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Die Erfindung richtet sich auf ein solarthermisches Kraftwerk mit einer ein fluides Wärmeträgermedium in einem Wärmeträgermedium-Kreislauf führenden Rohrleitungsanordnung, wobei der Wärmeträgermedium-Kreislauf thermisch an ein Solarfeld und an eine Dampferzeugungsstufe mit angeschlossenem Wasser/Dampf-Kreislauf und darin integriertem Turbinen- oder Turbosatz gekoppelt ist, und wobei der Wärmeträgermedium-Kreislauf und/oder die Dampferzeugungsstufe und/oder der Wasser/Dampf-Kreislauf an mindestens einen Wärmespeicher angeschlossen oder thermisch angekoppelt ist/sind.
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Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie in einem solarthermischen Kraftwerk mit einer ein fluides Wärmeträgermedium in einem Wärmeträgermedium-Kreislauf führenden Rohrleitungsanordnung, wobei der Wärmeträgermedium-Kreislauf thermisch an ein Solarfeld und an eine Dampferzeugungsstufe mit angeschlossenem Wasser/Dampf-Kreislauf und darin integriertem Turbinen- oder Turbosatz gekoppelt ist, und wobei der Wärmeträgermedium-Kreislauf und/oder die Dampferzeugungsstufe und/oder der Wasser/Dampf-Kreislauf an mindestens einen Wärmespeicher angeschlossen oder thermisch angekoppelt ist/sind.
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Solarthermische Kraftwerke weisen häufig einen Wärmeträgermedium-Kreislauf und einen thermisch damit gekoppelten Wasser/Dampf-Kreislauf auf, in den eine Turbinenstufe integriert ist. Hierbei wird das in Absorbern erwärmte Wärmeträgermedium, zum Beispiel ein Thermal, von Sonnenkollektoren eines Solarfeldes einer verschiedene Wärmetauscher umfassenden Dampferzeugungsstufe zugeführt, in welcher Wasser in überhitzten Dampf überführt und einer Turbinenstufe zugeführt wird. In dem Wärmeträgermedium-Kreislauf kann ein Wärmespeicher vorgesehen sein, der nicht benötigte Wärmemengen aus dem Wärmeträgermedium aufnimmt und speichert. Das Solarfeld besteht aus Solarkollektoren, beispielsweise mit parabolförmig gebogenen Spiegeln oder Paraboloid-Spiegeln, die das Sonnenlicht auf in der Brennlinie positionierte Absorber konzentrieren.
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Im öffentlichen elektrischen Stromnetz müssen die elektrischen Strom einspeisende Leistungserzeugung und der elektrischen Strom aus dem Stromnetz entnehmende Verbrauch im Gleichgewicht stehen. Aufgrund des Ausbaus erneuerbarer Energien stehen zeitweise starke Überkapazitäten, andererseits teilweise aber auch Unterkapazitäten am Netz an. Das flukturierende Angebot an erneuerbarer Energie und damit die flukturierende Einspeisung erneuerbarer Energien in das Stromnetz muss mithilfe konventioneller Kraftwerke ausgeglichen werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, bei Überkapazität die erneuerbaren Energiekapazitäten, beispielsweise Windturbinen, abzuschalten oder aber den erzeugten Strom in Energiespeichersystemen wie Pumpspeicherkraftwerken, Druckluftspeicherkraftwerken oder Batterien zu speichern.
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Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt, die eine Speicherung von in erneuerbaren Energieerzeugern erzeugtem elektrischem Strom in thermischen Speichervorrichtungen (Wärmespeicher) vorsehen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der
US 5 384 489 A bekannt, die eine Windkraft-Anlage offenbart, bei der überschüssiger, nicht in das öffentliche Netz einzuspeisender Strom zur Aufheizung von in einem Kreislauf zirkulierendem Wärmeträgerfluid verwendet wird, welches Wärmeträgerfluid danach in einem thermischen Speicher gespeichert wird. Die in dem Wärmespeicher gespeicherte Energie kann bei Bedarf über einen zweiten Wärmeträgermedium-Kreislauf einer Dampferzeugungsstufe mit daran angeschlossenem Wasser/Dampf-Kreislauf zur Verfügung gestellt und dort in elektrischen Strom umgewandelt werden, der wiederum in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Eine Abschaltung der Windräder bei starkem Windaufkommen lässt sich so vermeiden.
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Außerdem ist es bekannt, die in solarthermischen Kraftwerken aufgenommene Wärme thermisch in einem Wärmespeicher zu speichern und diese Wärme dann bei Bedarf der Dampferzeugung zuzuführen. Ein solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zu dessen Betrieb mit einem solchen Wärmespeicher offenbart beispielsweise die
DE 10 2009 010 358 A1 , wobei mit Wärmeenergie beladene Latentwärmespeicher bei Bedarf mit einer Fördereinrichtung in die Dampferzeugungsstufe eines solarthermischen Kraftwerks zur Stromerzeugung eingeführt werden.
