Solarturmkraftwerke. Marco Leuenberger

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1 Solarturmkraftwerke 20. Dezember 2013

2 Inhalt Was ist ein Solarturmkraftwerk?... 3 Komponenten der Anlage... 4 Heliostaten... 4 Facettierte Glas-Metall-Heliostaten... 4 Metallmembranheliostaten... 5 Heliostatenfeld... 5 Receiver... 6 Natrium-Rohrreceiver... 6 Wasser-Dampf-Receiver... 6 Offene volumetrische Luftreceiver... 7 Geschlossene (druckbeaufschlagte) Luftreceiver... 7 Salzreceiver... 7 Turm... 7 Turbine... 7 Funktionsweise... 8 Wirkungsgrad... 9 Anlagen... 9 Ivanpah... 9 Planta Solar 20 (PS20)...10 Quellen...11

3 Was ist ein Solarturmkraftwerk? Solarturmkraftwerke sind technische Anlagen, die in industriellem Massstab aus Solarenergie primäre Wärmeenergie erzeugen. Diese Wärmeenergie wird anschließend meist in elektrische Energie umgewandelt. Ein Solarturmkraftwerk nimmt die Direkteinstrahlung der Sonne über Reflektoren auf, die diese Strahlung dann in einem Brennpunkt, dem Receiver oder Absorber fokussieren. In einer übergeordneten Systematik gehört das Solarturmkraftwerk zu den solarthermischen Kraftwerken, die gemeinsam mit den thermischen Solaranlagen in den Bereich der direkten und aktiven Nutzung der Solarenergie gehören.

4 Komponenten der Anlage Heliostaten Heliostaten bestehen aus einem Konzentrator, einer Nachführeinheit mit Antriebsmotoren, dem Fundament und einer Steuerelektronik. Der Konzentrator hat die Aufgabe, das Sonnenlicht zu reflektieren und im Receiver zu konzentrieren. Ein zentraler Rechner übernimmt die Berechnung für die Ausrichtung der Heliostaten. Diese Daten werden an die Heliostaten übermittelt. Die Aktualisierung der Daten erfolgt in einem Zeitraum von wenigen Sekunden. Übliche Größen der Konzentrationsflächen von Heliostaten liegen zwischen 40 und 150 m². Dabei unterscheidet man zwischen 2 Heliostatentypen: Facettierte Glas-Metall-Heliostaten und Membranheliostaten. Facettierte Glas-Metall-Heliostaten Der Konzentrator besteht aus einer Vielzahl von 2 bis 3 m² großen, rechteckigen oder runden Einzelspiegeln, sogenannten Facetten. Sie sind auf einen am Fundament angeschraubten Stahlrohrfuß, mit dazwischenliegender Getriebeeinheit, an welche wiederum ein weiteres Rohr, montiert. Aufgrund dieses Aufbaus spricht man auch vom T-Typ Heliostaten. Die Einzelfacetten müssen bei der Montage so ausgerichtet werden, dass sich die Einzelbilder auf dem Receiver zu einem gemeinsamen Brennpunkt überlagern.

5 Metallmembranheliostaten Der doch recht hohe Fertigungs- und Montageaufwand von Einzelfacetten hat einen weiteren Heliostatentypen hervorgebracht, die sogenannten Metallmembranheliostaten. Sie haben eine hohe optische Qualität (höhere Güte als bei Glas- Metallheliostaten) und arbeiten mit einer vorgespannten Membrane. Der Konzentrator besteht aus einer oder mehreren Trommeln, welche wiederum aus einem metallischen Druckring und gespannten Membranen auf der Vorder- und Rückseite bestehen. Im Konzentratorinneren wird durch ein Gebläse oder eine Vakuumpumpe ein Unterdruck von wenigen Milibar eingestellt. Damit wird aus einem ebenen Spiegel ein Konzentrator, die Membran hat sich verformt. Bei anderen Konstruktionen wird ein mechanischen oder hydraulischen Stempel die Membran geformt. Dieses Prinzip hat den enormen Vorteil, dass mit dem Unterdruck die Brennweite variiert werden kann und somit die individuelle Fertigung von Heliostaten entfällt. Heliostatenfeld Das Heliostatenfeld besteht aus einer Vielzahl (mehrere hundert bis einige tausend) von einzelnen Heliostaten, die bei kleineren Leistungen (bis 10 MW) alle im Norden des Turmes (Nordfeld), bzw. bei größeren Leistungen (ab 30 MW) um den Turm herumangebracht sind (Rundumfeld).

