Thermische Solarenergie

Transkript

1 Thermische Solarenergie

2 Robert Stieglitz Volker Heinzel Thermische Solarenergie Grundlagen, Technologie, Anwendungen

3 Robert Stieglitz Institut für Neutronenphysik und Reaktortechnik (INR) Karlsruher Institut für Technologie Eggenstein-Leopoldshafen Deutschland Volker Heinzel Institut für Neutronenphysik und Reaktortechnik (INR) Karlsruher Institut für Technologie Eggenstein-Leopoldshafen Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Zusammenfassung Dieses Buch wendet sich an Ingenieurstudenten im Masterbereich ihres Studiums. Am Anfang steht eine Analyse des Wärme- und Strombedarfs in Deutschland und anderen Staaten. Kapitel zwei widmet sich zunächst der solaren Einstrahlung, deren Intensität und Einstrahlungsrichtung. Kapitel drei behandelt den Aspekt der Konzentration solarer Strahlung und die daraus ableitbaren Konsequenzen für den Wirkungsgrad und den Kollektoraufbau. Im Kapitel vier werden die wesentlichen passiven Aspekte bei der Nutzung solarer Strahlung diskutiert. Dies beinhaltet Verlustmechanismen wie Wärmeleitung in Festkörpern und Gasen, den Strahlungsaustausch zwischen Körpern sowie die elektrodynamische Behandlung des Lichttransports an sowie durch Grenzflächen. Aus dem optischen Strahlungstransport ergeben sich unmittelbar Konsequenzen für die Wärmedämmung und die Randbedingungen zur Herstellung selektiver Absorptionselemente, die die solare Einstrahlung erst nutzbar machen. Kapitel fünf beleuchtet den Energie- und Impulstransport in solarthermischen Systemen, einen der wichtigsten Transfermechanismen. Dieser Transport kann sowohl ein- als auch mehrphasig erfolgen, so dass die wichtigsten Kennzahlen und deren Bedeutung erläutert werden. Den Hauptgegenstand des Kapitels sechs bildet aktive Nutzung solarthermischer Niedertemperatursysteme. Da aktive Systeme im Verbund mehrerer Elemente arbeiten, wird eine Systemsimulation zur Bestimmung der Effizienz erforderlich. Die hierfür erforderlichen Grundgedanken und Modelle werden skizziert. Des Weiteren werden die in den Kapiteln drei und vier erarbeiteten Erkenntnisse auf Niedertemperaturkollektortypen angewandt und diskutiert. Einen weiteren Nutzungsaspekt bildet die kraftwerkstechnische Umsetzung der Solarthermie, in der mehrere Optionen denkbar sind. Technisch bisher realisierte Konzepte, Spezifika und Ankopplung an einen Kraftwerkszyklus sind Gegenstand von Kapitel sieben. Da diese Kraftwerksnutzung auch die Speicherung von Energie beinhaltet, erfolgt in Kapitel acht Kapitels eine Diskussion potenzieller Speicherverfahren bezüglich ihres physikalischen oder elektrochemischen Wirkprinzips und ihrer Leistungsfähigkeit. Da die Solarthermie als Antriebquelle auch für Kühlprozesse immer interessanter wird, beleuchtet Kapitel neun diesen Themenbereich etwas näher. V

5 VI Zusammenfassung Das Buch ist so angelegt, dass es auch als Nachschlagewerk genutzt werden kann. Insbesondere sind die einzelnen Kapitel so verfasst, dass sie weitestgehend in sich abgeschlossen sind und nur wenig hin- und hergeblättert werden muss. Dennoch ist eine physikalischtechnische Grundausbildung zum Verständnis der aufgeführten Argumentationsketten und Gedankengänge sinnvoll. Die Autoren KIT Karlsruhe, den 4. April 2012