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Bei solarthermischen Kraftwerken besteht die Anpassungsfähigkeit an flukturierende Überkapazitäten und Nachfrageschwankungen im angeschlossenen öffentlichen, externen Stromnetz bisher allein darin, dass im Wärmeträgermedium-Kreislauf vorhandene Wärmeenergie thermisch in Wärmespeicher ausgekoppelt und bei Stromnachfragezeiten oder Zeiten fehlenden Sonnenscheins diese Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher wieder in den Wärmeträgermedium-Kreislauf thermisch eingekoppelt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, die Anpassungsfähigkeit eines solarthermischen Kraftwerks an flukturierende Überkapazitäten im angeschlossenen (öffentlichen), externen Stromnetz zu verbessern.
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Bei einem solarthermischen Kraftwerk der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wärmespeicher eine an ein, vorzugsweise öffentliches, externes Stromnetz und/oder die kraftwerkseigene Stromerzeugung angeschlossene elektrische Beheizung aufweist.
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Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wärmespeicher mittels elektrischer Energie in Form von bei in einem vorzugsweise öffentlichen, externen Stromnetz vorhandener Überkapazität an Strom und/oder bei Vorhandensein von beim Betrieb des solarthermischen Kraftwerks erzeugtem, nicht ins Netz einzuspeisenden Überschussstrom elektrisch beheizt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Je nach Art und Ausbildung des solarthermischen Kraftwerks können der Wärmeträgermedium-Kreislauf und der Wasser/Dampf-Kreislauf unterschiedliche, getrennte Kreisläufe ausbilden, aber auch ein und denselben Kreislauf ausbilden. In letzterem Fall sind der Wärmeträgermedium-Kreislauf und der Wasser/Dampf-Kreislauf dann identisch.
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Bei dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk ist also vorgesehen, dass ein elektrisch beheizter Wärmespeicher vorhanden ist, der sowohl aus dem öffentlichen, externen Stromnetz mit Strom zur Beheizung einer Heizvorrichtung beaufschlagbar/verbindbar ist, als auch mit der kraftwerkseigenen Stromerzeugung zum Betrieb seiner Heizvorrichtung verbindbar ist. Damit ist es möglich, ein solarthermisches Kraftwerk an flukturierende Anforderungen des öffentlichen, externen Stromnetzes anzupassen. In Zeiten, in denen im Stromnetz ein Überangebot an Strom vorhanden ist, kann dieses Überangebot dazu genutzt werden, die elektrische Heizvorrichtung eines Wärmespeichers zu betreiben. Es ist aber auch möglich, zur selben Zeit das solarthermische Kraftwerk weiterlaufen zu lassen und kraftwerkseigen erzeugten Strom dann nicht ins Stromnetz einzuspeisen, sondern an den oder einen weiteren Wärmespeicher zur Betätigung der dortigen Heizvorrichtung zu nutzen. Mit der Heizvorrichtung wird dann das jeweilige Wärmespeichermaterial in dem oder einem Wärmespeicher aufgewärmt und zur Speicherung der thermischen Energie genutzt. Anders als bisher bei solarthermischen Kraftwerken üblich, muss in Zeiten, in denen kein Strom vom Kraftwerk abgefordert wird, die bei Sonnenschein dennoch gewonnene thermische Energie nicht aus dem Wärmeträgermedium in den Wärmespeicher ausgekoppelt werden. Vielmehr ist es möglich, weiterhin Strom zu erzeugen und erst den erzeugten Strom dann einzukoppeln. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn die wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten des angeschlossenen Wasser/Dampf-Kreislaufes auf einer Mindesttemperatur gehalten werden müssen, also nicht ohne Weiteres abschaltbar sind. Auch kann dies dann von Vorteil sein, wenn das solarthermische Kraftwerk Bestandteil eines so genannten Hybrid-Kraftwerkes ist, bei welchem zudem noch ein mit kohlehaltigem Brennstoff befeuerter, insbesondere fossil befeuerter, Dampferzeuger mit angeschlossenem Wasser/Dampf-Kreislauf vorhanden ist. Insbesondere solche brennstoffbefeuerten Dampferzeuger müssen mit einer Mindestlast gefahren werden, um bei ansteigender Stromnachfrage diesen relativ zügig bezüglich ihrer Leistungsanpassung wieder hochfahren zu können.
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Dem Wärmespeicher wird bei im Stromnetz vorhandener Überkapazität an Strom und/oder bei Betrieb des solarthermischen Kraftwerks nicht ins Netz einzuspeisender Überschussstrom über eine mit dem jeweiligen Strom und/oder Überschussstrom elektrisch beheizte und vorzugsweise im Wärmespeicher angeordnete Heizvorrichtung Wärmeenergie zugeführt und im Wärmespeicher gespeichert.
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Dies ermöglicht es, in Form von Strom erzeugte überschüssige Energie erneut in Wärmeenergie umzuwandeln und zu speichern, wenn im Stromnetz aufgrund zu hoher Einspeisung ein Überangebot an Strom vorliegt. Ein solcher Fall tritt insbesondere dann auf, wenn die Stromnachfrage relativ gering ist, die Produktion allerdings aufgrund günstiger Bedingungen für erneuerbare Energie, zum Beispiel starker Wind und/oder Sonneneinstrahlung, sehr groß ist. Andererseits kann weiterhin aus dem Wärmespeicher in die Dampferzeugungsstufe und/oder den Wasser/Dampf-Kreislauf ausgekoppelte Wärmeenergie in elektrischen Strom umgewandelt werden. Dies erfolgt insbesondere dann, wenn im Stromnetz ein entsprechender Strombedarf besteht, temporär aber unzureichende Bedingungen für eine entsprechende Stromerzeugung vorliegen, zum Beispiel keine ausreichende Sonneneinstrahlung vorhanden ist, um die benötigte Strommenge zu erzeugen.
