Kollektorentwicklung für solare Parabolrinnenkraftwerke

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1 DOI: / bate Wolfgang Schiel BERICHT Kollektorentwicklung für solare Parabolrinnenkraftwerke In den letzten Jahren wurden mehrere große solarthermische Kraftwerke in Spanien und Nordafrika gebaut und in Betrieb genommen. Bis Ende 2013 werden allein in Spanien solarthermische Kraftwerke mit einer Leistung von insgesamt ca. 2,5 GW am Netz angeschlossen sein. Die meisten dieser Anlagen sind sogenannte Parabolrinnenkraftwerke, die zurzeit am weitesten fortgeschrittene solarthermische Technologie. Diese Kraftwerke bestehen aus großen Kollektorfeldern mit hunderttausenden Quadratmetern Kollektor flächen, die die erforderliche Wärme für den Betrieb eines konventionellen Kraftwerksblocks bereitstellen. Die Kosten dieser solarthermischen Technologie werden im Wesentlichen durch die Kosten des Kollektorfeldes bestimmt. Um in Zukunft mit fossilen Kraftwerken vergleichbare Stromerzeugungs kosten zu erzielen, sind weitere Entwicklungsarbeiten der solarspezifischen Komponenten im Hinblick auf Kostensenkung und Effizienzsteigerung erforderlich, insbesondere beim Solarkollektor. Collector development for solar parabolic trough power plants In the last years several solar thermal power plants were constructed and successfully put into operation in Spain and North Africa. By the end of 2013, a total of 2,5 GW solar thermal power plants will be in operation in Spain alone. Most of these plants are parabolic trough power plants, which is currently the most highly developed solar thermal technology. These power plants consist of a large solar col lect or field with hundreds of thousands of m 2 collector areas, which generate the required warmth for the operation of a conventional power block. The costs of this technology are primarily determined by the costs of the collector field. In order to achieve electricity generation costs that are competitive to fossil power plants, further developments of the solar components with regard to cost reduction and increased efficiency are necessary, especially for the solar collector. Keywords Parabolrinnenkraftwerke; Solarthermie; Parabolrinnenkollektor Keywords concentrated solar power; parabolic trough technology 1 Das Prinzip Parabolrinnen-Kollektoren sind einachsig der Sonne nach - geführte konzentrierende Solarkollektoren. Ihre einachsig parabolisch gekrümmte Spiegelfläche reflektiert das Sonnenlicht auf ein entlang der Brennlinie des Spiegels angebrachtes vakuumisoliertes Absorberrohr (Bild 1). Typische Konzentrationsfaktoren liegen bei 70 bis 100. Das durch das Absorberrohr gepumpte Wärmeträgermedium in der Regel ein synthetisches Thermoöl (Heat Transportation Fluid, HTF) wird durch die konzentrierte Solar strahlung bis auf knapp 400 C erhitzt. Spiegel und Absorberrohr werden einachsig, meist hydraulisch, der Sonne nachgeführt. Durch Hintereinanderschalten von einzelnen Kollektorelementen entstehen mehrere hundert Meter lange Stränge, so genannte Loops. Das heiße Wärmeträgermedium einer großen Anzahl dieser Loops wird gesammelt und zentral einem Dampferzeuger zugeführt, dem eine konventionelle Dampfturbine (Dampfeintritt ca. 370 C bei etwa 100 bar) mit Generator nachgeschaltet ist. Wird die vom Kollektorfeld erzeugte thermische Energie nicht aktuell benötigt, kann diese auch optional einem thermischen Speicher zugeführt und zu einem späteren Zeitpunkt zur Stromerzeugung verwendet werden. 