DE102012020480A1

DE102012020480A1 - Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks sowie solarthermisches Kraftwerk

Info

Publication number: DE102012020480A1
Application number: DE201210020480
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Maaß
Original assignee: Linde GmbH; Siemens AG
Current assignee: Linde GmbH; Siemens AG
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2014-04-24
Also published as: DE102012020480A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks sowie ein solarthermisches Kraftwerk mit einem Wärmeträgerkreislauf, in dem ein flüssiger, eine Salzschmelze umfassender Wärmeträger (3) umläuft, dabei direkt durch Sonnenstrahlung aufgeheizt (R1, R2) und nachfolgend gegen ein im Dampfkreislauf einer Dampfturbine (D) zirkulierendes Arbeitsmedium (20) abgekühlt wird (W, V, U, Z). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass als Wärmeträger (3) ein Stoffgemisch eingesetzt wird, das zumindest vor seiner Aufheizung durch Sonnenstrahlung (R1, R2) eine Salzschmelze und Wasser umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks mit einem Wärmeträgerkreislauf, in dem ein flüssiger, eine Salzschmelze umfassender, Wärmeträger umläuft, dabei direkt durch Sonnenstrahlung aufgeheizt und nachfolgend gegen ein im Dampfkreislauf einer Dampfturbine zirkulierendes Arbeitsmedium abgekühlt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein solarthermisches Kraftwerk, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Unter der direkten Aufheizung des Wärmeträgers durch Sonnenstrahlung ist zu verstehen, dass die Sonnenstrahlung entweder direkt durch den Wärmeträger absorbiert und in Wärme umgewandelt und/oder von einem Festkörper, beispielsweise einem Blech, aufgefangen wird, der sie in Wärme umwandelt und diese in direktem Kontakt dem Wärmeträger zuführt.
Solarthermische Kraftwerke nutzen die Energie der Sonne zur Stromerzeugung. Über Spiegel wird Sonnestrahlung auf einen als Receiver bezeichneten Wärmetauscher fokussiert, in Wärme umgewandelt und auf einen durch den Receiver geführten Wärmeträger übertragen. In den jüngsten solarthermischen Kraftwerken handelt es sich bei dem Wärmeträger um eine Salzschmelze, die im Receiver auf bis zu 565°C aufgeheizt wird und die die aufgenommene Wärmer zum größten Teil über einen Wärmetauscher an einen Dampfkreislauf abgibt, wobei überhitzter Wasserdampf erzeugt wird. Auf eine Temperatur von ca. 290°C abgekühlt, gelangt die Salzschmelze schließlich zurück zum Receiver. Der überhitzte Wasserdampf wird in einer mit einem Generator gekoppelten Dampfturbine entspannt und erzeugt auf diese Weise elektrischen Strom.
Um auch in Zeiten elektrischen Strom erzeugen zu können, in denen die Sonne nicht oder nicht in ausreichender Stärke scheint, umfasst ein solarthermisches Kraftwerk gewöhnlich einen Salzschmelze-Speicher, in den in sonnenreichen Zeiten ein Teil der über den Absorber aufgenommenen Sonnenenergie eingeleitet und aus dem in sonnenarmen bzw. sonnenlosen Zeiten aufgeheizte Salzschmelze zur Stromproduktion entnommen wird. Nach dem Stand der Technik weist ein solcher Wärmespeicher zwei thermisch gegen die Umgebung isolierte, voneinander getrennte Speicherbehälter auf, zwischen denen die als Wärmeträger dienende Salzschmelze hin und her gepumpt werden kann. Zur Wärmespeicherung wird dem ersten, im Weiteren als Kaltspeicher bezeichneten Speicherbehälter Salzschmelze mit einer Temperatur von ca. 300°C entnommen, aufgeheizt und anschließend zur Zwischenspeicherung in den zweiten, im Weiteren als Heißspeicher bezeichneten Speicherbehälter gepumpt. Beispielsweise in der Nacht wird aus dem Heißspeicher aufgeheizte Salzschmelze abgezogen, über einen mit dem Dampfkreislauf der Dampfturbine gekoppelten Wärmetauscher unter Produktion von Wasserdampf auf ca. 290°C abgekühlt und anschließend in den Kaltspeicher zurückgeführt.