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Hierdurch können Einspeise-Fluktuationen insbesondere von erneuerbaren Energien schnell zumindest teilweise ausgeglichen werden, wodurch die in dem solarthermischen Kraftwerk gegebene Speichermöglichkeit zur Netzregulierung und -Stabilisierung genutzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die elektrische Beheizung eines Wärmspeichers einen Wirkungsgrad von nahezu 100% aufweist.
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Der Wasser/Dampf-Kreislauf und/oder die Dampferzeugungsstufe ist/sind bevorzugt direkt und/oder über einen thermisch an den Wärmespeicher gekoppelten Wärmetauscher mit dem Wärmespeicher leitungsmäßig verbunden. In Ausgestaltung sieht die Erfindung daher vor, dass der Wärmespeicher direkt über den Wärmeträgermedium-Kreislauf und/oder einen internen Wärmeträgermedium-Kreislauf, der/die jeweils einen Überhitzer und/oder einen Verdampfer und/oder einen Vorwärmer und/oder einen Zwischenüberhitzer durchströmt/durchströmen, oder indirekt mittels eines zwischengeschalteten, an den Wärmeträgermedium-Kreislauf oder einen internen Wärmeträgermedium-Kreislauf angeschlossenen Wärmetauscher thermisch an die Dampferzeugungsstufe und/oder den Wasser/Dampf-Kreislauf gekoppelt ist. Es sind also verschiedene Möglichkeiten bei dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk realisierbar, wobei ein Wärmespeicher entweder unmittelbar in den Wärmeträgermedium-Kreislauf des solarthermischen Kraftwerkes eingebunden ist oder aber der Wärmespeicher über einen internen Wärmeträgermedium-Kreislauf mit dem Wasser/Dampf-Kreislauf oder der Dampferzeugungsstufe thermisch gekoppelt ist oder aber der Wärmespeicher mittels eines zwischengeschalteten Wärmetauschers an die Dampferzeugungsstufe oder den Wasser/Dampf-Kreislauf thermisch gekoppelt ist, wobei ein erster interner Wärmeträgermedium-Kreislauf den jeweiligen Wärmespeicher mit dem Wärmetauscher verbindet und ein zweiter interner Wärmeträgermedium-Kreislauf den Wärmetauscher mit der Dampferzeugungsstufe oder dem Wasser/Dampf-Kreislauf verbindet. Es besteht die Möglichkeit, alle drei Ausführungsformen oder zwei Ausführungsformen oder auch nur eine Ausführungsform an einem Wärmespeicher zu realisieren. Es ist auch möglich, mehrere Wärmespeicher mit unterschiedlichen thermischen Ankopplungseinrichtungen in einem solarthermischen Kraftwerk vorzusehen.
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Die thermische Ankopplung des Wärmespeichers an den oder einen Wasser/Dampf-Kreislauf des Kraftwerkes kann einerseits dazu benutzt werden, um Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher in den Wasser/Dampf-Kreislauf einzukoppeln. Diese thermische Ankopplung kann aber andererseits auch dazu genutzt werden, um dampfseitig aus dem Wasser/Dampf-Kreislauf thermische Energie auszukoppeln und in den Wärmeträgermedium-Kreislauf oder den Wärmespeicher einzukoppeln.
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Die Erfindung zeichnet sich daher in Weiterbildung dadurch aus, dass die Dampferzeugungsstufe und/oder der Wasser/Dampf-Kreislauf und/oder der Wärmeträgermedium-Kreislauf derart mit dem Wärmespeicher und/oder einem an den Wärmespeicher gekoppelten, zwischengeschalteten Wärmetauscher leitungsmäßig verbunden ist/sind, dass Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher thermisch in den Wasser/Dampf-Kreislauf und/oder in den zwischengeschalteten Wärmetauscher auskoppelbar ist.
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Ebenso sieht die Erfindung daher weiterhin vor, dass die Dampferzeugungsstufe und/oder der Wasser/Dampf-Kreislauf und/oder der Wärmeträgermedium-Kreislauf derart mit dem Wärmespeicher und/oder einem an den Wärmespeicher gekoppelten, zwischengeschalteten Wärmetauscher leitungsmäßig verbunden ist/sind, dass Wärmeenergie des Dampfes aus dem Wasser/Dampf-Kreislauf thermisch in den Wärmespeicher und/oder in den zwischengeschalteten Wärmetauscher auskoppelbar ist.
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Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass aus dem Wasser/Dampf-Kreislauf Wärmeenergie des Dampfes indirekt über einen Wärmetauscher in einen Wärmespeicher oder direkt unmittelbar in einen Wärmespeicher ausgekoppelt wird, wobei beide Auskopplungswege ggf. auch parallel betrieben werden können. Dies ermöglicht es, solarthermische Kraftwerke insofern zu flexibilisieren, als dass erzeugter Wasserdampf nicht unbedingt zur Stromerzeugung über den Turbinensatz oder Turbosatz geleitet werden muss, sondern über mindestens einen Wärmetauscher oder mindestens einen Wärmespeicher geführt wird, wo der Dampf (seine) Energie abgibt. Bei beispielsweise gleichbleibender Dampferzeugung kann dadurch die zur Stromerzeugung genutzte Dampfmenge reduziert und damit die vom Kraftwerk ins Netz eingespeiste Strommenge bzw. elektrische Energie geregelt werden, dass ein Teil der Dampfmenge ”gespeichert” wird.
