DM1m 2 reflektierende Fläche) zu entwickeln. Aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen geht der Trend zu großen Heliostaten mit Flächen zwischen 100 und 200 m 2 Hier kann als wesentliche Haupttypen zwischen facettierten Glas-Metall- und Membran-Heliostaten unterschieden werden. Facettierte Glas-Metall-Heliostate. Der Konzentrator besteht üblicherweise aus einer auf einem Torsionsrohr montierten Tragstruktur mit einer Vielzahl von etwa 2 bis 3 m 2 großen rechteckigen Einzelspiegeln, den Facetten. Die Nachführeinheit besteht aus einem am Fundament angeschraubten Stahlrohr mit darauf montiertem Azimut-/Elevationsgetriebe, an weiches wiederum das Torsionsrohr befestigt ist. Man spricht deshalb in diesem Fall auch von T-Typ Heliostaten (Abb. AI.3, links). Beim abgebildeten Heliostaten IAI-351 beträgt die Breite des Konzentrators 12,8 m und die Höhe 8,94 m. Die Größe der 32 einzelnen Facetten ist jeweils 3 auf 1, I m. Das Gesamtgewicht ohne Fundament beträgt knapp 5,1 t. Die Einzelfacetten sind entsprechend der Brennweite gekrümmt. Dabei entspricht der Krümmungsradius dem zweifachen der Brennweite. Die Facetten sind so ausge-

5 AI.2 Solarturmkraftwerke 471 richtet, daß sich die Einzelbilder zu einem gemeinsamen Brennpunkt des Heliostaten überlagern. Dieser Vorgang des Facettenausrichtens wird Canting genannt. 10 I I I I I I I I I I E I I I I I.E 1! 5 00 J: 0 n I I I I I,,, I, '. m o t!,! I!,, l I, 5 10,, '. m Abb. AI.3 Glas-Metall Prototyp-Heliostat (nach IAI-35/, links) und Metallmembran (Advanced Stretched Membrane) Heliostat (nach IAI-56/, rechts) Membranheliostate. Um den mit Einzelfacetten verbundenen Fertigungs- und Montageaufwand zu vermeiden, und gleichzeitig eine hohe optische Qualität zu erreichen, wurden Heliostate mit vorgespannten Membranen ("Stretched Membrane" Heliostate) entwickelt. Ihr Konzentrator besteht aus einer oder mehreren "Trommeln", welche wiederum aus einem metallischen Druckring und gespannten Membranen auf der Vorder- und Rückseite bestehen (Abb. AL3, rechts). Es werden Kunststoffolien und Metallmembranen eingesetzt. Bei Verwendung von Metallmembranen, die eine wesentlich höhere Dauerhaltbarkeit aufweisen, werden die Vorderseitenmembranen mit Dünnglasspiegeln beklebt, um die gewünschte hohe Reflektivität und Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse zu erzielen. Im Konzentratorinneren wird nun durch ein Gebläse oder eine Vakuumpumpe ein kleiner Unterdruck (wenige mbar) eingestellt. Dadurch verformt sich die Membran und aus dem ebenen Spiegel wird ein Konzentrator IAI-2, AI-9/. Andere Konstruktionen verwenden einen zentral angebrachten mechanischen oder hydraulischen Stempel, um die Membran zu verformen. Die mit großen Metallmembranheliostaten erzielte optische Güte ist deutlich höher als die, die bei Glas-Metall-Heliostaten vergleichbarer Größe mit vertretbarem Aufwand zu erreichen ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß mit dem Unterdruck im Konzentrator auch die Brennweite leicht variiert werden kann. Es müssen also nicht, wie bei konventionellen Glas-Metall-Heliostaten, verschiedene Facetten für unterschiedlich weit vom Receiver entfernte Heliostate gebaut werden. Hier reicht

6 472 Anhang I es aus, nur den Unterdrucksollwert bzw. die Sollkrümmung entsprechend einzustellen. Das Canting entfällt bei Heliostaten mit einem einzigen Membrankonzentrator völlig. Abb. AI.3 zeigt einen Metallmembranheliostat mit Fachwerk-Drehstandnachführung IAI-56/. Bei dieser Art der Nachführung werden die Kräfte weit entfernt von der Drehachse (beim gezeigten Heliostaten ca. 7 m) in den stabilen Druckring eingeleitet. Durch diese Untersetzung können die Getriebeeinheiten klein und damit preiswert gehalten werden. Der Konzentratordurchmesser des abgebildeten Heliostaten (ASM ISO) mit ISO m 2 Spiegelfläche beträgt 14 m, die Konzentratordicke 750 mm und das Gewicht ohne Fundament etwa 7,47 t. Strahlungsempfänger (Receiver). Receiver von Solarturmkraftwerken dienen dazu, die vom Heliostatenfeld umgelenkte und konzentrierte Strahlungsenergie in Wärme umzuwandeln. Die heute üblichen Strahlungsflußdichten am Receiver liegen bei 600 bis I 000 kw/m 2 Derartige Receiver lassen sich nach dem verwendeten Wärmeträgerfluid (Luft, Salz, WasserlDampf, Flüssigmetall) und der Receivergeometrie (eben, Hohlraum (Cavity), zylindrische oder kegelförmige Rundumreceiver) unterscheiden lai-i, AI-4, AI-58/. Die in den letzten Jahren aufgrund verschiedener Studien und Experimente favorisierten Wärmeträger sind LuftlAI-16, AI-21, AI-26, AI-491 und Salzschmelzen IAI-l3, AI-31, AI-34, AI-SOl. Bei einem derzeit in der Planungsphase befindlichen Projekt für Südspanien IAI-441 soll eine WasserlDampf-Rohrreceiver-Technologie zum Einsatz kommen. Wasser/Dampf-Receiver. Die ersten ausgeführten Solarturmkraftwerke (z. B. Solar One in Kalifornien und CESA-I in Spanien IAI-I 8/) wurden mit Rohrreceivern ausgeführt. Ihr Aufbau entspricht weitgehend dem in Abb. ALS gezeigten Salz-Rohrreceiver. Anstatt eine Salzschmelze zu erwärmen wird Wasser verdampft und ggf. überhitzt. Aufgrund der Probleme, die im Zusammenhang mit der Zweiphasenströmung Wasser-Dampf und den verbundenen Schwierigkeiten beim Wärmeübergang und den Materialermüdungsproblemen durch solare Transienten auftraten, und des ungünstigen Teillast- und Anfahrverhaltens der Anlagen, wird diese Technik heute kaum noch verfolgt. Offene volumetrische Luftreceiver. Die konzentrierte Sonnenstrahlung trifft auf das Absorbermaterial, das aus Stahldrahtgestrick oder poröser Keramik besteht, auf, dringt in das Material ein und wird größtenteils erst in der Tiefe absorbiert und in Wärme umgewandelt. Ein Gebläse saugt Umgebungsluft von außen durch das bestrahlte Absorbermaterial (Abb. AI.4). Der Luftstrom nimmt die Wärme auf, wobei die dem Heliostatenfeld zugewandten und damit am stärksten bestrahlten Absorberregionen durch die einströmende kalte Luft gekühlt werden. Da die Oberfläche des Absorbers durch diese durchströmende Luft gekühlt und dadurch kälter ist als die innenliegenden Bereiche des Absorbers - und damit auch kälter ist als die Luft, die das Gestrick wieder verläßt und zum Dampferzeuger strömt - hat diese Bauart geringe thermische Rückstrahlverluste. Dieser Temperaturverlauf ist beispielhaft in