2 Einleitung Bild 1 Prinzip der Strahlensammlung bei einer Parabolrinne Principle of a Parabolic Trough Parabolrinnenkrafwerke zählen zu den so genannten solaren Großkraftwerkenden, die als Kraftwerk mit Leistungen von 50 bis über 200 MW mit und ohne Speicher 182 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Bautechnik 89 (2012), Heft 3

2 ihren Einsatz finden. Ihre Entwicklung begann bereits vor mehr als 100 Jahren. Um 1880 trieb der aus Schweden stammende Amerikaner JOHN ERICSSON seine Heißluftmaschine mit einem Parabolrinnenkollektor an meldeten Dr. WILHELM MEIER aus Aalen und ADOLF REMSHARDT aus Stuttgart ein Patent über eine Vorrichtung zur unmittelbaren Verwendung der Sonnenwärme zur Dampferzeugung in Para bolrinnenkollektoren an. Es dauerte dann fünf Jahre, bis 1912 die Parabolrinne erstmalig zur Krafterzeugung eingesetzt wurde, als der Engländer FRANK SHUMANN und der Amerikaner C.V. BOYS eine 45-kW-Dampfmotorpumpe in Meadi, Ägypten, konstruierten. Sie verwendeten dafür Parabolrinnenkollektoren mit einer Länge von 62 m, einer Aperturweite von 4 m und einer gesamten Aperturfläche von m Quadratmeilen von Kollektoren in der Sahara, so schrieb SHUMAN damals, könnten der Welt auf Dauer die 270 Millionen Pferdestärken liefern, die sie zu jener Zeit benötigte bewilligte der Deutsche Reichstag Reichsmark für eine Parabolrinnen-Demonstration in Deutsch Südwest- Afrika. Der Beginn des Ersten Weltkriegs und die Entdeckung von Erdöl in Nahost setzten der Realisierung dieses Plans ein abruptes Ende. W. Schiel: Collector development for solar parabolic trough power plants Das Interesse an der Parabolrinnen-Technologie erwachte dann erst wieder zwischen 1979 und 1980 als Reaktion auf die Ölkrise. Gefördert vom Bundesministerium für Forschung und Technologie und dem US Department of Energy (DOE) wurden mehrere Prozesswärmeanlagen und Wasserpumpensysteme mit Parabolrinnenkollektoren entwickelt, gebaut und getestet. Ende der Siebziger be schlossen dann neun Mitgliedsländer der Internationalen Energie Agentur (IEA) den Bau einer ersten größeren Demonstrationsanlage mit einer elektrischen Leistung von 500 kwel. Die Anlage wurde 1981 auf der Plataforma Solar de Almería in Spanien in Betrieb genommen. Zwei verschiedene Kollektortypen kamen dabei zum Einsatz: ein von der deutschen Firma MAN entwickelter zweiachsig nachgeführter Kollektor und ein von der amerikanischen Firma Acurex entwickelter einachsig nachgeführter Rinnenkollektor (Tabelle 1). Bei der Auswertung der Betriebsdaten zeigte sich dann, dass der zwei achsige MAN-Kollektor zwar deutlich bessere Wir - kungs grade zeigte (aufgrund seiner zweiachsigen Nachführung), aber im Gegensatz zum Accurex-Kollektor erheblich aufwändiger und damit spezifisch teurer war. