F+E-Projekt SolTri Components Entwicklung eines Parabolrinnenkollektors Projektstand und Perspektiven Mathias Schlosser 1, M. Norbert Fisch 1, Lars Kühl 2, Matthias Wegmann 3, Heinz-Hermann Ross 3 1 ) Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS), TU Braunschweig Mühlenpfordtstraße 23, 38106 Braunschweig Tel. +49-531-391-3555, Fax +49-531-391-8125 e-mail: schlosser@igs.tu-bs.de Internet: www.tu-braunschweig.de/igs 2 ) Ostfalia Hochschule - Fakultät Versorgungstechnik, Wolfenbüttel, 3 ) Mithras Holding GmbH & Co. KG, Dersum / Emsland, 1. Einführung Innerhalb des Verbundforschungsvorhabens Komponentenentwicklung für eine hocheffiziente dezentrale solarunterstützte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung soll ein Anlagensystem der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung zur Nutzung solarer Prozesswärme, welche über einen Parabolrinnenkollektor (Spannweite kleiner 2,5 m) auf einem Temperaturniveau von 250 C bereitgestellt wird, entwickelt werden. Die einzelnen Anlagenteile sind prinzipiell am Markt verfügbar. Ein integrales System zur solaren Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung in einem für den dezentralen Einsatz geeigneten Leistungsgrößenbereich steht derzeit noch nicht zur Verfügung. Im Unterschied zu den bestehenden Solarthermischen Kraftwerken (>50 MW el ) zielt die Entwicklung auf Anlagengrößen von 500 kw el bis 5 MW el und besetzt damit einen Markt, der die Umsetzung dezentraler Versorgungssysteme ermöglicht. Die Projektpartner TU Braunschweig, Hochschule Ostfalia und Fa. Mithras Holding GmbH & Co. KG aus Dersum bearbeiten den Entwicklungsteil der Solarthermie und der solarthermischen Stromerzeugung (Teilprojekt 1). Das Institut für Luft- und Kältetechnik aus Dresden und die Fa. Wegra Anlagenbau GmbH aus Westenfeld den Entwicklungsteil der hocheffizienten thermischen Kälteerzeugung (Teilprojekt 2). Die Laufzeit dieses Forschungsvorhabens beträgt ca. 3,0 Jahre. Mit den Arbeiten wurde im Juli 2010 begonnen. Das Verbundvorhaben wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) mit einer Zuwendung von ca. 1,07 Mio. gefördert (FKZ 0325963A und 0325963B). Der Beitrag stellt die bisher erreichten Ergebnisse des ersten Teilprojektes (Entwicklung eines kostengünstigen Parabolrinnenkollektors) des laufenden F+E-Projektes (2010 bis 2013) vor.
Im letzten Jahr wurden beim 22. OTTI-Symposium Thermische Solarenergie die Ergebnisse von Arbeitspunkt 2 und 3, welcher die Materialuntersuchungen sowie die Gestaltungsmöglichkeiten beinhaltet, vorgestellt. In 2013 sollen die Arbeitspunkte 4, 5 und 6 vorgestellt werden. 2. Gebäude- und Anlagensimulation (Arbeitspunkt 4) Bei Arbeitspunkt 4 (Anlagen- und Gebäudesimulation) führte das IGS in Kooperation mit der Ostfalia Hochschule gekoppelte Anlagen- und Gebäudesimulationen durch, bei der ein Gebäude mit Wärme, Kälte und Strom über ein vorkonfiguriertes Anlagensystem, bestehend aus Parabolrinnenkollektoren, Turbine und Absorptionskältemaschine, versorgt wird. Hierzu werden die wesentlichen Anlagenkomponenten modelliert und ein Gebäude mit charakteristischen Räumen als Mehrzonenmodell abgebildet. Im Einzelnen werden die Lastfälle für den Sommer- (Kühlung) und Winterfall (Heizung) sowie den parallelen Betrieb (Wärme- und Kältebedarf) abgebildet. Die Lastgänge Wärme, Kälte und Strom sollen für das Gebäude aus den definierten Nutzungsprofilen und Klimazonen abgeleitet werden. 2.1 Abbildung Referenzgebäude und Lastprofilermittlung Das für die Gebäudesimulation abzubildende Referenzgebäude wurde im Frühjahr 2012 definiert. Es handelt sich dabei um ein Bürogebäude mit einer Nettogeschossfläche von 1.210 m² und nachstehenden Kenndaten: 65 Arbeitsplätze (AP) Flächenzusammenstellung für Auslegung: Bürofläche 540 m² ca. 8,5 m²/ap Abteilungsbezogene Sonderfläche 65 m² 1 m²/ap Stockwerksbezogene Sonderfläche 65 m² 1 m²/ap Zentrale Sonderflächen 130 m² 2 m²/ap Abbildung von 4 Zonen: 1. Büro 799 m² 66% 2. Konferenzraum 194 m² 17% 3. EDV-Server-Raum 24 m² 2% 4. Verkehrsflächen 194 m² 15% Kältebedarf zwischen 50 und 100 kw je nach Klimazone (d.h. Klimakälte 50 100 W/m², Server-Kühlung 500 W/m²) Die Definition der Wandaufbauten, der Verglasungsqualitäten und der Sonnenschutzeinrichtungen erfolgt in Anpassung an die jeweilige Region, siehe Bild 1. Hierfür wurden folgende Standorte in 4 verschiedenen Klimazonen ausgewählt: Würzburg (Deutschland, Nord-Europa) Athen (Griechenland, Süd-Europa) Kairo (Ägypten, Nordafrika) Abu Dhabi (Vereinigten Arabischen Emirate)