7 AL2 Solarturmkraftwerke 473 Abb. AI.4, links unten, dargestellt. Als offene Receiver, wie exemplarisch dargestellt, arbeiten diese Anlagen bei Umgebungsdruck. Die auf Temperaturen von 700 C und mehr erhitzte Luft wird nun in einen als Abhitzekessel ausgeführten Dampferzeuger - wie beim Gas- und Dampfturbinen (GuD)-Prozeß - geleitet. Mit dem dort erzeugten Dampf wird eine Turbine und damit letztendlich ein Generator angetrieben. Die Luft verläßt den Abhitzekessel mit etwa 200 "C und wird über Luftkanäle dem Receiver wieder zugeführt. Da es sich um einen offenen Receiver handelt, ist die Luftrückführung nicht vollständig (u. a. wegen Wind); typischerweise werden jedoch rund 60 % der Luft im Kreislauf geführt. Luftrückführung Kanalbrenner Dampf erzeuger Metalldrahtgeslrick Absorber Gebläse Turmplattform Abb. AI.4 Funktionsprinzip eines offenen volumetrischen Luftreceivers nach dem Phoebus Prinzip (nach /AI-26/) Ein derartiger Luftreceiver ist durch eine Vielzahl von Vorteilen gekennzeichnet; Luft als Wärmeträgermedium ist ungiftig, nicht korrosiv, unbrennbar, überall verfügbar sowie leicht zu handhaben. Sie hat aber eine vergleichsweise niedrige Wärmekapazität. Deshalb sind große Wärmeübertragerflächen erforderlich, wie sie bei volumetrischen Receivern jedoch vorhanden sind. Diese bieten gleichzeitig den Vorteil geringerer thermischer Verluste, da die Absorberoberfläche vergleichsweise kühl ist. Durch die geringen thermischen Massen bieten sie auch ein günstiges Anfahrverhalten der Anlage. Bisher existieren derartige Analgen nur als Prototypen. Der Aperturdurchmesser (d. h. der Durchmesser der dem Feld zugewandten, bestrahlten Öffnung des Receivers) des seit 1993 ständig betriebenen 3 MW'h TSA-Strahlungsempfängers beispielsweise beträgt 3,4 m IAI-20/. Der näherungsweise zylindrische Strahlungsempfänger der projektierten 30 MW c1 Phoebus-Anlage wird eine Höhe von etwa lo m und einen mittleren Durchmesser von 7 m haben.

8 474 Anhang I Geschlossene (druckbeaufschlagte ) Luftreceiver. Derartige Receiver befinden sich derzeit in der Erprobungsphase. Ihre Apertur, d. h. die' dem Feld zugewandte, bestrahlte Öffnung des Receivers, ist durch ein Quarzglasfenster geschlossen. Die Luft wird bei Überdruck (einigen bar) erhitzt. Damit kann die erhitzte Luft direkt in eine Gasturbine eingespeist werden; dadurch entfällt im Vergleich zum Dampfturbinenprozeß der Wärmetauscher. Außerdem wird durch das höhere Temperaturniveau ein höherer Wirkungsgrad erreicht. Bisher wurden geschlossene Luftreceiver nur im Bereich unter 100 kw (und damit in erster Linie für Dish/Brayton-Systeme) erprobt /AI-6/. Aufgrund der Problematik des temperatur- und druckbeaufschlagten Fensters werden voraussichtlich auch die Receiver zukünftiger Turmanlagen nach diesem Konzept aus EinzeImodulen mit einigen 100 kw th bis maximal etwa 1 MW 1h bestehen; dies entspricht bei der Verwendung von Sekundärkonzentratoren Receiveraperturdurchmessern von wenigen Dezimetern bis maximal einem Meter. Salzreceiver. Bei den Salzreceivern kann zwischen offenen und geschlossenen Systemen unterschieden werden. Hier werden (eutektische) Salzschmelzen aus Natrium- und Kaliumnitrat (NaN0 3, KN0 3 ) eingesetzt. Bei beiden kann die Salzschmelze infolge ihrer hohen Wärmekapazität im Gegensatz zu Luft direkt als Wärmespeichermedium verwendet werden (Abb. AI.S). Damit entfallen die Wärmetauscher zwischen Wärmeträgermedium und Wärmespeichermedium. Wie bei den Luftreceivern, und im Gegensatz zu den Wasser-Dampf-Anlagen, besteht ein weiterer Vorteil darin, daß der Wärmeträger im gesamten Temperaturbereich in einer Phase vorliegt. Ein alternatives Konzept zu den Salz-Rohrreceivern sind die Salzfilmreceiver. Bei ihnen wird ein dünner Salzfilm entweder direkt (externer Filmreceiver, Direktabsorptionsreceiver (DAR» oder durch eine Edelstahlplatte hindurch (interner Film) von der konzentrierten Solarstrahlung erhitzt /AI-31, AI-34/. Man verspricht sich davon einfache und kostengünstige Receiver. Ein Nachteil aller Salzreceiver ist die Notwendigkeit, das Salz auch nachts und während anderer Betriebspausen flüssig zu halten. Dafür ist die Beheizung des gesamten salzbefüllten Anlagenteils (u. a. Tanks, Rohre, Ventile) erforderlich. Dies geschieht mit Hilfe von elektrischen Widerstandsheizungen; sie stellen jedoch sehr hohe Anforderungen an Montage und Regelung. Zusätzlich erhöhen sie den Eigenenergieverbrauch der Anlage. Ein weiterer Nachteil ist die hohe Korrosivität der Gasphase der verwendeten Salze. Sonstige Receivertypen. Im Rahmen des Small Solar Power Systems (SSPS) Projektes wurden auch zwei Natrium-Rohrreceiver gebaut und erprobt/ai-i 4/. Probleme mit diesem Medium wie u. a. ein Natriumbrand durch unsachgemäß durchgeführte Reparaturarbeiten führten aber dazu, daß diese Technologie im Solarturmkraftwerksbereich wegen der dort erforderlichen großen Natriummengen trotz der sehr guten thermodynamischen Eigenschaften heute nicht mehr verfolgt wird.