Die in derartigen Kraftwerken eingesetzten Salzschmelzen besitzen gewöhnlich Erstarrungstemperaturen, die im Bereich von 250°C liegen können, so dass zumindest während der Nachtstunden die Gefahr des Erstarrens der Salzschmelze und einer Blockade des Salzkreislaufs besteht. Um dieser Gefahr zu begegnen, werden nach dem Stand der Technik Salzschmelze führende Rohrleitungen mit einer Begleitheizung ausgeführt, für die allerdings erhebliche Investitions- und vor allem Betriebskosten anfallen, die sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit des Kraftwerks auswirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der Eingangs beschriebenen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, die geeignet sind, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Wärmeträger ein Stoffgemisch eingesetzt wird, das zumindest vor seiner Aufheizung durch Sonnestrahlung eine Salzschmelze und Wasser umfasst.
Derartige Wärmeträger sind beispielsweise aus einer Patentanmeldung DE 10 2010 041 460 A1 bekannt, deren Inhalt mit ihrer Zitierung zur Gänze in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.
Wie sich in Versuchen gezeigt hat, kann die Erstarrungstemperatur von Salzschmelzen durch die Zugabe von Wasser beträchtlich reduziert werden. Der erfindungsgemäße Einsatz derartiger Systeme als Wärmeträger in solarthermischen Kraftwerken erlaubt es daher, den finanziellen und technischen Aufwand für eine Begleitheizung zu verringern oder sogar vollständig auf eine Begleitheizung zu verzichten.
Als besonders vorteilhaft haben sich Wärmeträger erwiesen, die aus Natriumnitrat sowie Kaliumnitrat und/oder Strontiumnitrat und Wasser bestehen, da die Erstarrungstemperaturen derartiger Stoffgemische durch die Wahl ihrer Zusammensetzung bis auf ca. 100°C abgesenkt werden können. Gleichzeitig ist es möglich, sie bis auf Temperaturen von mehr als 550°C zu erhitzen, ohne dass es zu Zersetzungserscheinungen kommt. Es wird daher vorgeschlagen, das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Wärmeträger durchzuführen, der eine binäre oder ternäre Salz-Basismischung aus Natriumnitrat sowie Kaliumnitrat und/oder Strontiumnitrat und beigemengtem Wasser darstellt, wobei sein Wassergehalt vor seiner Aufheizung zwischen 5 und 40 Gew.-% und vorzugsweise zwischen 5 und 20 Gew.-% liegt.
Ein erfindungsgemäß eingesetzter Wärmeträger bietet die Möglichkeit, Wärme sowohl sensibel als auch latent, nämlich durch die Verdampfung von im Wärmeträger enthaltenem Wasser, zu speichern. Die nutzbare Wärmekapazität des Wärmeträgers steigt dabei mit der Menge des in die Dampfform überführbaren Wassers sowie dem Druck und der Temperatur des erzeugten Dampfes. Da die Menge des verdampfbaren Wassers jedoch mit dem bei der Aufheizung des Wärmeträgers herrschenden Druck abnimmt, wird vorgeschlagen, die Aufheizung des Wärmeträgers in wenigstens zwei aufeinander folgenden Aufheizschritten durchzuführen, wobei jeweils zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Aufheizschritten der Druck des Wärmeträgers reduziert wird. Der Wärmeträger kann dabei in jedem Aufheizschritt bis in die Nähe seiner Zersetzungstemperatur aufgeheizt werden, wobei ein Sicherheitsabstand von z. B. 50°C eingehalten wird. Je nach dem Wassergehalt des Wärmeträgers, dem Druck und der Temperatur, kann in einem Aufheizschritt entweder ein einphasiges, aus flüssigem Wärmeträger oder ein zweiphasiges, aus flüssigem Wärmeträger sowie überhitztem Wasserdampf bestehendes Stoffgemisch erhalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, aus einem bei der Aufheizung des Wärmeträgers erzeugten zweiphasigen Stoffgemisch überhitzten Wasserdampf abzutrennen, so dass ein überhitzter Wasserdampfstrom und ein flüssiger Wärmeträgerstrom erhalten werden. Hierdurch ist es möglich, die im Wasserdampf latent gespeicherte Wärme an einer anderen Stelle in den Dampfkreislauf der Dampfturbine einzubringen, als die sensible Wärme des flüssigen Wärmeträgers. Weiterhin ist es möglich, dem flüssigen Wärmeträger unabhängig von dem überhitzten Wasserdampf in einem nachfolgenden Aufheizschritt zusätzlich Wärme zuzuführen.
Mit besonderem Vorzug wird aus einem bei der Aufheizung des Wärmeträgers erzeugten zweiphasigen Stoffgemisch abgetrennter überhitzter Wasserdampf gegen zu verdampfendes Arbeitsmedium abgekühlt, da hierbei nur sehr geringe Energieverluste auftreten. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch auch möglich, aus einem zweiphasigen Stoffgemisch abgetrennten überhitzen Wasserdampf gegen anzuwärmendes und/oder zu überhitzendes Arbeitsmedium abzukühlen.