Typ 1 Typ 2 Würzburg Athen, Cairo, Abu Dhabi Außenwände 0,20 W/m²K 0,48 W/m²K 12 cm WLG 035 2 cm WLG 035 Dächer 0,20 W/m²K 1,00 W/m²K 16 cm WLG 035 2 cm WLG 035 Fenster 1,30 W/m²K 1,30 W/m²K Zweifachverglasung Zweifachverglasung Bodenplatte 0,25 W/m²K 1,1 W/m²K 10 cm WLG 035 2 cm WLG 035 Bild 1 U-Werte der Bauteile und Südansicht des Referenzgebäudes Das Gebäude wird zur Ermittlung der Heiz- und Kühlenergiebedarfskennwerte in einer Simulationsumgebung [TRNSYS 17] abgebildet. Für die Belüftung der Räume werden die Luftwechselraten entsprechend der Norm angesetzt. Zusätzlich erfolgt die Festlegung der internen Lasten (Personen, Computer, etc.). Neben dem Gebäudemodell wird auch die Anlagentechnik (Raumlufttechnik) abgebildet. Durch die Verwendung von Standardwetterdaten (TM2 Wetterdatensätze von Meteonorm) ergeben sich Kennwerte für die Beheizung und Kühlung der jeweiligen Gebäude (Lastprofile siehe Bild 2), welche die Grundlage für die Anlagensimulationen bilden. Würzburg Athen Kairo Abu Dhabi Bild 2 Lastprofile des Referenzgebäudes für den jeweiligen Standort Für den Allgemeinstrombedarf des Gebäudes werden die vom VDEW (Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.v.) definierten Standardlastprofile gemäß
VDEW-Publikation Repräsentative VDEW-Lastprofile (M-28/99) angewendet. Dabei ergeben sich für den Schwerpunkt Gewerbe verschiedene Lastprofile. Für die Simulation wird das Profil Gewerbe werktags G1G gewählt. Dieses Profil gilt für Abnahmestellen, mit typischem Verbrauch zwischen 08:00 und 18:00 Uhr an den Werktagen und keinem oder nur geringen Verbrauch an den Wochenenden. Generell wird zwischen Winter, Sommer und Übergang sowie Werktags, samstags und sonntags unterschieden. 2.2 Simulation Gesamtsystem mit TRNSYS Für die Simulation in TRNSYS wird das Anlagenkonzept des Versuchsstands umgesetzt (siehe Kapitel 4, Bild 7). Dies wird mit der anschließenden Validierung durch die aufgenommenen Messwerte begründet. Dabei sollen die synthetischen Lastprofile vom Referenzgebäude durch die entsprechend aufgenommenen Messreihen vom Versuchsstand ersetzt werden. Der Betrieb des Kollektorkreises erfolgt mit Thermoöl (Therminol 66), welcher einen Dampferzeuger antreibt. Der erzeugte Dampf steht nun für eine thermisch angetriebene Kältemaschine und einer Turbine zur Stromerzeugung zur Verfügung. Für die TRNSYS Simulation wird auf bestehende Modelle (Types) zurückgegriffen. Hierzu gehören auch die Modelle aus den Systembibliotheken von TESS und STEC. STEC steht dabei für Solar Thermal Electric Components und wurde im Rahmen von SOLARPaces in 2003 vom Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt e.v. (DLR aus Köln) erstellt. Der Parabolrinnenkollektor wird über den TESS Type 1288 abgebildet, siehe Bild 3, wobei die Parametrierung dieses Types in Anlehnung an DIN EN 12975 erfolgt. Die fertig gestellten und grafisch aufbereiteten Systemsimulationen werden für Ende April abschließend erwartet. Type318 - Turbine stage Bild 3 Auswahl von gewählten TRNSYS Types [TRNSYS, 2012] 3. Bau Prototyp und Versuchsstand (Arbeitspunkt 5) Unter Arbeitspunkt 5 Bau Prototyp und Versuchsstand wurde in 2011 eine Prototypenreihe, bestehend aus 6 Modulen (Metallspiegel mit Aluminiumbeschichtung; Spannweite 2,3 m) auf dem Versuchstand in Dersum errichtet. Insgesamt stehen damit bereits 69 m² Spiegelfläche zur Verfügung, siehe Bild 4. Das Receiverrohr ist ohne Glashülle und mit einer selektiven Beschichtung versehen. Nach erfolgreichen Tests im Labor (Hitzeofen) weist die Beschichtung jedoch Mängel im Betrieb auf.