9 AI.2 Solarturmkraftwerke 475 Turbosatz. Beim Turbosatz handelt es sich weitgehend um eine Technik, wie sie bereits seit Jahren in konventionellen Anlagen zum Einsatz kommt. Den für Solarturmkraftwerke relevanten Leistungsbereich (10 bis 200 MW) bedienen die großtechnisch verfügbaren Industrieturbinen. Salz (heiß) ---E~~~~~~ä Wärmetauscher-Rohr konzentrierte Solarstrahlung ~ Verteiler Salz (kalt) ---<O-E:~~~~~~~ Abb. AI.S Schematische Darstellung des bei Solar Two verwendeten Prinzips eines Salz Rohrreceiver Steuerung und Regelung. Die Heliostate werden durch einen zentralen oder mehrere verteilte lokale Computer gesteuert. Die Heliostatfeld-Steuerungstechnik mit zentralem Rechner und über serielle Leitungen angebundenen Heliostaten stammt noch aus den achtziger Jahren, als die Rechenleistung teuer war. Heutige Entwicklungen verwenden Bussysteme bzw. intelligente, lokale Controller, die gleichzeitig die Aufgabe der Fehlerdiagnose übernehmen und das Kommunikationsaufkommen so weit reduzieren, daß sogar Funkfernsteuerung möglich ist IAI-34/. Während des Betriebs zielen nicht alle Heliostate auf eine Stelle. Um die gewünschte Strahlungsintensitätsverteilung auf der Absorberoberfläche des Receivers zu erzielen, ist es erforderlich, das Heliostatenfeld in Gruppen einzuteilen, welche jeweils auf eigene, relativ zueinander versetzte, Zielpunkte gerichtet sind. Während des Startvorgangs und auch im Betrieb müssen die Anzahl der Heliostate pro Zielpunkt und die Koordinaten der Punkte ständig nachgeregelt werden, um die gewünschte Verteilung aufrechtzuerhalten. Dies geschieht automatisch lai-51, AI-53/. Weitere Regelsysteme sind für das An- und Abfahren und den Betrieb des Dampferzeugers, des Energiespeichers bzw. der fossilen Zusatzfeuerung und des Turbosatzes erforderlich. AI.2.2 Anlagen Tabelle AL2 zeigt einige wichtige Versuchs- und Pilotanlagen. Auf die wichtigsten wird im folgenden näher eingegangen.

10 476 Anhang I Solar One. Solar One, ein 10 MW cl Solarturmkraftwerk in der kalifornischen Mojavewüste, das von 1982 bis 1988 betrieben wurde, demonstrierte die grundsätzliche Machbarkeit der solarthermischen Stromerzeugung mit Turmanlagen im Megawatt-Maßstab. Als Wärmeträgermedium im Receiver wurde Wasser eingesetzt IAI-58/. Tabelle AI 2 Solarthermische Versuchs- und Pilotanlagen (Stand 1997) Anlage Prinzip Leistung Standort Status CESA-I Wasser/Dampf Rohr- IMW" Almeria (Spanien) in Betrieb, seitreceiver dem Versuchsanlage für versch. Experimente (z. B. GAST. TSA) Eurelios Wasser/Dampf IMW" Adrano (Italien) Betrieb von GAST Luft-Rohrreceiver Almeria (Spanien) demontiert Phoebus Offener volumetri- 30MW" wird schlüsselfertig scher Luftreceiver angeboten Sandia National Teststand für diverse 5 MW th Albuquerque, NM Versuchsanlage Solar Thermal Receiver (USA) Test Facility Solar One Wasser/Dampf-Rohr- 10 MW" Barstow, CA (USA) in Betrieb receiver umgebaut zu Solar Two Solar Two Salz-/Rohrreceier IOMW" Barstow, CA (USA) Inbetriebnahme 96 SSPS Natrium-Rohrrecei- O,5MW" Almeria (Spanien) seit September 81 Syver, ab 1987 kleine stem- und Komponenvolumetrische Luftre- tentests ceiver Themis Salzreceiver 2,4 MW" Targassone Betrieb von 83-86, (Frankreich) Versuchsanlage für Gammastrahlenstronomie TSA Offener Volume- 3 MW th Almeria (Spanien), seit 93 in Betrieb trischer Luftreceiver CESA-I-Turm Weizmann Institut Testanlage für Solar- 3MW Ih Rehovot (Israel) Versuchsanlage thermie und -chemie Bei der Anlage zeigten sich Probleme, den Betrieb bei Wolkendurchgängen aufrecht zu erhalten. Die hierdurch verursachten Verluste führten dazu, daß Solar One hinter den Erwartungen zurückblieb. Solar Two. Mit dem Ziel, die bei Solar One aufgetretenen Probleme zu lösen, wurde das Kraftwerk zu Solar Two umgebaut. Man verwendet nun als Wärmeträger- und Wärme speichermedium eine Salzschmelze aus 40 % Kalium- und 60 %