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden dann in den nach - folgenden Entwicklungen nur noch einachsig nachgeführ - te Parabolrinnenkonzepte weiterverfolgt. BERICHT REPORT Tab. 1 Kollektordaten der Kollektorern Acurex, MAN und LS-1, LS-2, LS-3 Collector data of the collectors Acurex, MAN, and LS-1, LS-2, LS-3 Kollektor Acurex MAN Luz LS-1 Luz LS-2 Luz LS M-480 Jahr Aperturfläche einer Kollektoreinheit m Aperturweite m 1,8 2,4 2,5 5 5,7 Kollektorlänge m Absorberrohr-Durchmesser mm Konzentrationsfaktor 36:1 41:1 61:1 71:1 82:1 Optischer Wirkungsgrad % ,7 76,4 80 Tab. 2 Kenndaten der neun Parabolrinnenkraftwerke der Firma LUZ in den USA Characteristics of the nine parabolic trough collector power plants of the company LUZ in the US Anlage Jahr der Install. Kap. Solarfeld Solarfeld- Turbinen- Turbinen- Geplante jähr- Inbetrieb- [MWel netto] Auslass- fläche wirkungsgrad wirkungsgrad liche Stromnahme temp [ C] [m 2 ] [%] Solar [%] Erdgas produktion [MWh] I , , II ,4 37, III/IV ,6 37, V ,6 37, VI ,5 39, VII ,5 39, VIII ,6 37, VIII ,6 37, Bautechnik 89 (2012), Heft 3 183

3 W. Schiel: Kollektorentwicklung für solare Parabolrinnenkraftwerke Bild 2a Acurex Kollektor Acurex Collector Bild 2b MAN Kollektor MAN Collector Daran anschließend wurden von der Firma LUZ International Limited in den Jahren 1984 bis 1991 insgesamt neun kommerzielle Parabolrinnenkraftwerke (SEGS 1 bis XI) mit einer elektrischen Leistung von MWe je Anlage entwickelt und ans Netz angeschlossen (Tabelle 2). Im Zuge dieser Baumaßnahmen wurden drei Kollektor typen entwickelt: LS1 bis LS3. Insgesamt wurden über 2 Mio. m 2 Parabolrinnenkollek - toren in diesen neun Kraftwerken mit einer gesamten Strom erzeugungskapazität von 354 MW installiert (Bild 3a). Die Anlagen werden seit nunmehr über 25 Jahren in der Mojave-Wüste in Südkalifornien betrieben und hatten bis Ende 2001 fast 10 Mrd. kwh reinen Solarstrom erzeugt, und damit fast 1,5 Mrd. US-Dollar an Vergütungen durch die Einspeisung in das kalifornische Netz erlöst. Diese solare Stromproduktion entsprach 2001 mehr als 50 % des damals auf der Welt erzeugten Solarstroms. 2.1 Der Weg zu den ersten solarthermischen Großkraftwerken in Europa Es vergingen weitere zehn Jahre, in denen national wie international so gut wie keine wesentlichen Arbeiten an dieser Technologie stattfanden. Erst Ende der 90er Jahre wurden die Entwicklungsarbeiten wieder intensiv aufgegriffen. In der Hoffnung, dass bei zunehmendem Weltenergiebedarf, steigenden Ölpreisen und den eingegangenen Verpflichtungen der einzelnen Länder aus dem Kyoto-Abkommen diese Technologie eine reelle Marktchance hat, begann sich eine europäische Gruppe auf den Bau von großen Rinnenkraftwerken vorzubereiten. In Zusammenarbeit mit europäischen Partnern und Unterstützung der EU entwickelte schlaich bergermann und partner eine erste neue Kollektorstruktur, den so genannten EuroTrough-Kollektor, und errichtetet einen Prototypen im Jahr 2000 auf der Plataforma Solar de Almería, dem Europäischen solaren Testzentrum im Süden Spaniens. Dieser erste Entwicklungsschritt griff die geometrischen Daten hinsichtlich Spiegel und Absorberrohr des LS-3-Kollektors auf, da zu diesem Zeitpunkt die zuliefernde Industrie noch nicht bereit war, größere Absorber bzw. andere Spiegelmaße als die bei den LUZ-Projekten verwendeten bereitzustellen. Im Rahmen dieser ersten Entwicklungsarbeiten entstand ein 12 m langes torsionssteifes Kollektorelement. Die hohe Torsionssteifigkeit, erlaubte es, anstatt wie bisher acht wie beim LS-3 insgesamt zwölf dieser Elemente mit einer Antriebseinheit