6 Vorwort Mitte der 80er Jahre ging das Interesse der Studenten an der Vorlesung Reaktortechnik zurück. Im Kontakt mit Diplomanden wurde häufig der Wunsch an mich herangetragen, dass doch jemand eine Vorlesung über Reaktortechnik und Erneuerbare Energietechniken sozusagen beides aus einer Hand halten möge. Ich leitete den Wunsch an Herrn Prof. Dieter Smidt, dem damaligen Leiter des Instituts für Reaktorentwicklung im früheren Kernforschungszentrum, weiter. Er arbeitete daraufhin die Vorlesung Energiesysteme aus, die im ersten Semester Erneuerbare Energien und im zweiten Semester Reaktortechnik mit einem starken Anteil über Reaktorsicherheit behandelte. Bei der Ausarbeitung des Manuskriptes war ich eingebunden. Ebenso wurde mir die Betreuung von Studien- und Diplomarbeiten im Bereich der Erneuerbaren Energien übertragen. Die Vorlesung fand bei den Studenten sofort großen Anklang. Die Kombination meiner bisherigen Tätigkeit, des Umfeldes im Institut und die Beobachtung der Aktivitäten und des Marktes für thermische Solarenergie führten zur Entscheidung, die Dampferzeugung mittels Solarkollektoren zu untersuchen. Der Einsatzbereich bezüglich Leistung, Kollektorgröße und Temperatur wurde eingeschränkt, da die Kollektoranlagen in Kalifornien und auch einer deutschen Firma den Großindustriellen Einsatz abdecken konnten. Die Kenntnis der Strömungsinstabilitäten von Zwei-Phasen-Strömungen in Kernkraftwerken sollte den Einstieg erleichtern. Die bekannten Instabilitäten traten nicht auf, jedoch andere Typen stellten sich ein und verhinderten die gleichmäßige Dampfabgabe. In der Folge entstanden zahlreiche Diplom- und Studienarbeiten mit wertvollen wissenschaftlichen Ergebnissen und technischen Lösungen. Zusammen mit eigenen Arbeiten flossen die Erkenntnisse in die Vorlesung schließlich auch in das vorliegende Buch ein. Den Studenten bin ich sehr dankbar für ihre engagierten Mitarbeiten. Sie brachten oft Material mit, das in das Vorlesungsmanuskript eingearbeitet wurde. Dem Forschungszentrum bin für die großzügige Unterstützung von Sachmittel für die experimentellen Arbeiten zu Dank verpflichtet. Nach der Emeritierung von Prof. Smidt hielt ich die Vorlesung Energiesysteme I Regenerative Energien bis zu meinem Wechsel in das Forschungszentrum. Danach konzentrierte sich der Inhalt meiner Vorlesung auf die Thermische Solarenergie. Mit meinem VII

7 VIII Vorwort Ausscheiden ging die Vorlesung an Herrn Dr. Ihli und schließlich an Herrn Prof. Dr. Robert Stieglitz über. Roberts Entschluss, mit dem Vorlesungsmaterial als Start ein Buch zu schreiben und seinen großen Einsatz dabei schätze ich mit großem Respekt. Volker Heinzel

8 Inhalt 1 Energiebedarf Weltweite Entwicklung des Energiebedarfs, Energieressourcen Auswirkungen des Energiebedarfs Energieformen, -träger und -umwandlungsprozesse, Exergie-Anergie Bedarfsdiagramme Deutschland- wirtschaftliche Überlegungen Energiepreise, Erneuerbare Energiengesetz (EEG), Kyoto-Protokoll, Emissionshandel Erneuerbare Energien (EE) in Deutschland Literatur Sonne Einleitung Sonne Fusionsreaktion in der Sonne Sonne als Energiequelle Aufbau der Sonne Blickwinkel der Sonne, Leuchtdichtenverteilung über der Sonnenscheibe Solarkonstante, Globalstrahlung, direkte und diffuse Einstrahlung Spektrum der extraterrestrischen Strahlung Schwächungsmechanismen in der Atmosphäre Technische Berechnung der Schwächung in der Atmosphäre Räumliche und zeitliche Variation der Solarstrahlung Direktstrahlung auf horizontale oder geneigte Flächen Tages-, Jahressummen der extraterrestrischen Einstrahlung auf unterschiedlich ausgerichtete Flächen Einstrahlungsrichtung auf nachgeführte Flächen Einstrahlungsrichtung der diffusen Strahlung Typische Werte der Globalstrahlung Einstrahlung bei Bewölkung Statistische Verfahren Terrestrisch nutzbare Solarstrahlung, Strahlungsbilanz der Erde Literatur IX