Erfindungsgemäß kann auf die Abtrennung des überhitzten Dampfes aus einem bei der Aufheizung des Wärmeträgers erzeugten zweiphasigen Stoffgemisch auch verzichtet werden. In diesem Fall wird die Gesamtmenge oder ein Teil des zweiphasigen Stoffgemisches gegen zu verdampfendes und/oder zu überhitzendes Arbeitsmedium abgekühlt, während dem ggf. verbleibenden Rest nach einer Entspannung in einem folgenden Aufheizschritt weiter Wärme zugeführt wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im letzten Aufheizschritt gewonnener flüssiger Wärmeträger vollständig in einen Heißspeicher geleitet wird, aus dem lediglich eine Teilmenge des Wärmeträgers wieder entnommen und gegen Arbeitsmedium abgekühlt wird. Durch diese Verfahrensvariante ist gewährleistet, dass Wärmeträger aus dem Heißspeicher stets auf dem höchsten Temperaturniveau entnommen werden kann. Zweckmäßigerweise wird der Wärmeträger vor seiner Einleitung in den Heißspeicher vollständig entspannt, so dass die Speicherung drucklos erfolgt.
Aus dem Heißspeicher entnommener flüssiger Wärmeträger wird gegen zu überhitzendes und/oder zu verdampfendes Arbeitsmedium bis auf eine oberhalb seiner Erstarrungstemperatur liegende Temperatur abgekühlt. Vorzugsweise wird anschließend dem Wärmeträger zur Absenkung seiner Erstarrungstemperatur Wasser zugemischt, bevor gegen anzuwärmendes flüssiges Arbeitsmedium weiter abgekühlt wird.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das überhitzte Arbeitsmedium in eine wenigstens zweistufige Dampfturbine eingeleitet wird, wobei der in einer Turbinenstufe teilentspannte Dampf des Arbeitsmediums vor seiner Weiterleitung in eine folgende Turbinenstufe gegen flüssigen Wärmeträger und/oder ein bei der Aufheizung des Wärmeträgers gewonnenes zweiphasiges Stoffgemisch und/oder gegen aus einem zweiphasigen Stoffgemisch abgetrennten überhitzen Wasserdampf zwischenüberhitzt wird. Bei der Zwischenüberhitzung nicht kondensierter Wasserdampf wird vorzugsweise gegen zu verdampfendes Arbeitsmedium kondensiert. Sinnvollerweise wird bei der Zwischenüberhitzung und/oder bei der Verdampfung des Arbeitsmediums anfallendes Kondensat gegen anzuwärmendes flüssiges Arbeitsmedium abgekühlt.
Im Wärmeträgerkreislauf als Flüssigkeit anfallendes Wasser wird zweckmäßigerweise in einen im Folgenden als Wasserspeicher bezeichneten Speicherbehälter eingeleitet, aus dem es später wieder entnommen und flüssigem, gegen zu verdampfendes und/oder zu überhitzendes und/oder zwischen zu überhitzendes Arbeitsmedium abgekühlten Wärmeträger zugemischt wird, um dessen Erstarrungstemperatur zu erniedrigen. Vorzugsweise wird der abgekühlte Wärmeträger nach seiner Vermischung mit Wasser zur Vorwärmung des Arbeitsmediums eingesetzt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Aufheizung des Wärmeträgers in genau zwei aufeinander folgenden Aufheizschritten durchgeführt wird, wobei im ersten und/oder zweiten Aufheizschritt ein zweiphasiges, aus flüssigem Wärmeträger sowie überhitztem Wasserdampf bestehendes Stoffgemisch erzeugt werden kann. Nach jedem der beiden Aufheizschritte kann überhitzter Wasserdampf aus einem in diesem Aufheizschritt erzeugten zweiphasigen Stoffgemisch abgetrennt werden.
In Zeiten, in denen eine Aufheizung des Wärmeträgers durch Sonnenstrahlung nicht oder nur eingeschränkt möglich ist, wie etwa bei bedeckten Himmel, in den Nachtstunden oder bei Vorliegen einer technischen Störung, wird erfindungsgemäß das Arbeitsmedium ausschließlich gegen aufgeheizten flüssigen, aus dem Heißspeicher entnommenen Wärmeträger verdampft, überhitzt und gegebenenfalls zwischenüberhitzt. Nach Zumischung von Wasser, das vorzugsweise aus dem Wasserspeicher entnommen wird, und der Abkühlung gegen anzuwärmendes flüssiges Arbeitsmedium wird der Wärmeträger schließlich in Kaltspeicher eingeleitet, aus dem er in Zeiten wieder entnommen und in den Wärmeträgerkreislauf eingespeist wird, in denen Wärmeträger mittels Sonnenstrahlung aufgeheizt wird.
