DE102011007650A1

DE102011007650A1 - Solarthermische Kraftwerkanlage und Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Kraftwerksanlage

Info

Publication number: DE102011007650A1
Application number: DE102011007650A
Authority: DE
Inventors: Matthias Übler; Christian Müller-Elvers; Peter Gröppel; Pascal Heilmann; Peter Mürau
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-10-25
Also published as: EP2661556A2; WO2012143425A3; US9765759B2; CN103502639A; WO2012143425A2; US20140033708A1

Abstract

Die Erfindung offenbart erstmals eine Moglichkeit, wie die Solarthermie wirtschaftlich betrieben werden kann. Durch die hier vorgestellte Neuerung ist es moglich, sowohl ein billiges Heat Transfer Fluid (HTF) einzusetzen, als auch die energieaufwändige Zuheizung über Nacht entweder ganz einzusparen oder doch deutlich zu reduzieren. Dazu wird ohne Bedrohung für die Umwelt einfach ein Wassertank in der Anlage installiert, durch den bei Nichtbetrieb der Solarheizung eine Verdünnung des Salzes durch Zugabe von Wasser erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine solarthermische Kraftwerksanlage und Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Kraftwerksanlage, insbesondere eine mit einem salzhaltigen Wärmetransferfluid (HTF).
Unter den regenerativen Formen der Energiegewinnung wird den solarthermischen Kraftwerkskonzepten das großte Potenzial zugeschrieben, in Zukunft einen großen Anteil des weltweiten Bedarfes an elektrischer Energie emissionsfrei zu wettbewerbsfähigen Gestehungskosten generieren zu können. Nicht zuletzt fokussiert das Desertec- bzw. DII GmbH-Projekt die Errichtung viele Quadratkilometer großer Solarfelder auf dem nordafrikanischen Kontinent und dem mittleren Osten, die mittels kaskadenartig angeordneter Parabolrinnen- und/oder Fresnelspiegel solarthermische Energieerzeugung für Europa betreiben sollen. In derartigen Anlagen zirkuliert ein Warmetransferfluid in speziellen, kilometerlangen Absorberrohren, die durch Sonnenstrahl-bündelung/-fokussierung durch die genannten Spiegelgeometrien auf Prozesstemperaturen von bis zu 600°C erhitzt wird. Über einen Wärmetauschprozess wird eine wasserdampfgetriebene Turbine betrieben und elektrische Energie freigesetzt. Das dadurch abgekuhlte Wärmetransferfluid (engl. Heat transfer fluid, „HTF”) steht in einem Kreisprozess der erneuten Erwarmung durch thermische Energie zur Verfügung. Jede solarthermische Anlage hat daher zwei HTF-Tanks, einen mit abgekühltem HTF und einem mit heißem HTF.
An das HTF werden hohe Anforderungen gestellt, da dessen Eigenschaftskennwerte wie Schmelzpunkt, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskositat und spez. Dichte die endgültigen Stromentstehungskosten diktieren und damit die Wettbewerbsfähigkeit und Kostenparitat zur herkommlichen Art der Energieerzeugung determinieren.
Von besonderer Bedeutung ist dabei der Schmelzpunkt des verwendeten HTFs. Die derzeit verwendeten Warmetransfermedien sind organischer sowie anorganischer Natur. Die erste Generation der zu diesem Zwecke verwendeten HTFs stellen organische Thermoöle dar, wobei der bekannteste Vertreter für solarthermische Anwendungen eine eutektisch schmelzende Mischung aus 26,5 Gew.-% Biphenyl und 73,5 Gew.-% Biphenylether (z. B. der Fa. Solutia^TM Therminol^® VP-1) darstellt, die bei 12°C erstarrt. Aufgrund der organischen Molekulnatur entwickeln solche Gemische jedoch bei hohen Temperaturen rasch Dampfdrücke von bis zu 15 bar, sodass die maximale Betriebstemperatur dieses als „VP-1” bekannten Gemenges auf unter 400°C limitiert ist, da ab diesen Prozesstemperaturen es zudem zur thermischen Degeneration der organischen Strukturen kommt.
Da Wirkungsgrade von Kraftwerken bekanntermaßen überproportional mit der Prozesstemperatur skalieren, steht die Verwendung derartiger, organischer HTFs einer okonomischen, solarthermischen Energieerzeugung im sehr hohen MW_e-Leistungsbereich konträr gegenüber. Zusatzlich geht von einer solchen Zubereitung im Falle einer Leckage ein Risiko fur Mensch, Tier und Natur aus.
Aus diesem Grunde wird die Verwendung anorganischer Salzeutektika mit niedrigen Schmelzpunkten als Warmetransfermedium seit Jahrzehnten fokussiert. Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei der zu vernachlassigende Dampfdruck liquider Salze bzw. deren Mischungen, was einen nahezu drucklosen Betrieb in den Absorberrohrleitungen ermöglicht. Weiterhin besitzen Salzschmelzen eine um den Faktor zwei bis drei hohere Warmeleitfähigkeit sowie spez. Warmekapazität, was die eintragbare Sonnenenergiemenge pro Einheitsvolumen in Relation zu organischen Thermoölen stark ansteigen lässt. Der bekannteste Vertreter einer zu diesem Zwecke verwendeten, anorganischen Salzmischung ist das sog. „Solar Salt”, eine Mischung aus Natriumnitrat (60 Gew.-%) und Kaliumnitrat (40 Gew.-%).