9 X Inhalt 3 Einfluss der Konzentration auf solarthermische Systeme Abgrenzung zwischen aktiver und passiver Solarthermie Kollektoren Kollektorarten und typische Einsatztemperaturen Prinzipieller Aufbau eines Kollektors Wirkungsgrad nichtkonzentrierender Solarkollektoren Konzentrierende Systeme Kollektorwirkungsgrad konzentrierender Systeme Bedeutung und Grenzen des Konzentrationsverhältnisses Maximale Absorbertemperatur Geometrische Nachführungsaspekte Nicht-abbildende Konzentratoren Linear-abbildende Konzentratoren Parabolrinnen Reflektorbedingte Grenzen des Konzentrationsverhältnisses Konzentrationsbedingte technische Nutzungsfelder Literatur Passive Mechanismen in der Solarenergie Passive Transportvorgänge und Anwendung in der Solarthermie Arten der Wärmeübertragung Wärmeleitung in Fluiden und Festkörpern Stationäre Wärmeleitung in Fluiden und Festkörpern Instationäre Wärmeleitung in einem Kontinuum Anwendung der Wärmeleitung in der Gebäudetechnik Molekulare Wärmeleitung Strahlungswärmetransport Emission, Absorption und Reflexion Kirchhoff sches Strahlungsgesetz Strahlungsaustausch zwischen Körpern Strahlungsaustausch zwischen grauen, diffus strahlenden unendlichen Flächen Strahlungsaustausch zwischen schwarz strahlenden endlich großen Flächen Strahlungsaustausch zwischen grau strahlenden, endlich großen Flächen Strahlung in Anwesenheit der Sonne Strahlungstransport in transparenten Medien Reflexion, Snelliussches-Brechungsgesetz und Totalreflektion Polarisation, Fresnel sche Formeln und Brewster Winkel Transmission und Reflexion in transparenten Medien Ursachen der Absorption und Reflexion in transparenten Medien Technische Manipulation des Strahlungstransports in transparenten Körpern

10 Inhalt XI Verfahren zur Erzeugung dünner, selektiver Schichten Fenster Transparente Wärmedämmung Selektive Absorber Anforderungen an einen selektiven Absorber Aufbau selektiver Absorber Absorberschichten für die Anwendung im Vakuum Nieder- u. Mitteltemperaturabsorberschichten in Luft/Vakuum Absorberschichten für Hochtemperaturanwendungen Degradationsmechanismen selektiver Absorberschichten Literatur Impuls- und Energietransport in solarthermischen Systemen Kollektorstillstand Einphasiger konvektiver Impuls- und Wärmetransport Erhaltungsgleichungen Ähnlichkeitsgesetze der Strömungsmechanik Laminarer Impulsaustausch Grenzschichtgleichungen Laminarer Energieaustausch Strömungs- und Wärmeübergangsparameter Thermische Randbedingungen Laminare Wärmeübertragung in Rohren Turbulenter Impulsaustausch Turbulenter Energieaustausch Analogie zwischen Wärme- und Impulstransportparametern Verfahren und Modellierungsansätze zur numerischen Berechnung Anwendung lokaler fluiddynamischer Berechnungen im Kollektor Entscheidung Zwang-, Misch- oder auftriebsbehaftete Konvektion Ingenieurtechnisch oft verwendete einphasige Wärmeübergangsbeziehungen Mehrphasiger Impuls- und Energieaustausch Wärmeübergang beim Sieden Behältersieden Erscheinungsformen des Rohrsiedens Kenngrößen der Zweiphasenströmung Homogenes Modell der Zweiphasenströmung Schlupfmodell Druckverlustberechnung in Ein- u. Mehrphasenströmungen

11 XII Inhalt Strömungsformenkarten Wärmeübergang beim Phasenwechsel Instabilitäten der Zweiphasenströmung Kondensation in Rohrleitungen Literatur Solarthermische Niedertemperatursysteme Berechnung solarthermischer Niedertemperatursysteme Niedertemperaturkollektorvarianten Röhrenabsorber Flachkollektor Vakuumkollektor Weitere Kollektorvarianten Systemsimulation solarthermischer Systeme Energiefluss bei Plug-flow-Modellierung Fehleranalyse in Systemsimulationen Solarkollektormodellierung Aufbau solarthermischer Niedertemperatursysteme Thermosiphonanlagen Zwangsumlaufsysteme, Komponenten des Solarkreises Planung, Dimensionierung und Konzeption von Niedertemperatursolarsystemen Verringerung und Vermeidung von Stillstandssituationen Systemkonzepte solarthermischer Niedertemperaturanlagen Literatur Solarthermische Hochtemperatursysteme Klassifizierung von Solarkraftwerken Solarturmanlagen Parabolrinnenkraftwerke Fresnelkraftwerke Spiegel und Spiegelfeldauslegung Strahlungsdichteverteilung der Sonne Zirkumsolarstrahlung Geometrische Verluste am Einzelspiegel Geometrischer Verluste am Spiegelverband Optische, materialspezifische und Absorptionsverluste Berechnungsgrundlagen zur Ermittlung des Receiverertrags Aufwindkraftwerke Funktionsprinzip eines Aufwindkraftwerks Leistung und Wirkungsgrad eines Aufwindkraftwerks Komponenten des Aufwindkraftwerks Solarpond Physikalische Wirkungsweise des Solarponds