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Die in dem Wärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie kann bei unzureichender Sonneneinstrahlung auf das Solarfeld aus dem Wärmespeicher ausgekoppelt und dem Dampferzeuger und/oder dem Wasser/Dampf-Kreislauf zugeführt werden. Hierdurch kann auch bei geringer Sonneneinstrahlung Strom produziert und die fluktuierende Einspeisung anderer Kraftwerke bei vorhandener Stromnachfrage ausgeglichen werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass für diesen Ausgleich der zusätzliche Energiebedarf zumindest teilweise nicht durch fossile Kraftwerke aufgebracht werden muss. Die in dem Wärmespeicher gespeicherte Energie wurde zuvor bei einem Strom-Überangebot aus dem Stromnetz ausgekoppelt oder aus dem Solarfeld zugeführt und kann in das Stromnetz nun eingespeist werden. Dies spart Ressourcen und ist wesentlich umweltschonender als die Verbrennung fossiler Energieträger. In dem Wärmespeicher gespeicherte Wärme wird gewünschtenfalls in den Dampferzeuger und/oder den Wasser/Dampf-Kreislauf ausgekoppelt, wobei in dem Dampferzeuger und/oder in dem Wasser/Dampf-Kreislauf erzeugter Dampf als Frischdampf oder Zwischenüberhitzerdampf dem darin integrierten Turbinen- oder Turbosatz zugeführt werden kann. Ebenso ist/sind die Dampferzeugungsstufe und/oder der Wasser/Dampf-Kreislauf derart mit dem Wärmespeicher und/oder dem Wärmetauscher leitungsmäßig verbunden, dass Wärmeenergie aus dem Solarfeld thermisch in den Wärmespeicher und/oder in den Wärmetauscher auskoppelbar ist. Damit ist die in dem Solarfeld aufgenommene, aber nicht für eine Stromerzeugung genutzte Wärmeenergie thermisch in den Wärmespeicher auskoppelbar. Bei gleichbleibender Wärmeaufnahme durch das Wärmeträgermedium in den Kollektorsträngen des Solarfeldes kann hierdurch die in das Stromnetz eingespeiste Strommenge geregelt werden ohne das eine Leistungsreduzierung, zum Beispiel durch eine leichte Defokussierung der Spiegelelemente in den Kollektorsträngen, notwendig wird. Somit werden die Energieausnutzung, der Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit des solarthermischen Kraftwerks erhöht. Der insgesamt auftretende Stromüberschuss im Stromnetz kann hierdurch reduziert werden und eine sehr schnelle Anpassung der Stromerzeugung des solarthermischen Kraftwerks wird möglich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmespeicher mit einem zweiten Dampferzeuger und/oder einem zweiten Wasser/Dampf-Kreislauf thermisch gekoppelt. Damit kann dann, wenn im Stromnetz wieder eine höhere Stromeinspeisung benötigt wird, mittels des zweiten Wärmetauschers, beispielsweise eines Once-Trough-Dampferzeugers, und eines ggf. zusätzlichen Turbinenkreislaufes Strom zusätzlich zu dem (Haupt)Wasser/Dampf-Kreislauf des solarthermischen Kraftwerkes bereitgestellt und ins Netz eingespeist werden.
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Besonders bevorzugt kann das Kraftwerk als Hybridkraftwerk ausgebildet sein und weist der zweite Dampferzeuger und/oder der zweite Wasser/Dampf-Kreislauf einen mit fossilem Brennstoff und/oder mit Biomasse befeuerbaren Feuerraum auf, dessen Brenner vorzugsweise Bestandteil einer indirekten Feuerung sind.
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Um in Zeiten von im Stromnetz herrschenden Überkapazitäten und erhöhter Nachfrage flexibel Stromkapazität zur Verfügung stellen zu können, kann vorgesehen sein, dass einerseits der zweite ggf. fossil befeuerte Dampferzeuger und/oder Wasser/Dampf-Kreislauf des Kraftwerks relativ schnell wieder hochgefahren werden kann, dass alternativ andererseits aber auch parallel der solarthermisch beheizte (Haupt)Wasser/Dampf-Kreislauf des Kraftwerkes mit dem zugeordnetem Turbinensatz oder Turbosatz betrieben werden kann, der dann unmittelbar ohne dass der fossil betrieben Teil des Kraftwerks hochgefahren werden muss, Strom erzeugt und ins Netz einspeist. Hierbei ist bevorzugt, dass der zweite Dampferzeuger und/oder der zweite Wasser/Dampf-Kreislauf derart mit dem Wärmespeicher und/oder einem weiteren an den Wärmespeicher gekoppelten zweiten Wärmetauscher leitungsmäßig verbunden ist/sind, dass Wärmeenergie des Dampfes aus dem zweiten Dampferzeuger und/oder Wasser/Dampf-Kreislauf thermisch in den Wärmespeicher und/oder in den zweiten Wärmetauscher auskoppelbar ist. Dies ermöglicht eine weitere Flexibilisierung des Kraftwerkes, da der (fossil befeuerte) zweite Dampferzeuger bei einer kurzzeitig niedrigen Stromnachfrage/Einspeisemöglichkeit in das öffentliche Stromnetz nicht heruntergefahren werden muss. Daher können unnötige Wirkungsgradverluste aufgrund des erhöhten Eigenenergieverbauchs eines insbesondere fossil-befeuerten Dampferzeugers vermindert werden.