Diese nicht-toxische und um den Faktor vier billigere Zubereitung im Vergleich zum Thermool VP-1 weist eine Solidustemperatur von ca. 240°C auf. Zur Verringerung des Schmelzpunktes ist eine Ternarisierung der Mischung mit Calciumnitrat (Eutektikumssolidus: 133°C) bzw. eine zusätzliche Quarternärisierung mit Lithiumnitrat (Eutektikumssolidus: 97°C) zweckdienlich. Besonders letztere Methode ist jedoch auf die Verwendung teuren und weltweit nicht hinreichend im Multitonnenmaßstab verfugbaren Lithiumnitrats angewiesen.
Da für einen ökonomischen Betrieb ein Schmelzpunkt von weniger als 150°C des in solarthermischen Kraftwerken verwendeten Warmeuberträgermediums unabdingbar ist, ist das Interesse an anorganischen Salzeutektika mit Solidustemperaturen unterhalb von 100°C sehr groß, da gerade der Nachtbetrieb per se keine Elektrizität generiert. Dementsprechend energieaufwändig gestalten sich die Maßnahmen zur Vermeidung des „Einfrierens” eines Salzgemisches in den für gewöhnlich kilometerlangen Zuleitungsrohr- und Receiversystemen wahrend der Nacht, wo die Erwarmung des HTFs durch die Sonne ausbleibt.
In der Regel wird nachts die solarthermische Kraftwerksanlage mit einer externen Beheizung betrieben, wobei eine nicht unerhebliche Menge des tagsuber erzeugten Stroms wieder verbraucht wird, damit die Rohre nicht durch die Volumenausdehnung des fest werdenden Salzes platzen und/oder damit die Anlage nicht morgens wieder neu angefahren werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nutzung der salzhaltigen HTFs in solarthermischen Kraftwerksanlagen rentabler zu machen, in dem eine nachtliche Beheizung zur Vermeidung des Einfrierens des HTFs vermindert oder vermieden wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine solarthermische Kraftwerksanlage mit einem wasserfreien oder wasserhaltigen Salz als Wärmetauscherfluid (HTF), die mindestens folgende Module umfasst:
einen ersten Kreislauf mit HTF
einen zweiten Kreislauf mit Dampf zum Antrieb von Generatoren wobei der erste Kreislauf zumindest
ein Solarfeld mit Spiegelgeometrien und Leitungen, in denen das HTF fließt, umfasst, wobei
eine erste Leitung für das erhitzte HTF vom Solarfeld zum Wärmetauscher führt
eine zweite Leitung für das abgekuhlte HTF vom Wärmetauscher zum Solarfeld fuhrt
eine Leitung zur Einleitung eines Verdünnungsmittels für das HTF umfasst und
die beiden Kreisläufe über den Warmetauscher verbunden sind.
Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Kraftwerksanlage, wobei im Leitungssystem der solarthermischen Kraftwerksanlage die Temperatur des HTFs über dessen Schmelzpunkt dadurch gehalten wird, dass der Schmelzpunkt des HTFs durch Wasserzugabe beim Abfall der Temperatur zu niedrigeren Temperaturen verschoben wird.
In der Regel wird als Verdunnungsmittel Wasser oder ein sonstiges stark polares Fluid eingesetzt.
Durch die Wasserzugabe zum HTF bei Abfall der Temperatur in den Leitungen der solarthermischen Kraftwerksanlage wird zweierlei erreicht, zum einen wird – falls im HTF-System vorhanden – Hydratationsenergie freigesetzt, es wird also durch den exothermen chemischen Vorgang der Ausbildung stabilerer Produkte durch Anlagerung von Wassermolekülen im Kristallverbund geheizt und zum zweiten wird ganz einfach der Schmelzpunkt des Salzes oder der Salzmischung durch Verflussigung erniedrigt.
Die vorliegende Erfindung offenbart gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform eine optional schaltbare „Leitung” vor dem heißen Tank weg in einen Verdünnungstank, der sodann vor dem Solarfeld wieder eingeschleust wird. Dieser Tank ist nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise für Druck ausgelegt, da in diesem – nach dem Separieren des ersten Kreislaufs vom zweiten Kreislauf, dem so genannten TES-Zyklus – Wasser in definierten Mengen zugegeben wird und es dort zu Druckanstiegen kommt, die beispielsweise mit Uberdruckventilen und Kondensatoren abgefangen werden. Die Wasserzugabe kann kontinuierlich oder gesamt erfolgen.
Nach dem Zirkulieren des wassrigen Salzes in der Nacht (die Salztanks mit dem wasserfreien Salz bereiten die Energie), erfolgt die Aufheizphase im noch separierten ersten Kreislauf, der das Solarfeld umfasst. Die Aufheizphase bewirkt vornehmlich eine Wasserabgabe. Zur Wasserabgabe stehen mehrere Wege offen:

1. uber einen weiteren „Austreibetank” wird das Wasser separiert und das Salz wasserfrei in den heißen oder kalten Salztank gefördert, da Salztank vorteilhafterweise drucklos betrieben werden.
2. Die wässrige HTF-Mischung geht in den „kalten” Salztank, der mit Überdruckventil und Kondensator bestückt ist, denkbar ist auch die Alternative, dass die wässrige HTF-Mischung in den heißen Tank geht, der dann ebenso mit Überdruckventilen und Kondensator ausgestattet ist.
3. die Phase wird weit über den Schmelzpunkt des wasserfreien Salzes abgeschlossen im Solarkreislauf erhitzt und dann schlagartig in einen der beiden Salztanks expandiert.