anzutreiben. Damit wurde es möglich, 150 m lange Kollektoreinheiten pro einzelnen Antrieb zu bauen, die den hohen optischen Anforderungen gerecht wurden, um das auf die 5,7 m breite Apertur einfallende Sonnenlicht in allen Betriebszuständen auf ein Absorberrohr von nur 70 mm Durchmesser zu bündeln. Neben den horizontalen Windbelastungen sind die wind - induzierten Torsionslasten sowie die geringe zulässige Verformung für den Entwurf einer geeigneten Glas-Stahlstruktur maßgeblich. Als torsionssteife Tragstruktur wur - de ein aufgelöster Kastenquerschnitt mit Abmessungen von etwa 1,5 m 1,4 m und einer Länge von 12 m gewählt. Der Kasten wird aus vier Fachwerkscheiben aus Winkelprofilen gebildet, die jeweils an den Gurten kraftschlüssig verbunden sind (Bild 4). Die Aussteifung des Querschnitts wird über Diagonalstäbe und Endrahmen erzielt. An den Kastenseitenwänden sind auf jeder Seite 14 auskragende Fachwerkarme aus Hohlprofilen vorhanden, die die Auflagerpunkte für die ca. 1,30 m 1,20 m Glasspiegel bieten. Insgesamt besteht damit ein 12 m langes Kollektorelement aus einem durchlaufenden Torsionskasten mit Aussteifung und den 28 Kragarmen, die insgesamt 28 parabolisch gekrümmte 4 mm dicke Spiegel tragen. Alle 12 m ist eine Stütze zur drehbaren Lagerung der Kollektorelemente angeordnet, die das Eigengewicht der Kollektoren und die horizontalen Windkräfte aufnimmt. Jeweils sechs dieser 12-m-Elemente werden zu einer Schwinge aneinandergereiht, die rechts und links eines Antriebsmasts befestigt werden. Neben den Eigen- und Windlasten der direkt aufgelagerten Kollektoren nehmen diese zusätzlich die gesamten windinduzierten Torsionslasten beider Schwingen auf. Die Antriebsmaste sind mit Hydraulikantrieben ausgerüstet, die es erlauben, die ge- 184 Bautechnik 89 (2012), Heft 3

4 W. Schiel: Collector development for solar parabolic trough power plants samten 150 m mit der erforderlichen hohen Genauigkeit von 0,04 auf den jeweiligen Stand der Sonne auszurichten. Zusätzlich wurden im Rahmen der Entwicklung optoelektronische Messverfahren erarbeitet, die es erstmalig ermöglichten, die optische Qualität der Kollektoren zu bestimmen. Hieraus konnten dann wesentliche Rückschlüsse auf den Entwurf und die Weiterentwicklung gezogen werden. BERICHT REPORT Bild 3a Bild 3b Luftaufnahme der fünf Parabolrinnenkraftwerke SEGS III XII in Kalifornien/USA mit je 30 MW Leistung am Standort Kramer Junction Areal view on the five Parabolic Trough power plants SEGS III XII in California/USA. Each power plant has an output of 30 MW, located in Kramer JunctionLeft: Acurex Collector Ansicht Kollektorfeld im Betrieb Collector field in operation Ermutigt durch die guten optischen und wirtschaftlichen Ergebnisse dieser ersten Entwicklungsarbeiten wurde dann im Jahr 2002 zusammen mit den Partnern FLAG- SOL GmbH in Köln und der Solar Millennium AG in Erlangen die Vorplanung eines ersten kommerziellen 50- MW-Kraftwerks in Spanien in Angriff genommen. Um die Risiken beim Übergang von einem kleinen Prototypen mit gerade mal 410 m 2 Kollektoraperturfläche zu einem 50-MW-Kraftwerk mit insgesamt m 2 Kollektoraperturfläche zu minimieren, wurde mit finanzieller Unterstützung des Bundesumweltministeriums (BMU) eine größere Demonstrationsanlage (4 360 m 2 Kollektorfläche) in