Bei der Entspannung von im letzten Aufheizschritt gewonnenem flüssigem Wärmeträger in den Heißspeicher wird gewöhnlich Wasserdampf frei gesetzt. Um das erfindungsgemäße Verfahren mit möglichst geringen Wasserverlusten durchzuführen wird vorgeschlagen, den freigesetzten Wasserdampf zu kondensieren und das dabei anfallende Kondenstat in den Kaltspeicher einzuleiten.
Mit besonderem Vorteil kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben von solarthermischen Kraftwerken eingesetzt werden, in denen Wasser als Arbeitsmedium im Dampfkreislauf der Dampfturbine zirkuliert. Sein Einsatz in solarthermischen Kraftwerken, in denen ein anders Arbeitsmedium wie beispielsweise Ammoniak, Schwefel, Luft oder Kohlendioxid verwendet wird, ist jedoch nicht ausgeschlossen.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein solarthermisches Kraftwerk, mit einem Wärmeträgerkreislauf, in dem ein flüssiger, eine Salzschmelze umfassender Wärmeträger umlaufen, dabei direkt durch Sonnenstrahlung aufgeheizt und nachfolgend gegen ein im Dampfkreislauf einer Dampfturbine zirkulierendes Arbeitsmedium abgekühlt werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wärmeträgerkreislauf wenigstens zwei Receiver zur Aufheizung des Wärmeträgers umfasst, die so angeordnet sind, dass sie von dem Wärmeträger seriell durchströmt werden können.
Die Erfindung erlaubt es, dem eingesetzten Wärmeträger über die Receiver Wärme in wenigstens zwei Aufheizschritten zuzuführen, wobei in jedem Aufheizschritt durch die Verdampfung eines Teils des im Wärmträger enthaltenen Wassers Wärme latent speicherbar ist. Dazu ist ein Receiver so ausgeführt, dass der Wasserdampf mit erhöhtem Druck erzeugt und überhitzt werden kann, so dass ein zweiphasiges, aus überhitztem Wasserdampf und aufgeheiztem flüssigem Wärmeträger bestehendes Stoffgemisch entsteht. Zweckmäßigerweise ist zwischen jeweils zwei Receivern ein Drosselorgan angeordnet, durch das der Druck des Wärmeträgers vor Eintritt in den folgenden Receiver verringert werden kann. Dies ermöglicht in jedem Aufheizschritt die Verdampfung von Wasser, das aufgrund der im vorangehenden Aufheizschritt herrschenden Druckverhältnisse nicht in die Dampfform überführt werden kann.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Kraftwerk zumindest einen stromabwärts eines Receivers angeordneten Abscheider, in dem ein in dem Receiver erzeugtes zweiphasiges, aus überhitztem Wasserdampf und aufgeheiztem flüssigem Wärmeträger bestehendes Stoffgemisch in überhitzten Wasserdampf und aufgeheizten flüssigen Wärmeträger getrennt werden kann. Der Abscheider ist mit dem Dampfkreislauf der Dampfturbine derart verbunden, dass überhitzter Wasserdampf und/oder aufgeheizter flüssiger Wärmeträger aus dem Abscheider abgezogen und zur Verdampfung und/oder Überhitzung und/oder Vorwärmung des Arbeitsmediums eingesetzt werden können. Weiterhin kann der Abscheider mit einem weiteren Receiver oder einem Heißspeicher in strömungstechnischer Verbindung stehen, so dass aufgeheizter flüssiger Wärmeträger zur weiteren Wärmeaufnahme in den weiteren Receiver oder zur Zwischenspeicherung in den Heißspeicher eingeleitet werden kann.
Zweckmäßigerweise ist der Heißspeicher stromabwärts des letzten der in Reihe geschalteten Receiver angeordnet und mit diesem derart verbunden, dass die gesamte Flüssigphase des im letzten Receiver aufgeheizten Wärmträgers zur Zwischenspeicherung in den Heißspeicher eingeleitet werden kann. Mit dem Dampfkreislauf der Dampfturbine ist der Heißspeicher so verbunden, dass flüssiger aufgeheizter Wärmeträger aus dem Heißspeicher entnommen und zur Vorwärmung und/oder Verdampfung und/oder Überhitzung des Arbeitsmediums einsetzbar ist.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass das solarthermische Kraftwerk einen Kaltspeicher umfasst, in den gegen das Arbeitsmedium abgekühlter flüssiger Wärmeträgers zur Zwischenspeicherung eingeleitet werden kann.