In einem Solar-Kraftwerk gemaß der vorliegenden Erfindung findet eine Anreicherung des HTFs mit Wasser im ersten Kreislauf, der das Solarfeld umfasst, nach dem Sonnenuntergang oder während einer Abschaltzeit, statt und es ist eine gesonderte Wasserbefreiung am Morgen, oder beim Hochfahren der Anlage, vor der Energiegewinnung durch Sonneneinstrahlung, möglich.
Ein wesentlicher Nutzen besteht in der Drainage, dem Erstbefüllen, Entleeren und der Handhabung von Notsituationen, wo keine Sonne mehr scheint.
Die Aufrechterhaltung der flussigen Phase innerhalb des Leitungs- und/oder Rohrsystems der Anlage, insbesondere des in der Regel sich uber mehrere Kilometer erstreckenden Solarfeldes ist essentiell fur die Wirtschaftlichkeit und Funktionsfahigkeit der gesamten Anlage.
Deshalb ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung an die Leitungen mit dem HTF im Solarfeld eine Zuheizung angeschlossen. Trotz der Schmelzpunktserniedrigung des salzhaltigen HTFs gemäß der vorliegenden Erfindung durch Zugabe von Verdunnungsmittel wie beispielsweise Wasser, kann es notig sein, das Absorberrohrsystem mit einer so genannten Zufeuerung, also externen Beheizung, zu versehen. Diese Heizelemente, die thermisch, induktiv oder auf eine sonstige Art und Weise Warme in das Rohrsystem eintragen können, dienen bislang nach dem Stand der Technik der Aufrechterhaltung des liquiden also fließenden oder fließfähigen Zustandes des darin zirkulierenden salzhaltigen HTFs wahrend der Abschaltphase oder während der Nacht.
Meistens wird eine Einhaltung einer Sicherheitsmarge von ca. 20°C uber dem eigentlichen Schmelzpunkt des verwendeten HTFs empfohlen. Falls diese durch die erfindungsgemäße Wasserzugabe nicht erreicht wird, wird diese Zuheizung entweder automatisch oder manuell eingeschaltet.
Als „salzhaltiges HTF” können beispielsweise alle Arten von Nitrat-Salzen, eutektisch schmelzende Gemische wie nicht eutektische Gemische, eingesetzt werden.
Beispielsweise dient als HTF das gut erhältliche Na/K-NO3, was kein Kristallwasser aufnimmt (Tmax = 600°C). Aber andere Salze und insbesondere solche mit niedrigerem Schmelzpunkt sind naturlich ebenso gut geeignet. Insbesondere ist ein Kristallwasser bindendes Salz wie beispielsweise das Ca-Na-K-NO3 (Tmax = 500°C), bestens geeignet.
Außerdem gibt es eine Auswahl an neuartigen ternaren, quaternaren und quinären Salzeutektika und -mischungen, die durch geeignete Wahl unterschiedlicher Salzkomponenten Schmelzpunkte bis hinunter bis zu 65°C haben können, die sich für diese Anwendung eignen. Jedoch sind diese Mischungen sehr teuer in der Beschaffung oder oftmals in großen Tonnagen von bis zu 35.000 Tonnen oder mehr (bei gleichzeitiger Verwendung als HTF und als thermischer Speicher) gar nicht erhältlich.
Es konnen so genannte sensible oder latente Salze eingesetzt werden. Sensibel bedeutet dabei, dass Energie stufenlos in dem flüssigen Salz gespeichert wird, in dem die Temperatur des Salzes ansteigt. Der Gegensatz zu sensibel ist „latent”: Dabei braucht der Übergang fest -> flüssig beim Schmelzen des Salzes Energie, die gespeichert wird, weil beim Erstarren dieser Salze die „latente Enthalpie” wieder frei wird. In CSP-Anlagen verwendet man bevorzugt sensible Speicher, denn in den beiden Kreisläufen sollte das gleiche Material sein. Deswegen sind die benötigten Salzmengen enorm: beispielsweise 35000 Tonnen fur 125 MWe. Als Salzmischungen werden beispielsweise thermisch zersetzungslos dehydratisierbare Salze und/oder Salzmischungen/Salzeutektika, von Alkali- (d. h. die Kationen des Lithiums Li⁺, Natriums Na⁺, Kaliums K⁺, Rubidiums Rb⁺ und Caesiums Cs⁺) und/oder Erdalkalikationen (d. h. die Kationen des Magnesiums Mg²⁺, Calciums Ca²⁺, Strontiums Sr²⁺ und Bariums Ba²⁺) mit Anionen wie Nitrate, (Hydrogen)Carbonate, Fluoride, Chloride, (Hydrogen)Sulfate, Bromide, Iodide, und/oder Hydroxide, alleinig oder in jeglicher Mischungskombination verstanden.
Diese können durch Beimengung von flüssigen und/oder dampfförmigen Verdunnungsmittel mit Temperaturen von beispielsweise Raumtemperatur bis beispielsweise 300°C eine Schmelzpunktserniedrigung und/oder Verdünnung mit polarem Verdunnungsmittel unzersetzt und reversibel in nahezu beliebiger Anzahl durchlaufen.
Außer den oben genannten Salzen ist als HTF eine aus der DE 10 2010 041460.3 bekannte nitratische Mischung einsetzbar, die kristallwasserhaltige Komponenten umfasst und thermisch zersetzungslos dehydratisiert werden kann. Ab einer bestimmten Temperatur liegt diese Mischung als liquide Phase vor und bei Erhitzung gibt sie verzögert und dann stetig das gebundene Kristallwasser ab. Fällt die Kristallwasserabgabe mit der Eutektikums-Liquidustemperatur der kristallwasserfreien Mischung weitlaufig zusammen, so erhält man eine Mischung, die weit unter ihrer eigentlichen Liquidustemperatur teil- (d. h. mit Bodensatz) oder vollflussig (d. h. einphasig) ist.