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Bevorzugt weist der Wärmespeicher zur Aufnahme von Wärmeenergie ein Wärmeträgermedium und/oder ein Wärmespeichermedium auf. Besonders bevorzugt weist der Wärmespeicher als Wärmespeichermedium eine Salzschmelze, insbesondere eine Mischung aus KNO3 und NaNO3, auf.
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Für die effiziente Speicherung von Wärme sind solche Latentwärmespeicher besonders geeignet, da zur Speicherung von Energie der Phasenübergang des Wärmeträgermediums oder des Wärmespeichermediums ausgenutzt wird. In Latentwärmespeichern können große Wärmeenergiemengen in einem kleinen Temperaturbereich über eine lange Zeit gespeichert werden, das bedeutet, dass Latentwärmespeicher mittels geeigneter Wahl des Speichermediums eine sehr hohe Energiespeicherdichte bei gegebenenfalls niedrigen erwünschten Temperaturen aufweisen können.
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In Kombination mit der Beheizung des Wärmespeichers mit Strom aus dem öffentlichen Stromnetz, zum Beispiel durch Betrieb einer aus einem Stromüberschuss gespeisten Heizvorrichtung, ist es möglich, in Zeiten, bei denen Stromüberschuss im Stromnetz besteht, einen oder mehrere Wärmespeicher, beispielsweise zwei wechselseitig betriebene, jeweils ein Speichermedium, z. B. geschmolzenes Salz, oder einen Schichtenspeicher mit geschmolzenem Salz, aufweisende Behälter (heiß/kalt) zu verwenden, um temporär überschüssigen Strom aus dem Stromnetz zur Erhitzung des im Wärmespeicher vorgesehenen Speichermediums zu verwenden. Da die elektrische Beheizung einen Wirkungsgrad von nahezu 100% hat, ist der Wirkungsgrad der Stromspeicher, insbesondere bei Verwendung von Salzschmelzen als Wärmespeichermedium, höher als bei vielen anderen Alternativen.
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Bei einem solarthermischen Hybrid-Kraftwerk ist es möglich, nachfolgend oder parallel zu der solarthermischen Erhitzung eine weitere Erhitzung des Dampfes im Wasser/Dampf-Kreislauf vorzunehmen und dadurch den Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu erhöhen. Eine durch das im Wärmeträgermedium-Kreislauf verwendete Wärmeträgermedium zuvor gegebene maximale Temperaturgrenze besteht nicht mehr. Durch die Anordnung eines weiteren vom Wärmeträgermedium-Kreislauf entkoppelten Erhitzers ist es möglich, das Temperaturniveau des überhitzten Dampfes, das nach dem solarthermischen Überhitzer ca. 380°C beträgt, auf ca. 565°C nach dem entkoppelten Erhitzer anzuheben und dadurch gleichzeitig die Enthalpie um ca. 19% zu erhöhen. Um insbesondere die CO2-Bilanz eines solchen solarthermischen Hybrid-Kraftwerkes positiv zu gestalten, kann der entkoppelte Erhitzer Biogas-befeuert ausgebildet ist. Hierdurch wird eine zweckmäßige Verwendung von Biogas in solarthermischen Kraftwerken geschaffen. Da der entkoppelte Erhitzer lediglich ergänzend zu dem solarthermischen Überhitzer arbeitet und wirkt, sind die möglicherweise von einer Biogas-Anlage zur Verfügung stellbaren Biogasmengen ausreichend. Unter Biogas wird aus biologischen Substanzen, insbesondere Biomasse wie Gülle oder nachwachsende Rohstoffe, erzeugtes Gas verstanden.
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Die in dem Wärmespeicher gespeicherte Wärme kann einer Speisewasservorwärmstrecke, einem Vorwärmer, einem Überhitzer oder einem Zwischenüberhitzer des Dampferzeugers und/oder Wasser/Dampf-Kreislaufs zugeführt werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad des solarthermischen Kraftwerks.
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Die erfindungsgemäße Maßnahme solarthermische Kraftwerke mit einem elektrisch beheizbaren Wärmespeicher auszustatten kann bei der Neuplanung von Kraftwerksanlagen als Zusatzanlage oder Zusatzeinrichtung geplant und vorgesehen werden. Es ist aber auch möglich, diese Zusatzanlage bei einem bestehenden Kraftwerk im Rahmen einer Umrüstung oder Ertüchtigung nachzurüsten.
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Für die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks und die Erzielung der vorstehend aufgeführten Vorteile ist es besonders zweckmäßig, wenn an das Wärmeträgermedium übertragene Wärmeenergie im Wärmespeicher auskoppelbar ist, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
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In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich die Erfindung in vorteilhafter Weise dadurch aus, dass dem Wärmespeicher über eine mit dem jeweiligen Strom und/oder Überschussstrom elektrisch beheizte und vorzugsweise im Wärmespeicher angeordnete Heizvorrichtung Wärmeenergie zugeführt und im Wärmespeicher gespeichert wird.