Kalifornien geplant und realisiert. Hierzu wurde im April 2003 in dem bestehenden Parabolrinnen-Kraftwerk SEGS V (Bild 3b) bei Kramer Junc - tion (Kalifornien/USA) ein bestehender 800-m-Loop demontiert und durch den neu entwickelten Kollektor ersetzt. Mit dieser Maßnahme konnte nicht nur eine Qualifizierung und Erprobung im rauen Kraftwerkbetrieb durchgeführt, sondern auch der gesamte Beschaffungsund Montageablauf im Detail geplant und erprobt werden. Zusätzlich hatte dieser Standort natürlich den Bild 4 Ansicht und Schnitte des EuroTrough Parabolrinnenkollektors Side view and sections of the EuroTrough collector Bautechnik 89 (2012), Heft 3 185

5 W. Schiel: Kollektorentwicklung für solare Parabolrinnenkraftwerke Bild 5a Baustelle auf dem Kraftwerksgelände in den USA Parabolic Trough construction site in the US Bild 5b Montage der Arme an den Torsionskasten in Montagevorrichtung Assembly of Cantilever Arms onto the torque box in the assembly jig Bild 5c Montage der Struktur und Spiegel im Feld Erection of metal support structure and reflector panels in the field Bild 5d Montage der Spiegel Installation of Mirrors Bild 5e Montage des Absorberrohrs Installation of the Heat Collecting Element (HCE) Bild 5f Verlauf des Absorberrohrs zwischen zwei Kollektoren Course of the HCE between two collectors Bild 5g Kollektor im Betrieb Collector in operation Bild 5h Fertiger Kollektor von der Rückseite Back view on a collector 186 Bautechnik 89 (2012), Heft 3

6 Vorteil, dass man die erzielten optischen und thermischen Leistungen mit den bestehenden Kollektoren LS-2 und LS-3 vergleichen konnte. Der gesamte Stahlbau (knapp 100 t) für den Loop wurde in der Türkei gefertigt, in Containern nach USA verschifft und auf dem Kraftwerksgelände in den USA montiert (Bildreihe 5). Hierzu wurde die Stahlstruktur in einzelne noch transportierbare Bauteile aufgeteilt, die dann in speziellen Montagevorrichtungen zum endgültigen Kollektor vor Ort verschraubt wurden. Da es sich bei den Kollektoren um ein optisches Gerät handelt, das ein hohes Maß an geometrischer Genauigkeit benötigt die als Schweißkonstruktion nur unter großen Aufwendungen und Kosten zu erzielen ist wurden die einzelnen Bauteile mit im Stahlbau üblichen Genauigkeiten gefertigt und die endgültige Kollektorgeometrie bei der Montage in präzisen Montagevorrichtungen erzielt. Dadurch wurde es möglich, geometrische Genauigkeiten von nur wenigen Millimetern zu erzielen, die für die optische Leistungsfähigkeit notwendig waren. W. Schiel: Collector development for solar parabolic trough power plants Bild 6 Blick auf die Andasol 1 Baustelle im Jahr 2008 View on the Andasol 1 site in 2008 BERICHT REPORT Die technische und wirtschaftliche Bewertung dieser Demonstrationsanlage bescheinigte dem neuen Kollektor eindeutige Vorteile gegenüber den ursprünglich in den bisherigen Kraftwerken eingesetzten. So konnte einerseits der Materialeinsatz verringert und zugleich dank größerer Steifigkeit der Konstruktion und verbesserter Justageprozeduren bei der Montage, die Energieausbeute um mehr als 10 % erhöht werden. Damit stand die erste Generation eines modernen Parbolrinnenkollektors zum Einsatz in großen solarthermischen Kraftwerken zur Verfügung. 