6 Im Heliostatenfeld gibt es folgende Verluste: Spiegelreflektivität: Die auf den Heliostaten treffende Direktstrahlung wird vonden Spiegeln nicht vollständig reflektiert Typische Werte liegen zwischen 0,88 und 0,94, wobei durch Regen, Staub, Tau und der Häufigkeit der Spiegelreinigung die tatsächlichen Werte abweichen können. Atmosphärische Abschwächung: Bei der atmosphärischen Abschwächung werden Teile der reflektierten Solarstrahlung auf dem Weg zum Receiver in der Atmosphäre gestreut und absorbiert. Abschatten und Blocken: Abschatten bedeutet, dass auf ein Teil der Spiegelfläche eines Heliostaten durch einen benachbarten Heliostaten abgedeckt wir, so dass auf diese Fläche keine direkte Sonnenstrahlung trifft. Blocken bedeutet, dass Solarstrahlung, die bereits von einem Heliostaten in Richtung des Receivers reflektiert wurde, durch einen zweiten Heliostaten blockiert wird und somit den Receiver nicht erreicht. Spillage (engl.: verschütten): Unter Spillage versteht man Verluste, welche aufgrund von optischen Spiegel und Nachführfehlern entstehen. Gemeint ist die reflektierte Solarstrahlung, die den Receiver verfehlt. Receiver Ein Receiver hat die Aufgabe, die Solarenergie in Wärme umzuwandeln und dem Wärmeträgermedium zuzuführen. Unterscheiden lassen sich die Receiver nach dem verwendeten Wärmeträgermedium (Luft, Salz, Wasser/Dampf, Flüssigmetall) und der Form.Die favorisierten Wärmeträger sind Luft und Salzschmelzen. Natrium-Rohrreceiver Die ersten ausgeführten Solarturmkraftwerke wurden mit Rohrreceivern ausgeführt. Da es mit diesem Medium zu Problemen kam, u.a. ein Natriumbrand durch unsachgemäß durchgeführte Reperaturarbeiten, wurde dieses Verfahren aber nicht mehr angewendet. Wasser-Dampf-Receiver Im Wasser-Dampf-Receiver wird das Wasser verdampft und gegebenenfalls überhitzt. Aufgrund der Schwierigkeiten beim Wärmeübergang wird diese Technologie nicht mehr eingesetzt.

7 Offene volumetrische Luftreceiver Bei offenen volumetrischen Receivern wird Umgebungsluft durch einen von der konzentrierten Solarstrahlung erhitzten Absorber aus Stahldrahtgestrick oder poröser Keramik gesaugt. Die konzentrierte Solarstrahlung dringt in das Absorbermaterial ein und wird größtenteils erst in der Tiefe absorbiert und in Wärme umgewandelt. Ein Gebläse saugt Umgebungsluft von außen durch das bestrahlte Absorbermaterial auf, wobei der Luftstrom die Wärme aufnimmt. Vorteile des Wärmeträgermedium Luft: ungiftig, nicht korrosiv, unbrennbar, überall verfügbar, sowie leicht zu handhaben. Nachteile des Wärmeträgermedium Luft: vergleichsweise niedrige Wärmekapazität (Folge: große Wärmeübertragerflächen erforderlich). Geschlossene (druckbeaufschlagte) Luftreceiver Beim geschlossenen Luftreceiver ist die dem Feld zugewandte, bestrahlte Öffnung des Receivers durch ein Quarzglasfenster geschlossen. Die Luft wird unter Druck erhitzt. Damit kann sie direkt in eine Gasturbine eingespeist werden, womit im Vergleich zum Dampfturbinenprozess der Wärmetauscher entfällt. Bei der Temperatur- und Druckbeaufschlagung des Fensters gibt es Fertigungsprobleme, so dass bis jetzt nur Anlagen bis 100 kw erstellt wurden. Zukünftige Anlagen sollen bis max. 1 MW ausgelegt sein. Salzreceiver Salz hat im Gegensatz zu Luft eine höher Wärmekapazität und kann somit direkt als Wärmespeichermedium eingesetzt werden. Dadurch entfallen die Wärmetauscher zwischen Wärmeträgermedium und Wärmespeichermedium. Es werden Salzschmelzen aus Natrium- und Kaliumnitrat eingesetzt. Bei den Salz- Rohrreceivern wird flüssiges Salz durch die bestrahlten, zur Maximierung der Absorbtion schwarz gefärbten Wärmetauscherrohre, gepumpt. Ein alternatives System ist der Salzfilmreceiver. Hier wird ein dünner Salzfilm entweder direkt oder durch eine Edelstahlplatte hindurch von der konzentrierten Solarstrahlung erhitzt. Vorteil: einfachere kostengünstigere Receiver. Nachteil aller Salzreceiver ist die Notwendigkeit, dass Salz auch nachts und während andere Betriebspausen flüssig zu halten. Dazu ist eine Beheizung des gesamten Salz gefüllten Anlagenteils (Tanks, Rohre, Ventile) erforderlich. Dies geschieht mit elektrischen Widerstandsheizungen. Turm In Solarturmkraftwerken werden Stahlbetontürme und Türme in Stahlgitterbauweise eingesetzt. Im Allgemeinen liegt die Turmhöhe zwischen 90m und 130m. Diese Höhen sind notwendig, damit die einzelnen Heliostaten sich nicht gegenseitig beschatten. Turbine Den für Solarturmkraftwerke relevanten Leistungsbereich ( MW) decken Industrieturbinen ab. Meist werden GuD-Turbinensätze (Gas-Dampf-Turbinensätze) verwendet.