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Hierbei ist in weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass in dem Wärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie bei unzureichender Sonneneinstrahlung auf das Solarfeld aus dem Wärmespeicher ausgekoppelt und der Dampferzeugungsstufe und/oder dem Wasser/Dampf-Kreislauf und/oder dem Wärmeträgermedium-Kreislauf zugeführt wird.
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Schließlich zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch dadurch aus, dass durch das Solarfeld aufgenommene, nicht für die Stromerzeugung genutzte Wärmeenergie thermisch in den Wärmespeicher eingekoppelt wird.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks, und
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks.
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Die 1 zeigt in schematischer Weise ein Solarfeld 5, eine Dampferzeugungsstufe 2 und einen Turbinensatz 4 eines solarthermischen Kraftwerks 1. Das Solarfeld 5 umfasst in nicht dargestellter Weise beispielsweise parallel zueinander geschaltete Sonnenkollektorstränge mit Parabolrinnenkollektoren, auf deren Absorberrohre die einstrahlende Sonnenenergie fokussiert und zur Aufwärmung eines Wärmeträgermediums, beispielsweise eines Thermoöls, genutzt wird. Das Wärmeträgermedium wird in einem Wärmeträgermedium-Kreislauf 13 von dem Solarfeld 5 in die Dampferzeugungsstufe 2 gefördert und gibt dort die in dem Solarfeld 5 aufgenommene Wärme zumindest teilweise an einen Wasser/Dampf-Kreislauf 3 des solarthermischen Kraftwerks 1 ab. Anschließend wird das Wärmeträgermedium wieder in das Solarfeld 5 geleitet, wodurch der Wärmeträgermedium-Kreislauf 13 geschlossen wird. Der durch das Wärmeträgermedium in der Dampferzeugungsstelle 2 aufgeheizte Dampf wird nach Durchlaufen der Dampferzeugungsstufe 2 dem Turbinensatz 4 zugeführt, wo mit einem angeschlossenen Generator 16 die übertragene Wärmeenergie in elektrischen Strom umgewandelt und an das öffentliche Stromnetz 7 abgegeben wird. Der nach Abkühlung wieder in Wasser überführte Dampf wird wieder der Dampferzeugungsstufe 2 zugeführt, wodurch der Wasser/Dampf-Kreislauf 3 geschlossen wird.
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In dem Wärmeträgermedium-Kreislauf 13 ist in Strömungsrichtung des darin strömenden fluiden Wärmeträgermediums in einem parallel zum Solarfeld 5 angeordneten Leitungsstrang 17 ein Wärmespeicher 6 angeordnet. Über das durch den Leitungsstrang 17 strömende Wärmeträgermedium ist der Wärmespeicher 6 thermisch an den Wärmeträgermedium-Kreislauf 13 angekoppelt. Der Wärmespeicher 6 beinhaltet ein Wärmespeichermedium, wie beispielsweise eine Salzschmelze, insbesondere eine Mischung aus KNO3 und NaNO3. Damit ist der Wärmespeicher 3 in der Lage, von dem Wärmeträgermedium über den Leitungsstrang 17 mit dem Wärmeträgermedium zugeführte Wärmeenergie in das Speichermaterial thermisch auszukoppeln. Andererseits ist es möglich, im umgekehrten Fall auch aus dem Wärmespeichermaterial Wärmeenergie in das Wärmeträgermedium des Wärmeträgermedium-Kreislaufes 13 auszukoppeln.
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Weiterhin ist in dem Wärmespeicher 6 eine Heizvorrichtung 14 ausgebildet und angeordnet, die in stromleitende Verbindung mit dem öffentlichen Stromnetz 7 steht. Insbesondere dann, wenn im öffentlichen Netz ein Überangebot an Strom (Überschussstrom) besteht, wird die elektrische Heizvorrichtung 14 betrieben. Die dabei erzeugte Wärmeenergie kann dann in das Wärmespeichermaterial des Wärmespeichers 6 eingekoppelt und eingespeichert werden.
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Weiterhin ist der Wärmespeicher 6 mit einem Wärmetauscher 8 thermisch gekoppelt, der einerseits über einen ersten internen Wärmeträgermedium-Kreislauf 8a thermisch an den Wärmespeicher 6 angekoppelt ist und der andererseits über einen zweiten internen Wärmeträgermedium-Kreislauf 8b thermisch an die Dampferzeugungsstufe 2 angekoppelt ist. Damit ist es möglich, über den Wärmetauscher 8 einerseits mittels des ersten internen Wärmeträgermedium-Kreislaufes 8a Wärme aus dem Wärmespeicher 6 auszukoppeln und über den zweiten internen Wärmeträgermedium-Kreislauf 8b in die Dampferzeugungsstufe 2 und damit den Wasser/Dampf-Kreislauf 3 thermisch einzukoppeln. Andererseits ist aber auch die alternative Route möglich, bei welcher dann Wärmeenergie aus dem Wasser/Dampf-Kreislauf 3 und/oder die Dampferzeugungsstufe 2 an den zweiten internen Wärmeträgermedium-Kreislauf 8b ausgekoppelt und dann über den Wärmetauscher 8 und den ersten internen Wärmeträgermedium-Kreislauf 8a in den Wärmespeicher 6 eingekoppelt wird. Alternativ ist es auch möglich, auf den Wärmetauscher 8 zu verzichten und lediglich im Wege eines einzelnen internen Wärmeträgermedium-Kreislaufes den Wärmespeicher 6 an die Dampferzeugungsstufe 2 und/oder den Wasser/Dampf-Kreislauf 3 thermisch anzukoppeln.