2.2 Die ersten solarthermischen Großkraftwerke in Europa In der ersten Hälfte des Jahres 2004 beschloss die Spanische Regierung ein spezielles Einspeisegesetz für solarthermisch erzeugten Strom. Dieses Gesetz sichert ähnlich wie das Deutsche EEG einem Kraftwerksbetreiber eine feste Vergütung für jede solarthermisch erzeugte und ins öffentliche Stromnetz eingespeiste Kilowattstunde zu. Mit diesen gesetzlichen Rahmenbedingungen wurde der Weg für den Bau erster großer solarthermischer Kraftwerke in Europa geebnet. Im Zuge dieser neuen Gesetzgebung werden bis zum Jahr 2013 insgesamt ca MW solarthermischer Anlagen fertiggestellt sein, die dann etwa 3 % des spanischen Strombedarfs decken werden. Zusammen mit dem Spanischen Baukonzern ACS/Cobra und dem Deutschen Projektentwickler Solar Millennium/ Erlangen wurde dann im Jahr 2008 mit dem Bau der ersten von insgesamt drei nahezu baugleichen 50-MW-Anlagen in Spanien begonnen. Als Standort wurde das Hochtal zwischen Almería und Granada in der Nähe des kleinen Städtchens Aldeire gewählt. Aufgrund seiner Höhe über dem Meeresspiegel von etwa 1100 m und seiner geschützten Lage, zeichnet sich der Standort durch eine gute Bild 7 Bild 8 Andasol 2 Solarfeld im Betrieb Andasol 2 collector field in operation Luftbildaufnahme der drei 50 MW Andasol 1 bis 3 Kraft werke (Andasol 1: hinten rechts, Andasol 2: hinten links, Andasol 3 im Bau: vorne) Areal view on the three 50 MW power plants Andasol 1 3 (Andasol 1: rear right, Andasol 2: rear left, Andasol 3 under construction, front) Bautechnik 89 (2012), Heft 3 187

7 W. Schiel: Kollektorentwicklung für solare Parabolrinnenkraftwerke solare Einstrahlung aus. Zudem wies eine nahe gelegene Hochspannungsleitung noch ausreichend freie Kapazität für die drei Kraftwerke auf (Bilder 6 bis 8). Pro Kraftwerk wurden auf einer Fläche von 1,3 km 1,5 km insgesamt ca einzelne Kollektorelemente mit je 12 m Länge und ca. 5,8 m Breite pro Kraftwerk installiert. Jeweils zwölf Kollektorelemente werden zu einer ca. 150 m langen Kollektoreinheit zusammengefügt, die von einem hydraulischen Antrieb der Sonne nachgeführt wird. Vier solcher Kollektoreinheiten bilden einen Loop, die in Nord-Süd-Richtung im Feld angeordnet sind. Somit entstanden drei nahezu baugleiche Kollektorfelder mit jeweils insgesamt 156 Loops und einer gesamten Spiegelfläche von je ca m 2. Das Wärmeträgermedium ein synthetisches Öl wird mit etwa 300 C in die einzelnen Loops gepumpt und erwärmt sich beim Durchströmen eines Loops um etwa 100 C. Das so auf 400 C erwärmte Wärmeträgermedium wird dann über einzelne Sammelleitungen zum Kraftwerksblock gepumpt. Die drei Kraftwerke sind jeweils mit einem Wärmespeicher (geschmolzenes Salz) ausgestattet, der die vom Solarfeld erzeugte Wärme zwischenspeichert. Das Kollektorfeld ist so dimensioniert, dass es tagsüber nicht nur ausreichend thermische Energie für den Turbinenbetrieb zur Verfügung stellt, sondern auch noch den Speicher so weit belädt, dass die Turbine bis zu 7,5 Stunden nach Sonnenuntergang mit Volllast betrieben werden kann. Aufgrund der guten solaren Einstrahlung am Standort in Südspanien von etwa bis kwh/m 2 /a wird von jeder der drei Anlagen eine jährliche solare Stromproduktion von etwa 165 GWh/Jahr/Anlage erwartet. Insgesamt werden bis zum Jahr 2013 ca. 50 solarthermische Anlagen mit einer Gesamtleistung von MW in Spanien fertiggestellt sein, davon insgesamt etwa 40 Anlagen nach dem Prinzip der Parabolrinnenkraftwerke. Nahezu alle dabei eingesetzten Kollektortypen basieren auf dem EuroTrough in der einen oder andern Abwandlung. Zusätzlich wurde die Technik des EuroTroughs in einem ersten Kraftwerk in Ägypten eingesetzt, sowie in zwei im Bau befindlichen Anlagen in Indien. 