Günstige Standorte für solarthermische Kraftwerke liegen überwiegend in trockenen Gegenden, in denen die Versorgung des Kraftwerkes mit Wasser problematisch und mit hohen Kosten verbunden sein kann. Es wird daher angestrebt, den Wasserbedarf eines solarthermischen Kraftwerks so gering wie möglich zu halten. Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das solarthermische Kraftwerk mit einem Wasserspeicher auszustatten, in den während der Aufheizung aus dem Wärmeträger abgetrennter und gegen flüssiges und/oder dampfförmiges Arbeitsmedium kondensierter Wasserdampf eingeleitet und zwischengespeichert werden kann. Der Wasserspeicher ist derart mit dem Wärmeträgerkreislauf verbunden, dass Wasser aus dem Wasserspeicher entnommen und flüssigem wasserfreiem bzw. wasserarmem Wärmeträger zugemischt werden kann.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das solarthermische Kraftwerk eine wenigstens zweistufige Dampfturbine sowie einen als Zwischenüberhitzer bezeichneten Wärmetauscher umfasst, in dem der in einer Turbinenstufe teilentspannte Dampf des Arbeitsmediums gegen flüssigen Wärmeträger und/oder ein bei der Aufheizung des Wärmeträgers gewonnenes zweiphasiges Stoffgemisch und/oder gegen aus einem zweiphasigen Stoffgemisch abgetrennten überhitzen Wasserdampf zwischenüberhitzt werden kann.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand dreier in den 1 bis 3 schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Die 1 zeigt ein mit einer zweistufigen Dampfturbine ausgerüstetes solarthermisches Kraftwerk im Einspeichemodus, in dem eine wasserhaltige Salzschmelze als Wärmeträger eingesetzt wird, über den als Arbeitsmedium im Dampfkreislauf der Dampfturbine zirkulierendem Wasser Wärme zugeführt wird.
Die 2 zeigt eine Variante des solarthermischen Kraftwerks aus 1.
Die 3 zeigt die solarthermischen Kraftwerke aus den 1 und 2 während des Betriebs im Ausspeichermodus.
In den 1–3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleich Anlagenkomponenten.
In dem in 1 dargestellte Kraftwerk wird aus dem Kaltspeicher K mit Hilfe der Pumpe P1 ein erster Wärmeträgerstrom 1 mit einer Temperatur von ca. 100°C entnommen und mit einem zweiten Wärmeträgerstrom 2 zusammengeführt, der mit etwa gleich hoher Temperatur aus dem Vorwärmer W abströmt. Die beiden Wärmeträgerströme 1 und 2, die aus einer wasserhaltigen Natriumnitrat-Kaliumnitratschmelze bestehen, dieselbe Zusammensetzung und einen Wassergehalt von vorzugsweise mehr als 12 Gew.-% aufweisen, werden zum Wärmeträgerstrom 3 vereinigt, der über die Pumpe P2 dem Receiver R1 mit einem Druck zwischen 100 und 150 bar zugeleitet wird. Durch die auf den Receiver R1 auftreffende Sonnenstrahlung erwärmt sich der Wärmeträger auf eine Temperatur von ca. 550°C, wobei ein Teil des im Wärmeträge enthaltenen Wassers verdampft, so dass ein aus überhitztem Wasserdampf und wasserhaltiger Salzschmelze bestehendes Stoffgemisch 4 aus dem Receiver R1 abgezogen und in den Abscheider A1 eingeleitet werden kann, wo es in überhitzten Wasserdampf 5 und aufgeheizte wasserhaltige Salzschmelze 6 aufgetrennt wird.
Die mit einem Hochdruckteil HD und einem Niederdruckteil ND ausgeführte Dampfturbine D ist mit einem elektrischen Generator G gekoppelt, so dass die in den überhitzen Dampfströmen 7 und 9 in Form von Wärme und Druck gespeicherte Energie zu einem Großteil in elektrischen Strom 8 umgewandelt werden kann. Die Dampfturbine D ist mit dem Zwischenüberhitzer Z verbunden, über den aus dem Hochdruckteil HD teilentspannt abströmender Dampf 9 zwischenüberhitzt wird, bevor zur weiteren Entspannung in den Niederdruckteil ND geführt wird. Aus dem im Niederdruckteil ND entspannten Dampf 13 wird im Kondensator B ein Kondensat 20 erzeugt, das über die Pumpe P3 dem Vorwärmer V zugeführt wird. Die für die Zwischenüberhitzung erforderliche Energie wird zu einem Teil dem überhitzten Wasserdampf 5 aus dem Abscheider A1 entzogen, der dabei abgekühlt wird. Der abgekühlte, aber immer noch überhitzte Wasserdampf 10 wird in den Verdampfer V weitergeleitet, wo er gegen vorgewärmtes Wasser 11 zum Kondensatstrom 18 kondensiert wird, wobei das vorgewärmte Wasser 11 in die Dampfphase 12 übergeht.