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Auch über den Wärmeträgermedium-Kreislauf 13 ist es möglich, Wärmeenergie sowohl in die Dampferzeugungsstufe 2 und/oder den Wasser/Dampf-Kreislauf 3 thermisch einzukoppeln, aber auch Wärmeenergie aus letzteren thermisch auszukoppeln.
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Während im Ausführungsbeispiel nach der 1 die thermische Ein- und Auskopplung von Wärmeenergie in den Wärmespeicher 3 oder aus dem Wärmespeicher 3 heraus aufgrund der dort dargestellten Anordnung und Ausbildung der verschiedenen Einrichtungen sowohl über den Wärmeträgermedium-Kreislauf 13 als auch über die internen Wärmeträgermedium-Kreisläufe 8a und 8b möglich ist, ist es natürlich alternativ auch möglich, jeweils nur eine dieser Wärmeeinkopplungs- und/oder Wärmeauskopplungsmöglichkeiten an dem mit einer elektrischen Heizvorrichtung 14 ausgestatteten Wärmespeicher 6 auszubilden. Es ist also möglich, dass der Wärmespeicher 6 ausschließlich an den Wärmeträgermedium-Kreislauf 13 angeschlossen ist. Es ist alternativ aber auch möglich, dass der Wärmespeicher 6 ausschließlich an einen Wärmetauscher 6 angekoppelt ist, der mittels interner Wärmeträgermedium-Kreisläufe 8a, 8b an die Dampferzeugungsstufe 3 und/oder den Wasser/Dampf-Kreislauf 3 angekoppelt ist. Eine dritte Alternative besteht darin, dass der Wärmespeicher 6 unmittelbar mittels eines internen Wärmeträgermedium-Kreislaufes an die Dampferzeugungsstufe 2 und/oder den Wasser/Dampf-Kreislauf 3 angekoppelt ist.
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Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung eines mit einer elektrischen Heizvorrichtung 14 ausgestatteten und an das öffentliche Stromnetz 7 angeschlossenen Wärmespeichers 6' ist in der 1 gestrichelt gezeichnet. In dieser Ausführungsform ist der Wärmespeicher 6' über einen einen internen Wärmeträgermedium-Kreislauf 8c aufweisenden Wärmetauscher 19 unmittelbar und ausschließlich an den Wasser/Dampf-Kreislauf 3 angeschlossen. Die Wärmeübertragung an den Wasser/Dampf-Kreislauf 3 kann hierbei mittels des zusätzlichen Wärmetauschers 19 erfolgen, der als Vorwärmer, Verdampfer, Überhitzer und als Zwischenüberhitzer ausgebildet sein kann.
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Natürlich ist es auch möglich, alle vorstehend beschriebenen Alternativen der Anbindung eines Wärmespeichers 6, 6' an die Dampferzeugungsstufe 2 und/oder den Wasser/Dampf-Kreislauf 3 bei einem solarthermischen Kraftwerk 1 vorzusehen.
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Die Wärmespeicher 6, 6' können insbesondere als Latentwärmespeicher ausgebildet sein, wodurch sich eine besonders hohe Speicherdichte des jeweiligen Wärmespeichers 6, 6' ergibt.
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Insgesamt wird es mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines solarthermischen Kraftwerkes möglich, insbesondere bei vorhandenem Überschussstrom elektrische Energie aus dem Stromnetz 7 zu beziehen und nach Umwandlung in Wärmeenergie mittels der Heizvorrichtung 14 als Wärmeenergie in einem Wärmespeicher 6, 6' zu speichern. Bei Bedarf kann diese Wärmeenergie dann an das im Wärmeträgermedium-Kreislauf 13 strömende Wärmeträgermedium abgegeben und zur Stromerzeugung in dem solarthermischen Kraftwerk 1 verwendet werden. Dadurch kann beispielsweise eine zeitweise niedrige Sonneneinstrahlung ausgeglichen oder mit dem solarthermischen Kraftwerk 1 auch bei Dunkelheit Strom erzeugt werden. Somit wird eine effiziente Nutzung von Überkapazitäten im Stromnetz 7 ermöglicht und es kann ein Ausgleich von Abweichungen zwischen Stromnachfrage und -produktion geschaffen werden. Insbesondere kann so das flukturierende Stromangebot der erneuerbaren Energieerzeuger und damit die flukturierende Einspeisung der erneuerbaren Energieerzeuger in das Stromnetz 7 ausgeglichen werden. Insbesondere kann ein solches solarthermisches Kraftwerk 1 mit einer (Zwischen-)Speichermöglichkeit für temporär auftretenden Überschussstrom somit zur Netzstabilisierung beitragen.