11 AI.2 Solarturmkraftwerke 477 Natriumnitrat. Durch die Verwendung dieses thermischen Energiespeichers werden Strahlungsangebot und Energienachfrage (weitgehend) entkoppelt. Das Prinzip des Kraftwerks Solar Two ist in Abb. AI.6 dargestellt. Salz wird aus einem "kalten" Salzspeicher auf den Turm und durch den Receiver gepumpt, wo es sich erwärmt. Es gelangt dann in den "heißen" Tank. Von dort aus wird bei Bedarf Salz - und damit Energie - entnommen, und durch einen Dampferzeuger geleitet, der Frischdampf für einen konventionellen Dampfturbinen-Kreislauf erzeugt. Das im Dampferzeuger abgekühlte Salz gelangt in den "kalten" Salzspeicher. Q sonne Receiver Turbine Salzkreislauf Dampfkreislauf Dampferzeuger 290 "c r-----' Dampf Heliostat Salz Abb. AI.6 Prinzipskizze eines Solarturmkraftwerkes mit einer Salzschmelze als Wärmeträger- und -speichermedium (Temperaturen beziehen sich auf die Anlage Solar Two) (nach lai-li, AI-20/) Grundsätzlich läßt sich mit diesem Konzept nicht nur tagsüber, sondern bei entsprechender Größe von Energiespeicher und Solarfeld auch 24 Stunden am Tag Strom bereitstellen. Solar Two produziert eine elektrische Leistung von 10 MW ci, die durch den vorhandenen Energiespeicher bis zu drei Stunden nach Sonnenuntergang aufrechterhalten werden kann. Bei entsprechend günstigen Betriebsergebnissen soll nach Ende der Demonstrationsphase (1998) ein Kraftwerk in einer Einheitsgröße von 100 bis 200 MW ci gebaut werden, um die Kosten weiter zu senken. Abb. AL7 zeigt die Leistungskennlinie eines Turmkraftwerkes am Beispiel der Solar One Anlage. Demnach wird elektrische Leistung ab einer Tagessumme der Direkstrahlung von etwa 4 bis 5 kwh/(m 2 d) abgegeben. Mit steigender Direktstrahlung nimmt die abgegebene elektrische Leistung näherungsweise linear mit der eingestrahlten Solarenergie zu. Die Schwelle, ab der elektrische Leistung abgegeben wird, wird weitgehend duch die Wasser-Dampf-Rohrreceivertechnologie bestimmt. Durch die Verwendung von Salzschmelzen oder insbesondere von volumetrischen Receivern soll dieser Schwellenwert deutlich gesenkt werden. PhoebusrrSA. Phoebus ist ein Kraftwerkskonzept mit einem offenen volumetrischen Luftreceiver. Der solare Anlagenteil wird beim Phoebus-Kraftwerk mit

12 478 Anhang I 1,20.E G> ~ 0,60 ai.c.. ~O,40 G> c w 0,20 ö ' Cl am' DIrektstrahlung In kwh/(m' d) Abb. AL7 Leistungskennlinie von Solar One (nach IAI-81) einem Dampfkraftwerk gekoppelt. Die Heißluft strömt durch einen Dampferzeuger, in dem der hochgespannte Dampf zum Antrieb der Turbine hergestellt wird. Dies ist in Abb. AL8 schematisch dargestellt. 700 C Kanal-Brenner Luftkonzentrierte Solarstrahlung Dampferzeuger Dampfkreislauf Luftkreislsuf 200 C Gebläse Abb. AI.8 Schaltung eines offenen volumetrischen Receivers nach dem Phoebus-Prinzip mit Kanalbrenner als fossile Backup-Lösung (nach /AI-491) Ein erdgasbefeuerter Kanalbrenner zwischen Receiver und Dampferzeuger führt der Luft zusätzliche Wärme zu, wenn die Sonnenstrahlung zur Erzeugung der gewünschten Dampfmenge nicht ausreicht. Phoebus kann auf diese Weise nicht nur dann Strom erzeugen, wenn die Sonne scheint, sondern auch während Schlechtwetterperioden oder ggf. in der Nacht. Das Kraftwerk kann somit - bei einer entsprechenden fossilen Zufeuerung - als Mittellast- oder Grundlastkraftwerk betrieben werden. Damit ist die Strombereitstellung nicht ausschließlich vom solaren Strahlungsangebot abhängig, und Stromlieferverpflichtungen können auch zu Zeiten unzureichenden Solarstrahlungsangebots eingehalten werden.

13 AI.3 DishlStirling- und DishlBrayton-Systeme 479 Phoebus ist ein im wesentlichen konventionelles Kraftwerk. Durch das beschriebene Konzept der Einkoppelung solarer Energie ist aber ein sehr hoher solarer Anteil an der erzeugten Energie möglich. Die Integration eines thermischen Energiespeichers in das System reduziert die Menge des benötigten fossilen Brennstoffs. Seit 1993 wird ein Versuchskreislauf mit einem Luftreceiver mit einer thermischen Leistung von 3 MW betrieben, der alle Komponenten eines zukünftigen Phoebus-Kraftwerkes beinhaltet (sogenanntes TSA-System (Technology Program Solar Air Receiver». Die Versuchsergebnisse zeigen das sehr gute Zusammenspiel der Komponenten sowie eine geringe thermische Trägheit des Systems, die ein schnelles Anfahren ermöglicht. Der einfache Aufbau und der unproblematische Wärmeträger Luft zeichnen diese Technik aus /AI-16/. AI.3 DishlStirling- und DishIBrayton-Systeme Dish/Stirling- und DishlBrayton-Systeme sind punktkonzentrierende solarthermische Stromerzeugungsanlagen. Sie bestehen im wesentlichen aus drei Komponenten: einem parabolisch gekrümmten Konzentrator (Dish), einem Receiver und einer Wärmekraftmaschine (Stirlingmotor bzw. Gasturbine) mit angeschlossenem Generator (Abb. AI.9). Receiver oder Receiver mit Wärme-Kraft Maschine (SMingmotor oder Gasturbine) Paraboloid Konzentrator mit reflektierender Oberfläche zweiachsige Nachführung Abb. AI.9 Funktionsprinzip eines DishlStirling- bzw. Dish/Brayton-Systems Der Parabol-Konzentrator wird zweiachsig der Sonne nachgeführt und reflektiert die direkte Solarstrahlung auf einen im Fokus angeordneten Receiver. Die im Receiver in Wärme umgewandelte Strahlungsenergie wird einer Stirlingmaschine oder einer Gasturbine zugeführt, die als Wärmekraftmaschine die Wandlung in mechanische Energie vornimmt. Direkt an die Welle der Stirlingmaschine bzw. über ein Getriebe an die Welle der Gasturbine ist ein Generator gekoppelt, der die