Alle genannten Salze konnen wasserhaltig vorliegen und mit beliebigem Wasseranteil in der Summenformel als HTF eingesetzt werden. Beispielsweise können auch verdunnte Salze, also Salze mit einer Summenformel Kation(en)/Anion(en) mit x Wassermolekulen pro Molekül Salz, die keine „echten”, also bekannten, Hydrate bilden, sondern einfach im Kristall Wasser einlagern, hier genommen werden. Der Ubergang von einem Salz, das einfach verdunnt mit Wasser oder einem sonstigen polaren Lösungsmittel vorliegt und einem literaturbekannten Salzhydrat ist fließend und soll hier keinesfalls die Menge der als HTF einsetzbaren Materialien beschränken.
Bei der erfindungsgemäßen Zugabe von Wassers zu einem HTF, das eine thermisch zersetzungslos dehydratisierbaren Mischung ist, ist eine definierte Menge Wasser als Zugabe zweckdienlich. Dazu wird eine kristallwasserfreie Salzmischung, die als Warmeüberträger- und Speichermedium genutzt werden und reversibel Kristallwasser binden und freigeben kann, kontinuierlich mit Wasser beaufschlagt. So stellt sich ein dem Gehalt an zugegebenem Wasser proportional erniedrigter Schmelzpunkt der Mischung ein. Dabei wird bisweilen eine definierte Energiefreisetzung verzeichnet (sog. Hydratationswärme im Falle kristallwasserhaltig-kristallisierender Verbindungen), die teilweise genutzt werden kann, um die Leitungen im Solarkreislauf auf einer gewunschten Temperatur zu halten.
Vorteilhafterweise wird vorgeschlagen, eine Leitung von einem Wassertank zu den Leitungen im Solarfeld zu schalten, durch die beispielsweise eine stetige Zugabe von Wasser, Wassernebel und/oder Wasserdampf zu dem HTF erfolgt, bis der gewunschte Schmelzpunkt eingestellt ist.
Prinzipiell sind je nach Wassergehalt einstellige Schmelzpunkte realisierbar. Sobald die Erwarmung des HTFs in den Leitungen des Solarfelds wieder einsetzt, kann das wasserhaltige Salzgemisch in den heißen oder kalten Salztank gepumpt werden und dort sukzessive das Wasser wieder abgeben.
Da im zweiten, „kalten” Tank für das abgekuhlte HTF beispielsweise Temperaturen von 250°C–290°C vorherrschen, reicht die thermische Energie aus, um das beigemengte Kristallwasser und/oder Uberschusswasser rasch verdampfen zu lassen. Zu diesem Zweck ist beispielsweise, neben einem Überdruckventil, ein Dampfseparator mit Kondensator über dem ersten und/oder zweiten Tank vorgesehen, der den entweichenden Wasserdampf im Moment der Einleitung für den nachsten Beimengungszyklus in den Wassertank kondensiert und speichert.
Dies stellt einen raschen Prozess dar, da das HTF aus dem Solarfeld im Vergleich zum Volumen des mit Wasser versetzten HTFs ein sehr viel geringeres Volumen einnimmt (3–5%). Beispielsweise stehen 700 Tonnen Salz im Solarkreislauf weiteren 34700 Tonnen zur Speicherung gegenuber. Auf die 700 Tonnen Salz kommen ca. 20–30% Wasser, d. h. der Gesamtgehalt an Wasser ist weniger als 1% der Salzmasse, die im großen Salztank bei 250°C bis 290°C rasch verdampft. Zur Vermeidung eines etwaigen temporaren Uberdruckes können, wie oben bereits erwähnt, Überdruckventile, beispielsweise mit Dampfseparation, Kondensation und Rückfluss zum Druckabbau eingesetzt werden.
Das Wasser kann dem Solarkreislauflauf über einen intermediaren, sehr viel kleineren gefullten HTF-Tank durch Einpumpen, Eindüsen, Eintropfen, Eindampfen oder einer sonstigen Art und Weise zugemischt werden, da die Wasserzugabe fur die Schmelzpunkterniedrigung in einer Volumenzunahme der Mischung resultiert, die somit kompensiert werden kann. Die Verdunnung des Salzes erfolgt somit mittels Eintropfen, Einsprühen, Einnebeln, Einjetten oder sonstige Art und Weise, beispielsweise im Temperaturbereich von 10–1000°C.
Das HTF mit durch Wasserzugabe erzeugter Schmelzpunktserniedrigung weist aufgrund der hohen Ionenkonzentration einen im Vergleich zum reinen Wasser sehr viel niedrigeren Dampfdruck auf. Dies begrundet sich in der attraktiven Wirkung der geladenen Ionen auf das dipolare Wasser. Aus diesem Grunde ist es möglich, ein wasserhaltiges Salzgemenge weit über 100°C zu erhitzen, ohne dass dabei exzessives Kochen des gebundenen/beigemengten Wassers eintritt. Durch die Wechselwirkung mit den Salzionen stellt sich ein im Gegensatz zum reinen Wasser weitaus niedrigerer Wasserdampfdruck ein, sodass der sich durch den Einschluss in die Rohrsysteme entwickelnde Gegendruck ausreichen kann, diese wasserhaltige Mischung liquide und insbesondere einphasig zu halten. Heutige Anlagen, die etwa Thermoöl als HTF verwenden, sind für Drücke bis zu 35 bar ausgelegt.