12 Inhalt XIII Mathematische Beschreibung des Solarteichs und der Randbedingungen Stabilitätsüberlegungen und vertikale Grenzflächenbewegung in Solarteichen Verfahren zur thermischen Ausspeicherung der Wärme Operative und technische Maßnahmen zum Betrieb eines Solarponds Energiewandlungsprozesse Energiewandelnde Kreisprozesse Carnot Prozess, Auswirkung irreversibler Vorgänge Joule-Brayton-Prozess (Gasturbinenprozess) Clausius-Rankine-Prozess (Dampfprozess) Kombinierte Prozesse-GuD Alternative Kreisprozesse, Organic Rankine Cycle (ORC), KALINA Prozess Kopplung Spiegelfeld- Energiekonversion, fossil-solare Hybridkraftwerke Kostenstrukturen und Optionen solarthermischer Kraftwerke Literatur Energiespeicher Energieinhalt und Anforderungen an Speicher Auslegungsverhältnis solarthermischer Kraftwerke Direkte thermische Speicher Flüssige Speichermedien Speicherkapazität Arten flüssiger thermischer Energiespeichersysteme Thermische Speicher mit festem Speichermedium Latentwärmespeicher Reaktionsspeicher Katalytische Reaktionen Thermische Dissoziationsreaktionen Adsorptionsvorgänge Niedertemperaturspeicher Niedertemperaturspeicherarten Thermische Anforderungen an Wärmespeicher Temperaturschichtung innerhalb des Speichers Literatur Solare Klimatisierung Kühlung und Klimatisierung Bewertungsgrößen von Kälte- und Klimaprozessen Raumklima, Behaglichkeit und Kühllast

13 XIV Inhalt 9.4 Bestimmung der Kühlleistung Solare Kühlverfahren Kälte- und Klimatisierungsprozessführung Ideale Kompressionskältemaschine, Carnot scher Vergleichsprozess Reale Kompressionskältemaschine und Kältemittelwahl Thermisch getriebene Kältemaschinen (Sorptionskältemaschinen) Bewertung der Klimatisierung Literatur Anhang A Berechnung von Wärmeübertragern Sachverzeichnis

14 Über die Autoren Volker Heinzel begann seinen beruflichen Werdegang mit dem Studium des allgemeinen Maschinenbaus mit der Vertiefungsrichtung Kerntechnik an der Universität Karlsruhe (TH). Seine Arbeiten in den folgenden Jahren konzentrierten sich auf die Auslegung von Forschungsreaktoren. In einem Spezialbereich ergab sich die Möglichkeit zur Promotion. Mit den Kenntnissen zur Zwei-Phasen-Strömung ergab sich der Wechsel zur Direktverdampfung und Erzeugung von Prozessdampf mittels Solarkollektoren. Die Aufgabenstellung beinhaltete konstruktive Systemlösungen in Verbindung mit Kenntnissen in der Strömungs- und Mechanik so wie der Messtechnik. Thermische Solarenergie war das Thema seiner Habilitation. Die genannte Kombination findet sich wieder im jetzigen, auch nach dem Übergang in den Ruhestand, Arbeitsgebiet, der Auslegung einer Neutronenquelle für die Materialentwicklung für die Kernfusion. Während der langjährigen Tätigkeit an der Universität und Forschungszentrum Karlsruhe heute im Karlsruhe Institut für Technologie vereint war er stets in die Lehre an der Universität und Ausbildungskurse eingebunden. Robert Stieglitz studierte allgemeinen Maschinenbau mit dem Fokus thermische Turbomaschinen und Thermohydraulik an der Universität Karlsruhe und begann seine berufliche Karriere als Projektingenieur bei einer Ingenieurgesellschaft. Im Rahmen seiner Tätigkeit ergab sich die Möglichkeit zu einer Promotion im Bereich der Fusionstechnologie, deren Schwerpunkt neben der Thermohydraulik, die Messtechnik und Elektrodynamik war. Danach übernahm er am damaligen Forschungszentrum Karlsruhe zunächst die Leitung einer Grundlagenforschungsgruppe, bevor ihm die Leitung des Karlsruher Flüssigmetalllabors KALLA übertragen wurde. Auf der Basis seiner Erfahrung, die auch die Materialforschung beinhaltete, fokussierte er sich unter anderem auf die Wärmeabfuhr thermisch hochbelasteter Oberflächen, die die Schnittmenge zur Solarthermie darstellte. Darüber hinaus konzentriert sich seine wissenschaftliche Tätigkeit auf die Erarbeitung konstruktiver Elemente wie auch systemdynamischer Studien für Energiekonversionssysteme, Flüssigmetall- und Beschleunigeranwendungen. Gegenwärtig leitet er das Institut für Neutronenphysik und Reaktortechnik und hat einen Lehrstuhl am Institut für Fusions- und Reaktortechnik der Fakultät Maschinenbau des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). XV