14 480 Anhang I mechanische Energie in elektrische Energie überführt. Beide Systeme können parallel oder alternativ zusätzlich zur solaren Beheizung mit einem fossilen Brenner beheizt werden /AI-29, AI-38, AI-45/. AI.3.1 Komponenten Parabol-Konzentrator (Dish). Der parabolisch gekrümmte Hohlspiegel (Dish) konzentriert das Sonnenlicht, abhängig von der Genauigkeit seiner Formgebung, seiner Oberflächenbeschaffenheit und seiner Brennweite, in einem mehr oder weniger großen Brennfleck. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems wird entscheidend vom Konzentrationsverhältnis beeinflußt, das bei heute üblichen Konzentratoren zwischen I 500 und liegt. Für einen hohen System wirkungsgrad ist ein hohes Konzentrationsverhältnis förderlich. Bei der Konstruktion der Konzentratoren kann zwischen einem facettierten Aufbau und einer flächenhaften Gestaltung der Konzentratorfläche unterschieden werden. Bei ersterem werden mehrere Spiegelsegmente auf eine tragende Struktur aufgebracht und einzeln gestützt und ausgerichtet. Bei letzterem wird die ganze Konzentratorfläche in einem Formgebungsprozeß in eine parabolisch gekrümmte Form gebracht. Die Spiegelfacetten bestehen aus verspiegeltem Glas oder aus Facetten, die mit einer verspiegelten Folie belegt sind. Bei neueren Entwicklungen werden die einzelnen Facetten oder der gesamte Konzentrator mit vorgespannten Membranen (Stretched Membrane Technologie) ausgeführt, wobei die einzelnen Elemente aus dünnen Metall- oder Kunststoffmembranen bestehen, die vorgespannt und mittels eines Formgebungsprozesses in ihre gewünschte Gestalt gebracht und in der Regel mit Unterdruck stabilisiert werden. Mit der Metallmembrankonstruktion werden bei den flächenhaft gestalteten Konzentratoren hohe Steifigkeiten und eine gute optische Leistungsfähigkeit bei geringem Gewicht erzielt. Die Konzentratorgrößen liegen bei etwa 6,5 bis maximal 25 m im Durchmesser. Nachführung. Die punktkonzentrierenden Parabol-Konzentratoren müssen kontinuierlich, über zwei Achsen, dem Lauf der Sonne nachgeführt werden, so daß die Sonnenstrahlen stets parallel zur Konzentratorachse einfallen. Dabei wird zwischen azimutaler und polarer Nachführung unterschieden. - Bei der azimutalen Nachführung wird der Konzentrator über eine Achse parallel zur Erdoberfläche (Elevationsachse) und einer zweiten senkrecht zur Erdoberfläche (Azimut) bewegt. - Bei der polaren (oder parallaktischen) Nachführung verläuft eine Achse parallel zur Erdrotationsachse (polare Achse) und die andere senkrecht dazu (Deklinationsachse ). Die Systeme werden über eine Computersteuerung automatisch der Sonne nachgeführt.

15 AI.3 Dish/Stirling- und Dish/Brayton-Systeme 481 Receiver. Der Receiver ist das Bindeglied zwischen Parabol-Konzentrator und Wärmekraftmaschine. Seine Aufgabe ist es, so viel von der vom Konzentrator reflektierten Strahlungsenergie wie möglich zu absorbieren und diese in Form von Wärme an das Arbeitsgas der Wärmekraftmaschine zu übertragen. Am Receiver treten die höchsten Temperaturen des Systems auf. Die Intensitätsverteilung der konzentrierten Strahlung im Brennfleck ist aufgrund von Spiegelfehlern nie ganz gleichmäßig. Auf der Absorberfläche können daher große Temperaturgradienten auftreten. Derzeit übliche Betriebstemperaturen liegen im Bereich von 600 bis 800 C für das Arbeitsmedium und die Drücke bei Receivern für Stirlingmaschinen bewegen sich zwischen 40 und 200 bar /AI-45/ und für Gasturbinen bei einigen bar. Receiver für Dish-Systeme werden als Hohlraum-Receiver (Cavity-Receiver) ausgeführt. Die konzentrierte Strahlung fällt durch eine kleine Öffnung, die als Apertur bezeichnet wird, in den Hohlraum ein. Der Aperturdurchmesser wird dabei so optimiert, daß der größte Teil der konzentrierten Strahlung durchtritt und gleichzeitig Konvektions- und Strahlungsverluste begrenzt werden. Die Absorberfläche ist hinter der Apertur und damit hinter dem Brennfleck angeordnet, um die auftreffende Strahlungsintensität zu vermindern. Bei DishiStirling-Systemen ist die Apertur dabei offen; bei den volumetrischen Receivern für Gasturbinen wird sie demgegenüber durch ein Quarzglasfenster geschlossen. Im folgenden werden die wesentlichen Receivertypen, die in der Vergangenheit entwickelt wurden und von denen auch für die Zukunft eine gewisse Bedeutung erwartet werden kann, kurz beschrieben. Rohrreceiver. Die einfachste Bauweise eines Solar-Receivers für den Stirlingmotor stellt der direkt bestrahlte Rohrreceiver dar (Abb. AI.lO). Hier dienen die vom Arbeitsmedium durchströmten Erhitzerrohre des Stirlingmotors als Absorberfläche; sie werden direkt mit der konzentrierten Solarstrahlung beaufschlagt. Dazu muß die Geometrie der Stirling-Erhitzerrohre so gestaltet werden, daß bei möglichst geringem Totraum möglichst gleichmäßige und nicht zu hohe Strahlungsflußdichten auf die Absorberfläche auftreffen /AI-36, AI-37, AI-45/. Heat Pipe Receiver. Im Heat Pipe (Wärme rohr) Receiver (Abb. AI.1I) wird ein flüssiges Metall (derzeit in der Regel Natrium) als Wärmeträgermedium eingesetzt. Durch einen Verdampfungs- und Kondensationskreislauf, in dem dieses Wärmeträgermedium transportiert wird, erfolgt der Transport der latenten Verdampfungswärme von der bestrahlten Absorberfläche bei fast konstanter Temperatur zum Stirling-Erhitzer. Das Kondensat wird nach der Wärme abgabe an den Erhitzer von der Kapillarstruktur aufgenommen und durch die kapillare Saugwirkung zur Heizzone zurück transportiert. Der fertigungstechnische Aufwand des Heat Pipe Prinzips ist deshalb vergleichsweise hoch. Dem steht der Vorteil gegenüber, daß hohe und auch extrem unterschiedliche Wärmestromdichten gleichförmig auf den Stirling-Erhitzer übertragen werden; dadurch sind höhere Maschinenwirkungsgrade und eine längere Lebensdauer möglich. Ein zusätzlicher Vorteil ist, daß der Heat Pipe