Auf die hier vorgeschlagene Weise erreicht man eine Verringerung des Schmelzpunktes der HTF-Mischung, sodass keine oder nur geringe Zuheizungen in den kilometerlangen Rohrsystemen nötig sind. Ein Einfrieren kann ebenfalls verhindert werden. Auch ist ein rasches Ablassen des Warmetransfermediums fur Wartungsarbeiten möglich. Das erstmalige Anfahren eines derartigen Gemisches als HTF ist somit ebenfalls leichter möglich, ohne dass es zu Einfrierphanomenen kommt (sog. „Freeze-Ups”). Bei Tagbetrieb kann, nach erfolgter Erwärmung, das Salz/Wasser-Gemisch in einen „kalten” und/oder heißen Tank gepumpt werden, um das Gemisch vom beigemengten Wasser zu befreien, worauf wiederum die wasserfreie Salzmischung erhalten wird, die durch die Leitungen in das Solarfeld geführt werden und dort wieder auf Temperaturen bis zu 600°C (z. B. bei Nitratmischungen der ersten Hauptgruppe des Periodensystems, andere Mischungen auch hoher) erwärmbar sind.
Da das wasserhaltige Medium nur einen geringen Bruchteil des Gesamtvolumens des verwendeten Mediums darstellt kann bei erhöhten Temperaturen, die im Speichertank stets vorherrschen, ein kontinuierliches Abgreifen volatilen Wassers in Form von Dampf, z. B. über einen Gasphasenkondenser, erfolgen. Dieses Wasser kann entweder zur Dampferzeugung für die Stromerzeugung dienen oder in einem Reservoir fur die erneute Wasserbeaufschlagung des HTFs dienen. Bei Verwendung kristallwasserhaltiger Salzkomponenten, z. B. Calciumnitrat-Hydrat, ist Wasser Bestandteil einer Salzkomponente und muss deswegen anfangs nicht extern zugeführt werden. Selbstverständlich kann die beschriebene Technik auch für Salzmischungen verwendet werden, die kein Salzhydrat ausbilden, insbesondere den Nitratmischungen der ersten Hauptgruppe des Periodensystems, z. B. insbesondere des binären Systems Na-K-NO₃ in beliebiger Mischung (eutektisch und nicht-eutektisch). In diesem Falle stellt die erfindungsgemäße Beimengung von Wasser eine ordinäre wässrige Mischung dar.
Im Speichertank herrschen also auch nachts hohe Temperaturen vor, die eine flüssige Phase gewährleisten, denn nur der entkoppelte erste HTF-Kreislauf wird mit Wasser verdünnt, das wasserfreie Salz hingegen wird unverdunnt in den Tanks gespeichert und erzeugt Energie die Nacht uber, indem es über den Wärmetauscher in den kalten Tank gefuhrt wird.
Die vorliegende Erfindung mit Verdünnung des HTFs, das selbst schon als wasserhaltiges Salz vorliegen kann, uber die Nacht oder den Ruhezustand des Solarfeldes, erlaubt die Nutzung von billigen Salzmischungen in solarthermischen Kraftwerksanlagen in Temperaturbereichen von wenigen Grad Celsius bis zu 600°C.
Während dem Fachmann bekannte, calciumnitrathaltige Mischungen, z. B. das eutektisch schmelzende Gemisch aus Ca-Na-K-NO₃ einen Schmelzpunkt von ca. 133°C aufweist, ist man bei Verwendung dieser Mischung auf Arbeitstemperaturen unter 500°C beschränkt, da sonst Zersetzung in Oxide, d. h. Calciumoxid, eintritt. Die Zersetzung fuhrt zur Verschiebung des Schmelzpunktes in Richtung höhere Temperaturen und zum Auftreten von unloslichem Bodensatz, der stark korrosiv auf die gesamte solarthermische Kraftwerksanlage wirkt.
Dem Fachmann bekannte, eutektisch schmelzende Mischungen aus Lithium-, Kalium- und Natriumnitrat schmelzen bei 120°C, sind jedoch sehr teuer. Durch die hier beschriebene Technik ist es möglich, Mischungen aus Natriumnitrat und Kaliumnitrat zu verwenden, die in Abwesenheit von Wasser erst bei Temperaturen uber 223°C schmelzen, aber aufgrund der erfindungsgemäß beschriebenen Technik beliebige Schmelzpunkte darunter annehmen konnen. Gleichzeitig ist die maximale Arbeitstemperatur calciumnitratfreier Mischungen ca. 600°C. Eine solche Mischung, z. B. das eutektische Na-K-NO₃-Gemisch, „Solar Salt” (60 Gew.-% NaNO₃, 40 Gew.-% KNO₃) oder jede andere beliebige Mischung, kann somit als Warmeubertragermedium (HTF), als auch als thermisches Speichermaterial (TES) verwendet werden. Durch das Zumischen von Wasser zum Solarkreislauf resultiert zudem ein stark erniedrigter Wasserdampfdruck in der Mischung. Aus diesem Grund kann die Druckauslegung des Solarkreislaufes, der fur gewohnlich bis 30 bar zertifiziert ist, ohne Auslegungsänderungen verwendet werden.
So kann man im Falle von Na/K-NO3 beispielsweise den wasserhaltigen, entkoppelten Solarkreislauf am Morgen auf deutlich über 223°C erhitzen und dann schlagartig in einen leeren Salztank entspannen. Da der Dampfdruck des Wassers natürlich steigt bis 300°C, ist das Leitungssystem auf diese Belastung ausgelegt. Im Moment der Entspannung auf 1 bar im Salztank, verdampft das Wasser schlagartig und kann gespeichert werden.