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Die Dampferzeugungsstufe 2 kann insbesondere aus Vorwärmer, Überhitzer, Dampferzeuger und/oder Zwischenüberhitzer bestehen. Der Turbinen- und Turbosatz 4 kann insbesondere eine Hochdruckturbine und nachgeschaltete Nieder- und/oder Mitteldruckturbinen aufweisen.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines solarthermischen Kraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierbei wird ein wie in 1 beschriebenes solarthermisches Kraftwerk mit einem zweiten Dampferzeuger 9 und/oder Wasser/Dampf-Kreislauf 10 erweitert. Im Folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und es sollen nur die Erweiterungen beschrieben werden.
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Die 2 zeigt schematisch den fossilbefeuerten, zweiten Dampferzeuger 9 und zweiten Wasser/Dampf-Kreislauf 10 eines solarthermischen Kraftwerks 1'. Der mit fossilem Brennstoff befeuerte Wasser/Dampf-Kreislauf 10 weist einen Feuerraum 11 sowie eine Turbinenstufe 15 mit angeschlossenem Generator 18 auf und ist üblich ausgestattet und umfasst in nicht dargestellter Weise Vorerwärmer, Überhitzer, Zwischenüberhitzer und Wasseraufbereitung. In den zweiten Wasser/Dampf-Kreislauf 10 ist ein zweiter Wärmetauscher 12 thermisch eingekoppelt, der es ermöglicht, dass Wärmeenergie aus in dem zweiten Wasser/Dampf-Kreislauf 10 geführtem Dampf in das im zweiten Wärmetauscher 12 zirkulierende Wärmeträgermedium ausgekoppelt wird. Der zweite Wärmetauscher 12 ist zudem thermisch an einen Wärmespeicher 6'' gekoppelt. In dem Wärmespeicher 6'' wird die von dem Wärmeträgermedium des zweiten Wärmetauschers 12 aufgenommene Wärmeenergie an den Wärmespeicher 6'' ausgekoppelt. Gewünschtenfalls kann der Energieübertragungsweg auch umgekehrt erfolgen. In diesem Fall wird dann im Wärmespeicher 6'' gespeicherte Wärmeenergie an das Wärmeträgermedium des zweiten Wärmetauschers 12 ausgekoppelt und von diesem im zweiten Wärmetauscher 12 an den zweiten Wasser/Dampf-Kreislauf 10 des solarthermischen Kraftwerkes 1' ausgekoppelt.
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Dadurch, dass der Wärmespeicher 6'' an einen ersten solarthermisch beheizten Wasser/Dampf-Kreislauf 3 und an einen fossil befeuerten zweiten Wasser/Dampf-Kreislauf 10 thermisch gekoppelt ist, ist es möglich, aus dem Wärmespeicher 6'' Energie auszukoppeln und parallel zur Dampferzeugung in einem oder beiden der Wasser/Dampf-Kreisläufe 3, 10 zu nutzen. Dabei können die Wasser/Dampf-Kreisläufe 3, 10 dann parallel zueinander zur Stromerzeugung genutzt werden, wenn Unterkapazitäten im Stromnetz 7 ausgeglichen werden sollen, und die primäre Energiequelle zur Dampferzeugung nicht oder nicht schnell genug zur Verfügung steht, zum Beispiel bei zu geringer Sonneneinstrahlung oder falls der fossil betriebene Kraftwerksteil zunächst hochgefahren werden muss.
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Bei den Wärmetauschern 8 und 12 kann es sich um Vorwärmer, Verdampfer, Überhitzer oder Zwischenüberhitzer des jeweiligen Wasser/Dampf-Kreislaufes 3, 10 handeln.
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Bei dem Solarfeld 5 des jeweiligen solarthermischen Kraftwerkes 1, 1' kann es sich um aus parallel angeordneten Parabolrinnenkollektoren aufgebaute einzelne Solarkollektorstränge handeln. Es ist aber auch möglich, das Solarfeld als Bestandteil eines Fressnel-Kollektor-Kraftwerkes, eines Paraboloid-Kraftwerkes oder eines Solarturm-Kraftwerkes auszubilden. Je nach Art des solarthermischen Kraftwerks können der Wärmeträgermedium-Kreislauf und der Wasser/Dampf-Kreislauf auch identisch und als ein Kreislauf ausgebildet sein. In diesem Fall ist das Wasser des Wasser/Dampf-Kreislaufes dann das Wärmeträgermedium. Solche Ausführungsformen finden sich insbesondere beispielsweise bei Solarturmkraftwerken oder Parabolrinnenkraftwerken, wo dann das Wasser unmittelbar im Solarfeld im Receiver des Turmes oder in den Absorberleitungen der Parabolrinnenkollektoren zu Dampf erhitzt wird.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der jeweilige Wärmespeicher 6, 6', 6'' auch an die kraftwerksinterne oder kraftwerkseigene Stromerzeugung 7' richtungsmäßig angeschlossen ist. Die elektrische Beheizung 14 kann dann bei Vorhandensein von beim Betrieb des solarthermischen Kraftwerkes 1, 1' erzeugtem, nicht ins Netz einzuspeisendem Überschussstrom mit diesem elektrisch beheizt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5384489 A [0005]
- DE 102009010358 A1 [0006]