Über das Drosselorgan a wird die aufgeheizte wasserhaltige Salzschmelze 6 auf einen Druck von ca. 25 bar entspannt, wodurch in der Salzschmelze enthaltenes Wasser in die Dampfphase übergeht und die Salzschmelze abgekühlt wird, so dass ein abgekühltes zweiphasiges Stoffgemisch in den Receiver R2 eingeleitet und dort durch Sonnenstrahlung wieder aufgeheizt wird. Aus dem Receiver R2 wird das zweiphasige Stoffgemisch 14 mit einer Temperatur von ca. 550°C abgezogen und in den Abscheider A2 eingeleitet, wo es in überhitzten Wasserdampf 15 und aufgeheizte, weitgehend wasserfreie Salzschmelze 16, aufgetrennt wird.
Der überhitzte Wasserdampf 15 wird ebenfalls dem Zwischenüberhitzer Z zugeführt, wo er gegen den Dampfstrom 9 kondensiert, so dass über Leitung 17 ein Kondensat abgezogen werden kann, das mit dem Kondensat 18 aus dem Verdampfer V zum Kondensatstrom 19 vereinigt wird. Der Kondensatstrom 19 wird im Vorwärmer W gegen anzuwärmendes Wasser 20 abgekühlt, bevor er über Leitung 21 zur Zwischenspeicherung in den Wasserspeicher W eingeleitet wird.
Über das Drosselorgan b wird die weitgehend wasserfreie Salzschmelze 16 auf Umgebungsdruck in den Heißspeicher H entspannt, wobei das restliche Wasser in die Dampfphase 22 übergeht, die nachfolgend im Wärmetauscher E kondensiert wird, um als flüssiges Wasser in den Kaltspeicher K eingeleitet zu werden. Mit Hilfe der Pumpe P4 wird wasserfreie Salzschmelze 23 aus dem Heißspeicher H zum Überhitzer U gefördert, wo sie gegen zu überhitzenden Wasserdampf 12 abgekühlt wird. Die Menge der wasserfreien Salzschmelze 23, die aus dem Heißspeicher abgezogenen wird, ist dabei kleiner oder allenfalls gleich der Menge an wasserfreier, über die Leitung 16 zugeführter Salzschmelze, so dass der Heißspeicher H während dieser als Einspeichermodus bezeichneten Betriebsweise des Kraftwerks mit heißer wasserfreier Salzschmelze aufgefüllt wird. Zur Erniedrigung ihrer Erstarrungstemperatur wird die im Überhitzer U abgekühlte Salzschmelze 24 mit Wasser 25 vermischt, das mit Hilfe der Pumpe P5 aus dem Wasserspeicher W zugeführt wird, ehe sie in den Vorwärmer V weitergeleitet und gegen anzuwärmendes Wasser 20 zum zweiten Wärmeträgerstrom 2 auf ca. 100°C abgekühlt wird.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks, das ebenfalls mit einem aus einer wasserhaltigen Natriumnitrat-Kaliumnitratschmelze bestehenden Wärmeträger 3 betrieben wird und sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Art der Aufheizung des Wärmeträgers sowie die Verwendung der bei der Aufheizung erzeugten Stoffströme unterscheidet. Der im Receiver R1 mit Hilfe von Sonnenstrahlung aus dem Wärmeträger 3 erzeugte Stoffstrom 4, der einen Druck zwischen 100 und 150 bar und eine Temperatur von ca. 550°C aufweist und je nach dem Wassergehalt des Wärmeträgers 3 ein- oder zweiphasig vorliegt, wird in die drei Wärmeträgerströme 6, 26 und 27 aufgeteilt. Während der Wärmeträgerstrom 6 über das Drosselorgan a in den Receiver R2 geleitet wird, um weitere Sonnenenergie aufzunehmen, werden die beiden Wärmeträgerströme 26 und 27 gegen das im Dampfkreislauf der Dampfturbine D zirkulierende Arbeitsmedium abgekühlt. Der Wärmeträgerströme 26 wird hierzu dem Zwischenüberhitzer Z zugeführt und dort gegen den teilentspannten Dampfstrom 9 zum Wärmeträgerstrom 28 abgekühlt. Evtl. als überhitzter Wasserdampf im Wärmeträgerstrom 26 vorliegendes Wasser wird bei der Abkühlung kondensiert, so dass der Wärmeträgerstrom 28 einphasig vorliegt. Der Wärmeträgerströme 27 wird mit aufgeheizter wasserfreier Salzschmelze 23 aus dem Heißspeicher H zum Wärmeträgerstrom 29 vereinigt und in den Überhitzer U eingeleitet, wo er gegen den zu überhitzenden Dampfstrom 12 zum Wärmeträgerstrom 30 abgekühlt wird. Auch hier