Da die thermodynamischen Kenndaten und Korrosionseigenschaften der Nitratmischungen gut untersucht sind, kann insbesondere auf diese Mischungen als HTF-Medium zuruckgegriffen werden, obgleich diese aufgrund ihres hohen Schmelzpunktes für salzbetriebene Solarthermiekraftwerke als Warmeübertragermedium (HTF) per se unbrauchbar sind.
Beispielsweise kann die Anwesenheit von Wasser in nitratischen Systemen zu Korrosionserscheinungen an Rohrleitungen fuhren. Aus diesem Grunde sind Stähle zu verwenden, die literaturbekannt kompatibel mit wassrigen und/oder Salzhydraten des Nitrattyps sind. Dazu haben sich rostfreie Edelstahle, z. B. kohlenstoffhaltige Eisenstähle mit Kohlenstoffgehalten größer 0,20%, bestens bewahrt. Vertreter weiterer Stahle sind mit den deutschen Werkstoffnummern z. B. 1.4301, 1.4305, 1.4306, 1.4307, 1.4401, 1.4404, 1.4435, 1.4539, 1.4541, 1.4550, 1.4571, die US-amerikanischen Pendants sind komplementar dazu die Sorten 304, 303, 304L, 316, 316L, 904L, 321, 316Ti. Als zweckdienlich zur weiteren Verringerung des Korrosionsverhaltens derartiger Stähle in wässrigen Salzgemischen bietet sich die Vorbehandlung mit Korrosionsinhibitoren an. Als besonders vorteilhaft erweist sich die einmalige oder kontinuierliche Spulung der Edelstahlrohrinnenwände mit einer Phosphat(derivat)-Losung (z. B. Natriumhydrogenphosphat, Natriumdihydrogenphosphat, Natriumpolyphosphat) der Konzentration 1–100 mmol/L.
Gerade bei den Nitratsystemen ist bekannt, dass das unweigerlich aus den Nitrationen durch thermischen Abbau entstehende Nitrit korrosionsinhibierend wirkt. In diesem Falle sorgt die Beaufschlagung mit Wasser zu einer raschen Verteilung des Nitrits innerhalb des Rohrsystemes.
Nach einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Kraftwerksanlage ist an den Wärmetauscher eine Anlage zur Stromerzeugung angeschlossen.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung, die schematische Darstellungen von solarthermischen Kraftwerksanlagen darstellen, naher erlautert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer solarthermischen Kraftwerksanlage mit direkter Zugabe des Verdunnungsmittels in die Leitung zum Solarfeld,
2 zeigt die Zugabe von Verdünnungsmittel in den zweiten Tank mit abgekühltem HTF,
3 zeigt eine Ausführungsform mit Zwischentank in der Zuleitung des HTFs zum Solarfeld und
4 zeigt eine Ausführungsform mit Zwischentank in der Ableitung des HTFs vom Solarfeld zum ersten Tank mit erhitztem HTF.
1 zeigt ein Schaltbild mit dem ersten Kreislauf, einem Solarfeld 1, einer optionalen Zufeuerung/Begleitheizung 2, einem Tank fur Wasserzugabe 3, einem Dampfkondensator 4, beispielsweise mit vor geschaltetem Dampfseperator, einem ersten Tank 5, der als heißer Salzschmelzespeicher dient, einer Pumpe 6 für heiße Salzschmelze, als Verbindung zum zweiten Kreislauf einer Wärmetauschereinheit 7 und/oder einem Dampferzeugersystem durch das die beiden Kreisläufe verbunden sind, eine Turbine 8 des zweiten Kreislaufs, mit Generator 9 und Kühlung 10. Vom Wärmetauscher 7 zurück zum Solarfeld 1 führt die Leitung uber den „kalten” Tank 11, den Salzschmelzespeicher mit Temperaturen von beispielsweise 250°C bis 290°C. In diesen kalten Tank führt bei dem hier gezeigten Beispiel die Leitung 12 zur Einleitung des Verdünnungsmittels. Zu erkennen ist noch die Pumpe für kalte Salzschmelze 13, die in das Solarfeld 1 zurückführt. Während der Nacht wird nach diesem Ausfuhrungsbeispiel über die Leitung 12 die aus dem Solarfeld 1 austretende Salzschmelze in den Tank 11 gefuhrt, wo sie mit Wasser verdunnt wird.
Wahrend der Tagphase ist die Leitung 12 nicht geöffnet. Die Sonnenenergie erhitzt uber die Spiegelgeometrien des Solarfeldes 1 das wasserfreie HTF, beispielsweise also ein Salzmedium in den Tank(s) 5 und 11 und sorgt fur die Dampferzeugung uber den Wärmetauschereinheit 7, die mittels Turbine 8 über einen Generator 9 Elektrizität erzeugt. Wasserdampf wird uber Kuhleinheit 10 zu flüssigem Wasser rekondensiert. Bei Sonnenuntergang/Wartungsarbeiten/Drainage-tatigkeit etc. wird die Leitung 12 geöffnet und über das Wasserreservoir 3 wird kontinuierlich oder diskontinuierlich flussiges und/oder dampfförmiges Wasser nach einem Salzverdunnungsprozess über die Wasserpumpe 14 eingetragen. Dabei entsteht eine niedrigschmelzende Salzmischung, die entkoppelt vom Dampferzeugungsprozess zirkuliert wird. Die Energieerzeugung erfolgt dann nur noch uber die Leerung des thermischen Reservoirs 5 via Pumpe 6 und Warmetauscher 7 in den Kaltsalztank 11. Bei z. B. Sonnenaufgang wird das wasserhaltige Wärmeübertragermedium im entkoppelten Solarfeldkreislauf 1→12→13 in den entleerten Heißsalztank 5 gepumpt, worauf rasch Verdampfung des enthaltenen Wassers eintritt. Die Leitung 12 wird dazu geschlossen. Das verdampfende Wasser wird uber den Dampfphasenkondensator (gekoppelt mit einem Dampfseparator) 4 kondensiert und fur den nachsten Zuführungszyklus im Wassertank 3 gespeichert. Die Zunahme des Volumens durch Wasserzugabe muss dementsprechend geregelt werden.