3 Die zweite Kollektorgeneration Das Ziel spezieller staatlich gewährter Einspeisevergütungen für erneuerbare Energien ist es einerseits, finanzielle Hilfestellung bei der Einführung einer neuen Energietech - nologie zu gewähren und damit die Rahmenbedingungen zu schaffen, damit sich die private Industrie mobilisiert, Erfahrungen bei der Komponentenherstellung und dem Betrieb dieser neuen Energietechnologien sammelt und andererseits anfängt, durch eigene Entwicklungen bzw. Weiterentwicklungen die Kosten zu senken, um weitere Marktanteile zu gewinnen. Das übergeordnete Ziel dieses Entwicklungsprozesses ist es, Schritt für Schritt die Kos- Bild 9 Ansicht und Schnitte des HelioTrough Side view and sections of the HelioTrough 188 Bautechnik 89 (2012), Heft 3

8 Bild 10 HelioTrough Testloop bei der Inbetriebnahme in Kramer Junction/ USA/CA HelioTrough Testloop during commissioning in Kramer Junction/ USA/CA ten zu senken und damit schlussendlich eine neue Energietechnologie am Markt zu etablieren, die ohne staat - liche Hilfe mit den konventionellen Technologien wie Erdöl, Gas, Kohle etc. konkurrieren kann. W. Schiel: Collector development for solar parabolic trough power plants Aus diesem Grund wurde schon sehr frühzeitig mit der Entwicklung der nächsten Kollektorgeneration dem sog. HelioTrough, zusammen mit der Firma Flagsol GmbH in Köln begonnen, mit dem Ziel, die Kosten des Solarfeldes zu senken und deren Effizienz weiter zu steigern. Zu Beginn dieses nächsten Entwicklungsschrittes wurde angenommen, dass in einem nächsten Schritt große solarthermische Kraftwerke in den USA gebaut werden. Bei den erwarteten Projekten in den USA kam als Randbedingung hinzu, dass die etwas willkürliche Begrenzung der Anlagenleistung im spanischen Einspeisegesetz auf Anlagengrößen von max. 50 MW in den USA nicht zum Tragen kommen würde. Damit werden Anlagen mit einer Leistung von 250 MW und mehr machbar. Zusätzlich zeichnet sich der amerikanische Markt im Gegensatz zum südspanischen dadurch aus, dass die Kosten für Montagearbeiten in den USA deutlich höher liegen, als in Spanien. Somit waren zusätzliche Randbedingungen für den nächsten Entwicklungsschritt gesetzt: Leistungsteigerung und Kostensenkung auf der einen Seite und Anpassung des Kollektordesigns an die amerikanischen Marktbedingungen andererseits. Den teu reren Montagekosten setzte man im Entwurf die Verringerung der auf der Baustelle zu fügenden Bauteile entgegen. Zusätzliche Kostensenkung erwartete man durch die Vergrößerung der Kollektorsegmente von bisher 12 m Länge auf 19 m pro Element, bei gleichzeitiger Vergrößerung der Kollektorbreite von 5,77 m auf 6,8 m. Die Elementvergrößerung führte zwar zu einer geringen Zunahme der Stahlmasse pro Quadratmeter Spiegelfläche, reduzierte aber die Anzahl der Stützungen, der Fundamente, Verkabelung und des Verrohrungsaufwands im Feld deutlich. Entworfen wurde ein