wird evtl. als überhitzter Wasserdampf im Wärmeträgerstrom 27 vorliegendes Wasser bei der Abkühlung kondensiert. Mit dem im Zwischenüberhitzer Z abgekühlten Wärmeträgerstrom 28 wird der Wärmeträgerstrom 30 zum Wärmeträgerstrom 31 vereinigt, der im Verdampfer V gegen zu verdampfendes Wasser 11 weiter zum Wärmeträgerstrom 32 abgekühlt wird. Zur Erniedrigung seiner Erstarrungstemperatur wird der Wärmeträgerstrom 32 mit Wasser 25 vermischt, das mit Hilfe der Pumpe P5 aus dem Wasserspeicher W zugeführt wird, ehe er in den Vorwärmer V weitergeleitet und gegen anzuwärmendes Wasser 20 zum zweiten Wärmeträgerstrom 2 abgekühlt wird.
Der im Abscheider A2 gewonnene überhitzte Wasserdampf wird in einen ersten 33 und einen zweiten Teilstrom 34 aufgeteilt. Der erste Teilstrom 33 wird gegen den teilentspannten Dampfstrom 9 abgekühlt, so dass ein zwar abgekühlter, aber immer noch überhitzter Wasserdampfstrom 35 aus dem Zwischenüberhitzer Z abgezogen und mit dem zweiten Teilstrom 34 zum überhitzen Wasserdampfstrom 36 vereinigt werden kann. Der überhitzte Wasserdampfstrom 36 wird im Vorwärmer V gegen vorzuwärmendes Wasser 20 kondensiert und der dabei entstehende Kondensatstrom 21 zur Zwischenspeicherung in den Wasserspeicher W eingeleitet.
Wenn in sonnenarmen bzw. sonnenlosen Zeiten, wie beispielsweise während der Nacht, der Wärmeträger in den Receivern R1 und R2 nicht mehr ausreichend hoch erhitzt werden kann, um genügend überhitzen Dampf für den Betrieb der Dampfturbine D zu erzeugen, wird das solarthermische Kraftwerk im Ausspeichermodus betrieben, wie er in 3 dargestellt ist. Hierbei wird dem Heißspeicher H aufgeheizte wasserfreie Salzschmelze 23 mit einer Temperatur von 565°C entnommen und in einen ersten 37 und einen zweiten Teilstrom 38 aufgeteilt. Der erste Teilstrom 37 wird dem Zwischenüberhitzer Z zugeführt und dort gegen den teilentspannten Dampfstrom 9 zum Salzschmelzestrom 39 abgekühlt, während aus dem zweiten Teilstrom 38 durch Abkühlung gegen den zu überhitzenden Dampfstrom 12 im Überhitzer U der Salzschmelzestrom 40 gewonnen wird. Die beiden Salzschmelzeströme 39 und 40 werden zum Salzschmelzestrom 41 vereinigt, der nachfolgend im Verdampfer V gegen zu verdampfendes, vorgewärmtes Wasser 11 weiter zum Salzschmelzestrom 42 abgekühlt wird. Zur Erniedrigung seiner Erstarrungstemperatur wird der Salzschmelzstrom 42 mit Wasser 25 vermischt, das mit Hilfe der Pumpe P5 aus dem Wasserspeicher W zugeführt wird, ehe er in den Vorwärmer V weitergeleitet und gegen anzuwärmendes Wasser 20 zum Wärmeträgerstrom 43 abgekühlt und zur Zwischenspeicherung in den Kaltspeicher K eingeleitet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010041460 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks mit einem Wärmeträgerkreislauf, in dem ein flüssiger, eine Salzschmelze umfassender Wärmeträger (3) umläuft, dabei direkt durch Sonnenstrahlung aufgeheizt (R1, R2) und nachfolgend gegen ein im Dampfkreislauf einer Dampfturbine (D) zirkulierendes Arbeitsmedium (20) abgekühlt wird (W, V, U, Z), dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträger (3) ein Stoffgemisch eingesetzt wird, das zumindest vor seiner Aufheizung durch Sonnenstrahlung (R1, R2) eine Salzschmelze und Wasser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger (3) eine binäre oder ternäre Salz-Basismischung aus den Nitraten der Elemente Natrium, Kalium und Strontium sowie beigemengtem Wasser darstellt, wobei sein Wassergehalt vor seiner Aufheizung zwischen 5 und 40 Gew.-% und vorzugsweise zwischen 5 und 20 Gew.-% liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Wärmeträgers in wenigstens zwei aufeinander folgenden Aufheizschritten (R1, R2) durchgeführt wird, wobei jeweils zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Aufheizschritten der Druck des Wärmeträgers reduziert wird (a).