16 482 Anhang I Absorber ROhre konzentrierte Solarstrahlung ~~"""... Arbeitsgas (He oder H2) Abb. AI.I0 Rohrreceiver für einen solarbetriebenen Stirlingmotor Receiver vergleichsweise einfach hybridisiert werden kann; d. h. er kann zusätzlich zur Solarstrahlung auch mit flüssigen oder gasförmigen, fossilen oder biogenen Brennstoffen betrieben werden IAI-5, AI-12, AI-23, AI-24, AI :' konzentrierte. _~~!arstrahiung ". '", a~~~~i2:::~ llüssiges - Natrium Abb. AI. II Prinzip des Heat Pipe Receiver (Wärmerohr Receiver) für Dish/Stirling-Systcme (nach / AI-45/) Volumetrische Receiver. Bei den Dish/Brayton-Systemen wird als Wärmeträgermedium Luft verwendet. Konventionelle Rohrreceiver können bei Luft als Wärmeträger aber nur kleine Wärmestromdichten auf den Rohren ertragen; dies führt zu großen Receivern und entsprechenden Druckverlusten. In volumetrischen Receivern (Abb. AI.l2) wird die konzentrierte Solarstrahlung deshalb im Innern (d. h. also im Volumen) einer hochporösen Struktur absorbiert und die entstehende Wärme direkt durch Konvektion an das Gas, das diese poröse Struktur durchströmt, abgegeben. Der Vorteil des.volumetrischen Receivers liegt in den kleineren charakteristischen Längen des Wärmeübertragers und der daraus resultierenden größeren Wärmeüber-

17 AI.3 DishiStirling- und DishiBrayton-Systeme 483 tragungszahl. Dadurch ist die zur Übertragung einer bestimmten Leistung erforderliche Temperaturdifferenz und damit auch die Oberflächentemperatur des Wärmeübertragers bei gleicher Arbeitsmitteltemperatur niedriger; außerdem sind die thermomechanischen Beanspruchungen geringer. Der Absorber kann folglich bei höheren Strahlungsflußdichten und Luft-Austrittstemperaturen betrieben werden. Die Absorberstruktur besteht entweder aus Drahtgeflecht oder aus Keramikschaum. Der Druckverlust durch den Absorber ist vernachlässigbar; dies ist eine wichtige Voraussetzung für gute Turbinenwirkungsgrade. Die Apertur wird durch ein Quarzglasfenster geschlossen; es hat eine hyperbolische Form, damit die Reflexionsverluste klein gehalten werden können. Hinter dem Absorber im Gasaustrittsbereich kann zusätzlich ein mit fossilem oder biogenem Brennstoff betriebener Brenner integriert werden /AI-6, AI-7, AI-171. kon zentrierte Solarstrahlung ~~~~ Lufteinlaß Luftauslaß.,(O:r=5E'~ Lufteinlaß...- Quarzglasfenster ~~~J~;I;;;~~~~v~ol~umetrisCher Absorber Abb. AI.12 Volumetrischer Receiver für ein DishiBrayton-System (nach / AI-7 /) Stirlingmotor. Der Stirlingmotor gehört zu der Gruppe der Heißgas-Maschinen und arbeitet mit einem geschlossenen System, d. h. im Arbeitsspiel wird immer dasselbe Arbeitsgas benutzt. Die Energiezufuhr erfolgt im Unterschied zu den Ottound Dieselmotoren durch äußere Wärmezufuhr; dies macht den Stirlingmotor auch für Solarbetrieb tauglich. Die für Dish/Stirling-Systeme eingesetzten Maschinen arbeiten mit Helium oder Wasserstoff als Arbeitsgas bei Temperaturen von 600 bis 800 oe. Bei den mechanischen Ausführungen wird zwischen den kinematischen Stirling Maschinen und den Freikolben-Stirling-Maschinen unterschieden. Weiterhin sind einfach- und doppeltwirkende Maschinen verfügbar. Bei einfachwirkenden Stirling Maschinen erfährt nur eine Seite des Arbeitskolbens bzw. des Verdrängers die Druckschwankungen im Arbeitsraum. Bei doppeltwirkenden Anlagen wirkt der

18 484 Anhang [ Druck des Arbeitsgases auf beide Seiten der Kolben. Diese Kolben sind zugleich Verdränger und Arbeitskolben IAI-45, AI-54, AI-57/. Kinematische Stirling-Maschinen. Bei den kinematischen Stirling-Maschinen erfolgt die Kraftübertragung - wie auch bei konventionellen Verbrennungsmotoren üblich - über ein Kurbelgetriebe. Über eine nach außen führende Welle kann an diesem Getriebe ein Generator angeschlossen werden. Dabei wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl unterschiedlicher Kurbelgetriebe entwickelt. Freikolben-Stirling-Maschinen. Bei dieser Ausführung bestehen keine mechanischen Verbindungen zwischen dem Arbeitskolben, dem Verdränger und der Umgebung. Beide Kolben können sich frei bewegen. Die umgewandelte Energie wird also nicht auf einen Kurbeltrieb übertragen, sondern kann z. B. über einen Axialgenerator nach außen geführt werden. Die mechanischen Verbindungen sind durch ein inneres Feder-Dämpfungssystem ersetzt; dadurch werden nur zwei bewegte Teile benötigt. Die Maschine ist hermetisch verschlossen, wodurch Dichtungsprobleme umgangen werden. Freikolben-Stirling-Maschinen haben die theoretischen Vorteile eines einfachen Aufbaus und damit hoher Zuverlässigkeit, liegen aber im Entwicklungsstand derzeit noch weit hinter den kinematischen Maschinen zurück. Ablluß konzentrierte Solarstrahlung Zulluß Kompressor Hochdruck- Turbine Niederdruck- Turbine Abb. AI.13 Funktionsschema des solaren Brayton-Prozesses Gasturbine. Der Brayton-Prozeß wird in einer Gasturbine realisiert; das entsprechende Funktionsschema zeigt Abb. ALI3. Die komprimierte Luft (3 bar ah ) wird in einem Rekuperator auf 650 C vorgeheizt und im Receiver durch die konzentrierte Solarstrahlung auf etwa 900 "C aufgeheizt /AI-6/. Anschließend strömt das Gas durch eine Brennkammer; hier kann die Luft bei ungenügender Solarstrahlung zusätzlich erhitzt werden. Nun wird das Gas in einer zwei stufigen Turbine entspannt, deren erste Stufe den Kompressor und deren zweite Stufe über ein Getriebe den Generator antreibt. Nach dem Verlassen der Turbine wird das Abgas zur Wärmerückgewinnung durch den Rekuperator geleitet.