Dabei löst sich die Lackierung vom verwendeten Rohr. Momentan soll der Einsatz einer Nanobeschichtung auf Basis von Aluminium geprüft werden. Weiterhin erfolgt ein Vergleich von Rohren mit und ohne Rippen. Bild 4 Parabolrinnenkollektor mit Metallspiegel und Aluminiumbeschichtung LUMEN 2.3 PARABOLIC TROUGH auf dem Versuchsstand der Mithras Holding GmbH & Co. KG in Dersum Aufgrund der aktuellen Marktentwicklung sowie der Umstrukturierung innerhalb der Firma Mithras konzentriert sich die Entwicklung nun auf einen Parabolrinnenkollektor mit einer Spannweite von 6,0 m. Begründet wird dieser Schritt mit der kosteneffizienten Herstellung des größeren Parabolspiegels. Hierzu wurde der Konstruktionsentwurf geändert und im Sommer 2012 mit dem Bau einer 365 m² großen Versuchsanlage begonnen, siehe Bild 5. Die Optimierung und Weiterentwicklung der Parabolrinne Lumen 2.3, mit einer Spannweite von 2,3 m, wurde daraufhin im Sommer 2012 eingestellt. Bild 5 Parabolrinnenkollektor mit Glasspiegel aus kaltgebogenem Sicherheitsglas LUMEN 8.4 PARABOLIC TROUGH auf dem Versuchsstand der Mithras Holding GmbH & Co. KG in Dersum
Aus der optischen Vermessung ergeben sich für den Parabolrinnenkollektor Lumen 8.4 der Mithras Holding GmbH & Co. folgende Kenndaten: Aperture Length 8.4 m Aperture Width 6.4 m Focal Length 1.725 m Rim Angle 166 Geometric Concentration 1 ) 85.5 Gross Aperture Area (red) 51.2 m² Net Aperture Area (green) 45.6 m² Total Range of Travel (Tracking Controller) 315 Maximum Collector Rotation Speed 30 /min Maximum Wind Speed (Stow) 145 km/h Maximum Wind Speed (Operation) 65 km/h Intercept Factor Sun on Tube 70 mm 2 ) 98.9% Thermal Efficiency 3 ) 74.1% Design Point Thermal Output SCA 4 ) 675 kw Maximum Installed Slope 3% Glass thickness (Glass mirror) 2.1 mm Reflexion Glass mirror 93.9 % 1 ) Defined as: (Aperture Width) / (Receiver Tube Diameter) 2 ) German Aerospace Center, evaluated panel surface 96.2 % 3 ) Defined as: (Gross Thermal Power) / (Solar Power) at 1.000 W/m 2 of direct normal incident solar radiation and 350 C heat transfer fluid temperature 4 ) SCA = Solar Collector Assembly, consists of 20 SCEs = Solar Collector Element Bild 6 LUMEN 8.4 PARABOLIC TROUGH Mithras Holding GmbH & Co.
Mit dem Fluid Therminol 66 liegt die maximale Betriebstemperatur des Kollektors bei 270 C. Bei Einsatz von Therminol VP-1 erhöht sich die operative Temperatur der Parabolrinne auf 400 C. Über die Geometrie und Temperaturbereiche (270 C bzw. 400 C) der entwickleten Parabolrinnenrinne lassen sich folgende Einsatzmöglichkeiten definieren: Solarthermische Kraftwerke Solare Prozesswärme (Industrieanwendung) Solare Meerwasserentsalzung Solare Kühlung und Klimatisierung Kombination aller aufgeführten Bereiche 4. Test- und Vermessung der Versuchsanlage (Arbeitspunkt 6) Aktuell wird für Arbeitspunkt 6 Test und Vermessung der Versuchsanlage die Messtechnik konfiguriert und eingebaut. Die Inbetriebnahme des Teststands ist dabei für April / Mai 2013 geplant. Über einen Thermoölkreislauf wird ein Dampferzeuger angesteuert (siehe Bild 7), der eine Kleinstturbine (Kopplung Drehkolbenmotor mit Generator) sowie eine zweistufige Absorptionskältemaschine (Entwicklung in Teilprojekt 2) mit Dampf versorgt. Der Dampferzeuger auf dem Versuchsstand ist für eine Vorlauftemperatur von 220 C ausgelegt. Dabei ist ein wechselnder paralleler Betrieb oder eine Reihenschaltung möglich. Hierfür kann der aus der Turbine austretende Dampf nach der Stromerzeugung noch für den Antrieb der Absorptionskältemaschine (ca. 140 C) genutzt werden. Mit der Vermessung soll im Mai 2013 begonnen werden. Bild 7 Vereinfachtes Anlagenschema des Versuchsstands in Dersum