Die Wärmetauschereinheit 7 stellt beispielsweise das dem Fachmann bekannte Kombinat aus Economizer, Vaporizer, Superheater und/oder Reheater dar.
2 zeigt wieder ein ahnliches Schaltbild, jedoch mit den zusätzlichen Komponenten „15” Intermediar-/Verdünnungstank zur Wasserbeaufschlagung mit Pumpe und Wassereintrageinheit (Versprayer, Vernebler, Eindüser etc.).
Während der Tagphase ist 12 nicht geöffnet. Die Sonnenenergie erhitzt über die Spiegelgeometrien des Solarfeldes 1 das wasserfreie Salzmedium in den Salztanks 5 und 11 und sorgt für die Dampferzeugung uber den Wärmetauschereinheit 7, der mit Dampfkreislauf 7→8/9→10 Elektrizität generiert. Bei Sonnenuntergang oder Wartungsarbeiten/Drainage wird die Leitung 12 geoffnet und über das Wasserreservoir 3 kontinuierlich flussiges, dampfformiges oder verspraytes Wasser über die Pumpe 14 in den Verdunnungstank 15 eingetragen. Dabei entsteht eine niedrig schmelzende Salzmischung, die z. B. wahrend des Nachtbetriebes entkoppelt via 1→12→15 zirkuliert wird. Da eine verringerte Flussgeschwindigkeit wunschenswert sein kann, dient eine (Umwalz)pumpe 16 innerhalb des entkoppelten Kreislaufes. Zur Vermeidung von (Uber)druckspitzen während der Wasserzugabe in 15 kann ein Überdruckventil 17 für die Entspannung dienen. Die Energieerzeugung erfolgt – entkoppelt durch Bypass 12 – uber die Leerung der thermischen Reservoirs 5 via Wärmetauschereinheit 7 in den Kaltsalztank 11. Bei Sonnenaufgang wird das wasserhaltige Wärmemedium in den heißen Tank gepumpt, worauf rasch Verdampfung des Wassers eintritt. Zur Vermeidung von Druckverhältnissen im Speichertank 5 kann ein Überdruckventil 17 dienen. Bypass 12 wird dazu geschlossen. Das verdampfende Wasser wird über den Dampfphasenkondensator (gekoppelt mit einem Dampfseparator) 4 kondensiert und für den nächsten Zuführungszyklus im Wassertank 3 gespeichert. Speichertank 15 kann dabei mit Salzschmelze und/oder wasserverdünnter Salzschmelze vorgefullt sein.
3 zeigt ein Schaltbild einer Ausfuhrungsform mit Zwischentanks. Die Zugabe des Wassers erfolgt hier über einen Verdünnungstank 15. Eine spatere Leerung erfolgt in den kalten Salztank 11.
Während der Tagphase ist der Bypass 12 nicht geoffnet. Die Sonnenenergie erhitzt über die Spiegelgeometrien 1 das wasserfreie Salzmedium in den Salztanks 5 und 11 und sorgt für die Dampferzeugung uber den Wärmetauschereinheit 7, der mit Dampfkreislauf 7→8/9→10 Elektrizität generiert. Bei Sonnenuntergang oder Wartungsarbeiten wird der Bypass 12 geöffnet und uber das Wasserreservoir 3 kontinuierlich flüssiges, dampfförmiges oder verspraytes Wasser uber die Pumpe 14 in den Verdünnungstank 15 eingetragen. Dabei entsteht eine niedrigschmelzende Salzmischung, die z. B. wahrend des Nachtbetriebes entkoppelt via 1→12→15 zirkuliert wird. Da eine verringerte Flussgeschwindigkeit wünschenswert sein kann, dient eine (Umwalz)pumpe 16 innerhalb des entkoppelten Kreislaufes. Zur Vermeidung von (Uber)druckspitzen während der Wasserzugabe in 15 kann ein Uberdruckventil 17 fur die Entspannung dienen.
Die Energieerzeugung erfolgt – entkoppelt durch Bypass 12 – über die Leerung der thermischen Reservoirs 5 via Wärmetauschereinheit 7 in den Kaltsalztank 11. Bei Sonnenaufgang wird das wasserhaltige Wärmemedium in den kalten Tank gepumpt, worauf rasch Verdampfung des Wassers eintritt. Dieser Tank ist zu Beginn des Tages mit Salzschmelze gefüllt, die eine ausreichende Resttemperatur aufweist, um das wasserhaltige Wärmeüberträgermedium zu entwassern.
Zur Vermeidung von Druckverhältnissen in Tank 11 und 15 kann ein Überdruckventil 17 dienen. Bypass 12 wird dazu geschlossen. Das verdampfende Wasser wird uber den Dampfphasenkondensator (gekoppelt mit einem Dampfseparator) 4 kondensiert und für den nächsten Zuführungszyklus im Wassertank 3 gespeichert. Speichertank 15 kann dabei mit Salzschmelze und/oder wasserverdünnter Salzschmelze vorgefüllt sein.