19 AI.3 Dish/Stirling- und Dish/Brayton-Systeme 485 Industriell gefertigte Gasturbinen werden derzeit mit Leistungen zwischen 500 kw und 300 MW angeboten; eine mögliche untere Leistungsgrenze wird gegenwärtig bei ca. 30 kw gesehen. Neuere Entwicklungen in der Gasturbinentechnik setzen Hochgeschwindigkeitsgeneratoren ein. Dadurch entfällt das Getriebe, die Bauweise wird mit nur einem rotierenden Bauelement sehr kompakt und einfach. Steuerung und Regelung. Die Dish-Systeme werden computergesteuert dem Lauf der Sonne nachgeführt. Bei den Metallmembrankonzentratoren wird eine Unterdruckpumpe über einen Pressostaten angesteuert, um den gewünschten Unterdruck im Konzentratorinneren und damit die Krümmung der Spiegelfläche einzustellen. Die Leistungsregelung erfolgt ebenfalls automatisch; bei den Stirlingmotoren wird dies durch eine Variation des Arbeitsgasmiueldruckes realisiert. A1.3.2 Anlagen In den letzten 12 Jahren wurden von vier verschiedenen Gruppen insgesamt sechs DishiStirling-Prototypen entwickelt und teilweise mehrere Einheiten gebaut und getestet. Tabelle AI.3 zeigt die wesentlichen Kenngrößen der wichtigsten Dishl Stirling-Anlagen. 20, , ,8 16 ;!..S 14 'C!!! 12 Cl '" ~ 10 :::l ~ 8 -~ ~ 6 (!!. 4 2 Netto - Tagesenergie 1, ,2 1,0 0, ,4 0,2 'ff E : ~.S Cl> D <I! 0> D <I! Cl> ' ~ CI> c: w Direktstrahlung in kwh/(m'd) Abb. AI.14 Kennlinie und Wirkungsgradverlauf dreier 9 kw Dish/Stirling Systeme Anlagenkennlinie. Exemplarisch zeigt Abb. AI.l4 eine typische Leistungskennlinie mit Wirkungsgraden der drei 9 kw Anlagen, die seit 1991 im Dauerbetrieb (Sonnenauf- bis Sonnenuntergang) betrieben werden und insgesamt bisher ca Stunden betrieben wurden IAI-371 (Energie- und Leistungsdaten gemäß IEA Richtlinien IAI-46/). Die durchgezogene Linie zeigt den bei optimaler Fahrweise erreichbaren Verlauf der Kennlinie.

20 486 Anhang I Tabelle AI-3 Stand der Dish/Stirling-Technik (nach IAI-7/) Vanguard MDAC SBP SBP SBPILCS Aisin! 50kW 9kW IOkW Miyako Jahr ab ab 92 Leistung in kw"dto ,5 Wirkungsgrad in % 29,4' ,1 20,3 12" Anzahl I Betriebsstunden in h Verfügbarkeit in % Status beendet beendet gel. Betr. Dauertest' Testbetr. Konzentrator Durchmesser in m 10,47 10, ,5 8,5 7,5 Bauart le le 2 d 2 d 2 d 2" Zahl der Facetten I I I 24 Facettengröße in cm 45,1 x 60,3 91 x ,4 Spiegelträger! Glas! Glas! Glas! Glas! Glas! Plastikfoliel Reflektor Silber Silber Silber Silber Silber Aluminium Reflektivität in % 93, bis 85 Konzentrationsfaktor Betriebsstunden in h Wirkungsgrad in % 89 88,1 78, Maschine Hersteller USAB USAB USAB SOLO SOLO Aisin Seiki Leistung in kw" Il 30 Arbeitsgas H 2 H 2 H 2 He He He Mitteldruck in MPa max ,5 Gas-Temperatur in "C ma, Betriebsstunden in h Wirkungsgrad in %' 38,5 38,5 38,6 31 > Receiver Typ Rohr Rohr Rohr Rohr Rohr Rohr Aperturdurchmesser in cm ,5 Rohrtemperatur in C Wirkungsgrad in % Bei 760 C Gastemperatur; b Bei 900 W/m 2 ; e Facettiert Glas-Spiegel; " Stretched Membrane;, Einschließlich Generator; I Drei Anlagen. Aktuelle Entwicklungen. In Deutschland arbeiten mehrere Firmen an der Weiterentwicklung des SBP 9 kw Systems, das derzeit in allen Komponenten den höchsten Entwicklungsstand aufweist. Zur Leistungs- und Ertragssteigerung wurde die Konzentratorfläche von bisher 44,1 m 2 (0 7,5 m) auf 56,7 m 2 (0 8,5 m) vergrößert. Auf diese Weise wird ein solares Vielfaches von 1,3 erzielt; dies führt zu einer Steigerung der Jahresertrages um ca. 30 %. Dadurch wird bei nur unwesentlichen Herstellungs-Mehrkosten des Konzentrators ein deutlicher Beitrag zur Reduzierung der Gesamtkosten geliefert. Die weiterentwickelte Stirling-Maschine

21 AI.4 Parabolrinnenkraftwerke 487 zeigt eine Leistungssteigerung (Wellenleistung) von fast 15 % von 9,5 kw auf 11 kw bei gleichzeitiger Wirkungsgradsteigerung und einer Stabilisierung der MTBF-Zeiten auf ca Stunden sowie eine Kostenreduktion um 50 % bei Einzelfertigung. Der bewährte Rohrreceiver wurde an die neue Maschine angepaßt und gleichzeitig wurde eine Leistungsabregelung für den Überlastbereich bei hohen Einstrahlungen über 800 W/m 2 eingeführt. Bei einem neu entwickelten Heat Pipe Receiver für das 10 kw SBP Dish/Stirling-System wird dem Wärmerohr über die konzentrierte Solarstrahlung und/oder über einen Gasbrenner Wärme zugeführt. Die Wärme wird über in den Mantel des Wärmerohrs eingelötete Stirling-Erhitzerrohre an den Stirlingmotor übertragen. Als Brennstoff wird Propan oder ggf. alternativ Biogas eingesetzt IAI-7/. In den USA wird das "Utility Scale Joint Venture Pro gram (USJVP)" durchgeführt mit dem Ziel, marktreife netzgekoppelte 25 kw Einheiten zu entwickeln IAI-21/. Im Rahmen dieses Programms arbeitet ein Konsortium an der Entwicklung eines Dish/Stirling-Systems, das den doppeltwirkenden STM Stirlingmotor einsetzt. Der Konzentrator mit einer Spiegelfläche von 89,4 m 2 besteht aus 16 einzelnen Metall-Membran-Facetten, die auf eine tragende Stahlstruktur aufgesetzt sind. Als Bindeglied zwischen Konzentrator und Motor wird ein direkt bestrahlter Rohrreceiver verwendet. Alternativ wird ein Heat Pipe Receiver entwickelt. Außerdem liegt das Design für eine hybridisierte Variante des Rohrreceivers vor. Bis 1996 wurde an der Entwicklung eines 7 kw und eines 30 kw Dish/Stirling Systems gearbeitet. In beiden Systemen sollten zunächst Freikolben-Stirlingmaschinen eingesetzt werden. Ein Heat Pipe Receiver für das 7 kw System wurde erfolgreich getestet. Als Backup-Lösung wurde eine Klein-Gasturbine mit ca. 30 kw entwickelt, die mit einem volumetrischen Receiver betrieben werden sollte. Zwischenzeitlich wurden diese solarthermischen Aktivitäten jedoch eingestellt. Bei den Dish/Brayton-Systemen gibt es noch keine Prototyp-Anlagen. Verschiedene Firmen arbeiten jedoch derzeit an der Realisierung erster Anlagen. Volumetrische Receiver für Dish/Brayton-Systeme mit 30 kw elektrischer Leistung wurden bereits entwickelt und erfolgreich getestet. AI.4 Parabolrinnenkraftwerke Parabolrinnenkraftwerke gehören zu den linienfokusierenden solarthermischen Stromerzeugungsanlagen. Neun Kraftwerke mit einer elektrischen Nennleistung von insgesamt 354 MW sind in Kalifornien im Netzbetrieb. Die erste Anlage mit 14 MW elektrischer Leistung wurde 1984 in Betrieb genommen, die zuletzt gebaute Anlage SEGS IX im Oktober Bei dieser solarthermischen Stromerzeugungstechnologie konzentriert die reflektierende Oberfläche einer Parabolrinne das Sonnenlicht auf ein entlang der Brennlinie der Parabel angebrachtes Absorberrohr. Das darin befindliche Wärmeträger-