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufheizung (R1, R2) des Wärmträgers (3) im Wärmeträger enthaltenes Wasser verdampft und zu überhitztem Wasserdampf umgesetzt wird, wobei ein zweiphasiges, aus flüssigem Wärmeträger sowie überhitztem Wasserdampf bestehendes Stoffgemisch (4, 14) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem bei der Aufheizung (R1, R2) des Wärmeträgers (3) erzeugten zweiphasigen Stoffgemisch (4, 14) überhitzter Wasserdampf abgetrennt (A1, A2) wird, so dass ein überhitzter Wasserdampfstrom (5, 15, 33, 34) und ein flüssiger Wärmeträgerstrom (6, 16) erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem zweiphasigen Stoffgemisch abgetrennter überhitzter Wasserdampf (5, 15, 33, 34) gegen anzuwärmendes (20) und/oder zu verdampfendes (11) und/oder zu überhitzendes Arbeitsmedium (12) abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine wenigstens zweistufige Dampfturbine (D) eingesetzt wird, wobei der in einer Turbinenstufe (HD) teilentspannte Dampf (9) des Arbeitsmediums vor seiner Weiterleitung in eine folgende Turbinenstufe (ND) gegen flüssigen Wärmeträger (26) und/oder ein bei der Aufheizung des Wärmeträgers gewonnenes zweiphasiges Stoffgemisch (26) und/oder gegen aus einem zweiphasigen Stoffgemisch abgetrennten überhitzen Wasserdampf (5, 15, 33) zwischenüberhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im letzten Aufheizschritt gewonnener flüssiger Wärmeträger (16) vollständig in einen als Heißspeicher bezeichneten Speicherbehälter (H) geleitet wird, aus dem lediglich eine Teilmenge (23) des Wärmeträgers wieder entnommen und gegen Arbeitsmedium (20, 11, 12) abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass gegen verdampfendes (20) und/oder dampfförmiges Arbeitsmedium (11) abgekühlter flüssiger Wärmeträger (24, 32, 42) mit Wasser vermischt und zur Erwärmung von flüssigem Arbeitsmedium (20) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem zweiphasigen Stoffgemisch (4, 14) abgetrennter und gegen Arbeitsmedium kondensierter Wasserdampf (21) in einen Wasserspeicher (W) eingeleitet und dort zwischengespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser (25) aus dem Wasserspeicher (W) entnommen und abgekühltem flüssigem Wärmeträger (24, 32, 42) vor seinem Einsatz zur Vorwärmung des Arbeitsmediums zugemischt wird.
Solarthermisches Kraftwerk mit einem Wärmeträgerkreislauf, in dem ein flüssiger, eine Salzschmelze umfassender Wärmeträger (3) umlaufen, dabei direkt durch Sonnenstrahlung aufgeheizt und nachfolgend gegen ein im Dampfkreislauf einer Dampfturbine (D) zirkulierendes Arbeitsmedium (20) abgekühlt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträgerkreislauf wenigstens zwei Receiver (R1, R2) zur Aufheizung des Wärmeträgers (3) umfasst, die so angeordnet sind, dass sie von dem Wärmeträger seriell durchströmt werden können.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei Receivern (R1, R2) ein Drosselorgan (a) angeordnet ist, durch das der Druck des Wärmeträgers (6) verringert werden kann.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts zumindest eines der Receiver (R1, R2) ein Abscheider, (A1, A2) angeordnet ist, in dem ein in dem Receiver (R1, R2) erzeugtes zweiphasiges, aus überhitztem Wasserdampf und aufgeheiztem flüssigem Wärmeträger bestehendes Stoffgemisch (4, 14) in überhitzten Wasserdampf (5, 33, 34) und aufgeheizten flüssigen Wärmeträger (6, 16) getrennt werden kann.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Wasserspeicher (W) umfasst, in dem gegen flüssiges (20, 11) und/oder zu dampfförmiges Arbeitsmedium (12, 9) kondensierter Wasserdampf (21) gespeichert werden kann.