Kollektor, dessen tragendes Element ein Torsionsrohr mit etwa 60 cm Durchmesser ist. Durch die hohe Torsionssteifigkeit des Rohrs war es möglich, die Kollektoreinheit von bisher 150 m auf 190 m pro Antrieb zu verlängern (Bilder 9 und 10). Im Jahr 2005/6 wurde dann der erste Prototyp der sog. HelioTrough in einer Halle in Dortmund errichtet und ausführlich getestet und vermessen. Anschließend wurde wieder ein vollständiger Loop in dem bestehenden Kraftwerk in den USA integriert und 2010 in Betrieb genommen (Tabelle 3). 4 Die dritte Generation Gemeinsam mit der Firma Flabeg GmbH/Nürnberg wurde im Jahr 2010 mit der Entwicklung der dritten Kollektorgeneration (UltimateTrough) begonnen. Die Erfahrungen mit dem HelioTrough-Kollektor haben gezeigt, dass größere Kollektorelemente einen Hebel zur Kostensenkung des Kollektorfeldes darstellen. Bei größeren und längeren Kollektoren werden weniger Fundamente, Py - lone und Antriebseinheiten etc. benötigt (s. Tabelle 4). Diese Überlegungen führten dann dazu, dass die Kollektorlänge und Aperturweite noch einmal gegenüber dem HelioTrough-Kollektor auf 24 m/7,5 m vergrößert wur de. Alle Bauteile wurden so entworfen, dass sie nahezu überall auf der Welt gefertigt und wo immer nötig in Standardcontainern auf die Site transportiert werden können. BERICHT REPORT Tab. 3 Kenndaten des ET, HT und UT Kollektors Characteristics of the ET, HT and UT collectors Kollektor EuroTrough HelioTrough Ultimate Trough Jahr Aperturfläche einer Kollektoreinheit m Aperturweite m 5,8 6,8 7,5 Brennweite m 1,71 1,71 1,71/1,88 Kollektor-Länge m Länge eines Kollektorelements m Anzahl Kollektorelemente pro Antrieb Stck Absorberrohr Durchmesser mm Konzentrationsfaktor 82 : 1 76 : 1 80 : 1 Bautechnik 89 (2012), Heft 3 189

9 W. Schiel: Kollektorentwicklung für solare Parabolrinnenkraftwerke Tab. 4 Vergleich der Anzahl der benötigten Komponenten zwischen dem ET und dem UT Kollektor für ein Solarfeld mit 1,5 Mio. m 2 Aperturfläche Comparison of numbers of components between the ET and HT collector for a solar field with an aperture area of 1.5 Mio. m 2 Solarfeldgröße: 1,5 Mio. m 2 EuroTrough UltimateTrough Verhältnis Erwartetete (ET) (UT) UT/ET Kostenreduktion in % Loops Stck % Kolektorelemente Stck % 21 % Antriebe/Sensoren/Steuereinheiten Stck % 50 % Fundamente Stck % 29 % Swivel Joints Stck % 29 % Cross over Piping Stck % 40 % Bild 11 Ansicht und Schnitte des UltimateTrough Side view and sections of the UltimateTrough Durch eine weitere Automatisierung des Montageprozesses und einer Vereinheitlichung der einzelnen Bauelemente können weitere Kosten gespart werden. Insgesamt wird erwartet, dass mit dieser dritten Kollektorgeneration die Kosten für das Solarfeld im Vergleich zum Euro- Trough-Kollektor um ca. 25 % gesenkt werden können und der Wirkungsgrad des Kollektorfeldes um 3 bis 4 %- Punkte gesteigert werden kann. Bild 12 UT Prototyp in der Halle in Köln UT Prototype, assembly hall in Cologne Im Jahr 2011 wurde ein erster Prototyp in einer Halle in Köln errichtet und getestet. Für das Jahr 2012 ist geplant einen vollständigen Loop in die 80MW Anlage in Harper Lake USA zu integrieren und im Dauerbetrieb zu betreiben (Bilder 11 und 12). 190 Bautechnik 89 (2012), Heft 3

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