22 488 Anhang I medium (Heat Transportation Fluid, HTF) wird erhitzt und durch Rohre zu einem Dampferzeuger gepumpt, dem eine Dampfturbine nachgeschaltet ist. Der Großteil des derzeit kommerziell erzeugten solarthermischen Stroms wird in Parabolrinnenanlagen produziert. Die in der Mojave-Wüste Kaliforniens errichteten neun SEGS-Anlagen (Solar Electric Generating Systems) mit einer Gesamtleistung von 354 MW verwenden Thermoöl als Wärmetransportmedium. Das Öl wird durch Wärmetauscher gepumpt, um überhitzten Dampf zu erzeugen und damit eine Turbine anzutreiben. Ein Erdgasbrenner wird eingesetzt, um auch bei nicht ausreichender Einstrahlung die Stromlieferverpflichtungen erfüllen zu können (Abb. AI-15). 391 C Solarfeld Dampf Turbine Kondensalor ~ Wärmeübertrager Fluid Speisewasser Abb. AUS Funktionsprinzip einer Farmanlage (SEGS VI, VII) (nach /AI-9/) AI.4.1 Komponenten Kollektor. Da es sich bei den Kollektoren um einachsig gekrümmte Parabolrinnen (parabolic troughs) handelt (Abb. AI.16), müssen sie auch einachsig der Sonne nachgeführt werden. Die Konzentration ist etwa 50 bis 90-fach; typisch ist ein Wert von 82 für die aktuelle Generation der LS-3 Kollektoren. Die obere Temperatur ist durch die optischen Verhältnisse und die Stabilität des verwendeten synthetischen Thermoöls auf etwa 400 oe beschränkt. Je nach Ausrichtung erhält man entweder eine über das Jahr gleichmäßigere Energieausbeute (bei Ost-West-Ausrichtung) oder eine höhere Leistungsspitze im Sommer (bei Nord-Süd-Ausrichtung), dafür aber im Winter wegen der höheren Kosinusverluste einen wesentlich geringeren Ertrag. Aufgrund der hohen Einspeisevergütung im Sommer sind die kommerziell betriebenen Anlagen in Kalifornien in Nord-Süd-Richtung orientiert. Die einzelnen Kollektoren werden zu mehrere hundert Meter langen parallelen Strängen zu sammengeschaitet, bei den identischen Kraftwerken SEGS III und SEGS V sind es z. B. 70 parallele Stränge mit jeweils 14 Kollektoreinheiten. Die Aperturweite eines einzelnen LS-3 Kollektors (Stand der Technik) beträgt 5,76 m und die Länge 99 m. SEGS IX mit einer Nennleistung von 80 MW besteht aus 888 dieser Kollektoren.

23 AI.4 Parabolrinnenkraftwerke 489 Spiegel. Es werden Weißglasspiegel mit sehr niedrigem Eisenanteil verwendet. Der gewichtete solare Reflexionsgrad beträgt etwa 94 % in sauberem Zustand. Das Glas ist rückseitig mit einer Silberschicht verspiegelt und einer Epoxy-Farbschicht gegen Witterungseinflüsse geschützt. Keramikscheiben mit eingelassenen Gewindemuttern sind als Halterung auf die Spiegelrückseite aufgeklebt. Absorberrohr. Vor allem wegen der über Umfang und Länge nicht gleichmäßigen Wärmezufuhr ist das Absorberrohr hohen thermomechanischen Belastungen ausgesetzt. Um Verluste durch Wärmeabstrahlung zu minimieren, werden die metallischen Absorberrohre in evakuiierte und selektiv beschichtete Glasrohre montiert. Ständer mit einachsiger Nachlührung Konzentrator mit reflektierender Oberfläche Abb. AI.16 Funktionsprinzip einer Parabolrinne Nachführung und Regelung. Die Kollektoreinheiten werden einachsig der Sonne nachgeführt. Jede Kollektoreinheit verfügt über einen Sonnensensor, der zusammen mit einer Stelleinheit die Lage des Kollektors regelt. Als Antrieb kamen zunächst Schrittmotoren mit Zahnradgetriebe und später bei den moderneren LS-3 Kollektoren kostengünstigere hydraulische Antriebe zum Einsatz. Alle Kollektoren werden von einem zentralen Rechner überwacht und gesteuert. Turbine. Bei den SEGS-Anlagen werden Turbinen mit und ohne Zwischenüberhitzung eingesetzt. Bei den mit einer Thermoöltemperatur von 390 oe arbeitenden neueren Anlagen kann eine effizientere Zwischenüberhitzung eingesetzt werden. Damit wurde der Wirkungsgrad der Turbine im ausschließlichen Solarbetrieb von 30,6 auf 37,7 % gesteigert /AI-3, AI-81. AI.4.2 Anlagen Im Anlagenschema einer Solarfarmanlage (Abb. ALlS) ist zunächst der Kollektorkühlkreis zu sehen; er arbeitet üblicherweise mit synthetischem Thermoöl, das bis