8 Funktionsweise Ein Solarturmkraftwerk unterscheidet sich von einem Photovoltaik Solarkraftwerk, das die Solarenergie direkt in elektrischen Strom transformiert. Ein Solarturmkraftwerk erzeugt hingegen durch die Umwandlung von Solarenergie in Wärmeenergie Wasserdampf. Dieser Wasserdampf treibt dann Turbinen an, die über angeschlossenen Generatoren schließlich umweltfreundlichen Ökostrom erzeugen. Bei der solarthermischen Stromerzeugung in einem Solarturmkraftwerk wird die direkte Solarstrahlung mit Hilfe eines sogenannten Heliostatenfeldes gesammelt und konzentriert. Der Absorber im Strahlungsempfänger übernimmt die Aufgabe, die Strahlungsenergie in Wärme umzuwandeln. Diese wird mittels einer Turbine in mechanische Energie umgewandelt. Mit einem Generator lässt sich dann diese mechanische Energie in elektrische Energie umformen. Die zweiachsig der Sonne nachgeführten Spiegel (Heliostaten) reflektieren die Sonnenstrahlen auf den Strahlungsempfänger (Receiver) in der Turmspitze, wo die Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt wird. Im Receiver wird mit der Wärme entweder direkt Dampf erzeugt oder der Dampf wird in einem nachgeschalteten Dampferzeuger hergestellt. Dem Dampferzeuger wird die Wärme über ein Wärmetransportmittel (Luft oder flüssiges Salz) zugeführt. Dieser Dampf treibt schließlich eine Turbine und damit einen Generator an.

9 Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad der Solarthermie steigt generell mit der Temperatur des Wärmeträgers, weswegen Solarturmkraftwerke einen höheren Wirkungsgrad aufweisen als eine Photovoltaik Anlage. Der Wirkungsgrad wird entscheidend beeinflusst durch die Qualität der Spiegel sowie der Spiegelnachführung. Einige Anlagen setzen auf gekrümmte Hohlspiegel, andere auf Ebene Spiegel. Die Nachführung ist in jedem Fall kompliziert, da die Spiegel um zwei Achsen drehbar gelagert sein müssen. Als problematisch erweist sich der große Abstand zwischen den Heliostaten und dem Absorber. Geringe Abweichungen der Ausrichtung durch Windböen führen so zu größeren Abweichungen des reflektierten Lichts vom Zielpunkt. Üblicherweise wird das Spiegelfeld durch eine zentrale Steuerung einheitlich nachgeführt, solche individuellen Abweichungen einzelner Spiegel werden also nicht korrigiert. Das ist lediglich eine Kostenfrage. Die Spiegel und deren Steuerung sind ohnehin die teuersten Komponenten eines Solarturmkraftwerks. Individuelle zweiachsige Nachführungen für bis zu Spiegel würden die Kosten nochmals in die Höhe treiben. Anlagen Ivanpah Für den ersten der drei Kraftwerksblöcke wurde die bisher größte mit Solartechnik angetriebene Dampfturbinen-Generator-Einheit in Auftrag gegeben. Die verwendete Dampfturbine leistet 123 MW. Der Baubeginn war im Oktober Im Oktober 2013 hat der erste Bauabschnitt im Testbetrieb erstmals Strom in das Netz eingespeist. Dieser erste Bauabschnitt des Kraftwerks soll 2013 komplett sein. Der Standort des 16 Quadratkilometer großen Kraftwerksprojekts liegt an der Interstate 15, nördlich der Siedlung Ivanpah, unweit der Grenze zwischen Kalifornien und Nevada. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten unterstützt das Projekt mit einer Kreditbürgschaft über 1,375 Mrd. Dollar, die größte, die je für ein Solarprojekt genehmigt wurde. Die Gesamtkosten des Vorhabens wurden nicht veröffentlicht. Alle drei Kraftwerke erzeugen nach Betreiberangaben Strom für amerikanische Haushalte. Das Energieministerium gibt den durchschnittlichen Verbrauch eines amerikanischen Haushalts mit kwh an. Damit erzeugen die Kraftwerke

10 kwh oder GWh Strom pro Jahr. Planta Solar 20 (PS20) Das aktuell weltgrößte Turmkraftwerk ist mit 20 MW Leistung Planta Solar 20 (PS20) bei Sevilla in Spanien. Die Technologie wurde bereits erfolgreich in der Planta Solar 10 (PS10), der kleinen Schwester von PS20 getestet, die seit 2006 über 10 MW saubere Sonnenenergie liefert. Umgesetzt wurde die Anlage von Abengoa Solar, die Technologie wurde in Kooperation mit internationalen Forschungseinrichtungen entwickelt. Das PS20- Solarkraftwerk besteht aus einem m² grossen Solarfeld mit rund 1,255 Solarspiegeln (Heliostate). Jeder Heliostat hat eine Fläche von 120m² und einen Elektromotor, mit dem er genau ausgerichtet werden kann, damit er die Sonnenstrahlung auf den Empfänger auf einem 165 Meter hohen Turm reflektiert. In diesem wird Wasser verdampft und in einer Turbine zur Stromerzeugung genutzt. Ein Speichersystem liefert auch während der Nacht oder bei bewölktem Himmel Strom.

11 Quellen

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