4 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem die solarthermische Anlage ohne Salzspeichertanks gefuhrt wird. Die Zugabe des Wassers erfolgt wieder über einen Verdünnungstank 15 die Entwässerung dann über einen Austreibetank 18.
Während der Tagphase ist der Bypass 12 nicht geöffnet. Die Sonnenenergie erhitzt über die Spiegelgeometrien des Solarfeldes 1, das wasserfreie Salzmedium und sorgt fur die Dampferzeugung über Wärmetauschereinheit 7, der via Dampfkreislauf 7→8/9→10 Elektrizität generiert. Bei Sonnenuntergang oder Wartungsarbeiten wird der Bypass 12 geöffnet und über das Wasserreservoir 3 kontinuierlich flüssiges, dampfformiges oder verspraytes Wasser uber die Pumpe 14 in den Verdunnungstank 15 eingetragen. Dabei entsteht eine niedrigschmelzende Salzmischung, die z. B. wahrend des Nachtbetriebes entkoppelt via 1→12→15 zirkuliert wird. Da eine verringerte Flussgeschwindigkeit wünschenswert sein kann, dient eine (Umwalz)pumpe 16 innerhalb des entkoppelten Kreislaufes. Zur Vermeidung von (Über)druckspitzen während der Wasserzugabe in 15 kann ein Überdruckventil 17 für die Entspannung dienen. Bei Sonnenaufgang wird das wasserhaltige Warmemedium in den Austreibetank 18 gepumpt. Dieser wird über Zufeuereinheit 19 durch eine beliebige Art (z. B. Gas, Kohle, Ol, Elektrizität) auf Temperatur gebracht oder gehalten, um das zugeführte, wasserhaltige Medium zu entwässern. Zu diesem Zwecke kann Austreibetank 18 bereits mit entwässertem, heißem Salzmedium gefüllt sein, um einen kontinuierlichen Austausch des Mediums in 1 zu gewährleisten. Dazu kann es zweckmaßig sein, die Dampferzeugung über 7 temporar zu umgehen, bis 1 vollstandig ausgetauscht ist.
Die Erfindung offenbart erstmals eine Möglichkeit, wie die Solarthermie wirtschaftlich betrieben werden kann. Durch die hier vorgestellte Neuerung ist es möglich, sowohl ein billiges Heat Transfer Fluid (HTF) einzusetzen, als auch die energieaufwändige Zuheizung uber Nacht entweder ganz einzusparen oder doch deutlich zu reduzieren. Dazu wird ohne Bedrohung fur die Umwelt einfach ein Wassertank in der Anlage installiert, durch den bei Nichtbetrieb der Solarheizung eine Verdünnung des Salzes durch Zugabe von Wasser erfolgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010041460 [0027]

Claims

Solarthermische Kraftwerksanlage mit einem wasserhaltigen oder wasserfreien Salz als Wärmetauscherfluid (HTF), die mindestens folgende Module umfasst: einen ersten Kreislauf mit HTF einen zweiten Kreislauf mit Dampf zum Antrieb von Generatoren wobei der erste Kreislauf zumindest ein Solarfeld (1) mit Spiegelgeometrien und Leitungen, in denen das HTF fließt, eine erste Leitung fur das erhitzte HTF, die vom Solarfeld zum Wärmetauscher (7) führt eine zweite Leitung für das abgekuhlte HTF, die vom Wärmetauscher (7) zum Solarfeld (1) fuhrt und eine Leitung (12) zur Einleitung eines Verdünnungsmittels für das HTF umfasst und die beiden Kreisläufe über den Warmetauscher (7) verbunden sind.
Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, wobei als Verdünnungsmittel Wasser eingesetzt wird.
Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei Leitungen, Pumpen, Module und/oder Tanks der Anlage aus rostfreiem Edelstahl und/oder mit einer korrosionshemmenden Beschichtung innen behandelt sind.
Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, wobei die die Leitungen, Pumpen, Module und/oder die Tanks der Anlage aus kohlenstoffhaltigem Eisenstahl sind.
Kraftwerksanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das HTF ein wasserhaltiges oder wasserfreies Salz mit einem oder mehreren Kationen, ausgewählt aus der Gruppe der Alkali- und/oder Erdalkali-Kationen, und einem oder mehreren Anionen, ausgewahlt aus der Gruppe von Nitrate, (Hydrogen)-Carbonate, Fluoride, Chloride, (Hydrogen)-Sulfate, Bromide, Jodide, und/oder Hydroxide, ist.
Kraftwerksanlage nach einem der vorstehenden Anspruche, bei der ein Uberdruckventil und/oder ein Dampfseparator mit dazugehorigem Dampfkondensator an zumindest einem Tank vorgesehen sind.
Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Kraftwerksanlage, wobei im Leitungssystem der solarthermischen Kraftwerksanlage die Temperatur des HTFs über dessen Schmelzpunkt dadurch gehalten wird, dass der Schmelzpunkt des HTFs durch Zugabe von Verdünnungsmittel beim Abfall der Temperatur zu niedrigeren Temperaturen verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zugabe des Verdünnungsmittels durch Eintropfen, Einspruhen, Einnebeln und/oder Einjetten kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem der Anspruche 7 oder 8, wobei die beiden Kreislaufe der Kraftwerkanlage uber Nacht oder bei Wartungsarbeiten der Anlage voneinander entkoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das HTF in dem entkoppelten, das Solarfeld umfassenden Kreislauf vor Sonnenaufgang oder Hochfahren der Anlage deutlich über den Schmelzpunkt erhitzt und dann in einen leeren Tank schlagartig entspannt wird.