-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und die Verwendung einer Vorrichtung zur Verlängerung des Entladebetriebs eines solarthermischen Kraftwerks, wobei mindestens zwei kalte und mindestens zwei heiße Salzspeichertanks eines Salzturmsystems und eines Parabolrinnensystems vorhanden sind.
-
Die Nutzung regenerativer Energiequellen tritt vermehrt in den letzten Jahren in den Vordergrund und wird sowohl industriell als auch politisch vorangetrieben und gefördert. Solarthermische Kraftwerke (CSP) ermöglichen durch den Einsatz thermischer Speicher eine von der fluktuierenden Sonnenstrahlung entkoppelte und daher bedarfsgerechte Stromproduktion. Ein besonders hohes Potential besitzt die bereits kommerziell eingesetzte Solarturm-Technologie mit Salzschmelze als Wärmetransferfluid. Viele diesbezüglich anwendbare Energiebereitstellungssysteme unterliegen jedoch einer jahreszeitlichen oder zumindest tageszeitlichen Schwankung der Bereitstellung von Nutzenergie. Bezogen auf die Nutzung von Sonnenenergie mittels solarthermischen Kraftwerken besteht eine erhebliche Abhängigkeit zur Tageszeit (Tag = hohes Nutzungspotenzial; Nacht = nahezu kein Nutzungspotenzial). Die Speicherung von Sonnenenergie bei Nacht- und Winterzeiten kann in Parabolrinnen-Kraftwerken mittels Salzspeichern erfolgen.
-
Die elektrische Leistung von solarthermischen Kraftwerken ist an das Strahlenangebot der Sonne gekoppelt, welches vom Stand der Sonne und der Wolkendichte beeinflusst wird. Dies führt zu dem Problem, dass eine zeitliche Diskrepanz zwischen bereitgestellter und geforderter elektrischer Leistung entsteht. Es ist also notwendig, in Zeiten von Energieüberschuss, diesen sinnvoll zu speichern und bei nicht ausreichender Abdeckung dem Verbrauchernetz zuzuführen.
-
Aufgrund der niedrigen Sonnenstände in Winterzeit weisen die bestehenden Parabolrinnen-Kraftwerke geringere thermische Leistung und größere Kosinus-Verluste im Vergleich zu anderen Jahreszeiten auf. Hierbei besteht das Problem, dass an den kurzen Tagen insbesondere in Winter, die Zwischenspeicherung überproduzierter Energie begrenzt ist. Somit besteht keine Möglichkeit diese Energie zu einem späteren Zeitpunkt zu verwenden, um einen Dampfkraftprozess weiter zu fahren. In dieser Hinsicht können die Kernkomponenten bzw. die Bauteile des Wasser-Dampf-Kreislaufs nach repetitiven Unterbrechungen des Betriebsverfahrens beschädigt bzw. dessen Lebensdauer und somit die gesamte Betriebszeit der Anlage reduziert werden.
-
Nach dem Stand der Technik ist die grundsätzliche Generierung von elektrischer Nutzenergie mittels eines Solarfeldes bekannt, wie die eines Solarturms. Die dabei verwendete Salzschmelze wird zwischen 290 °C und 565 °C gehalten. Die Schmelztemperatur von ca. 240 °C darf nicht unterschritten werden und das salzführende Rohrleitungssystem wird über Nacht entleert, um ein Einfrieren des salzführenden Rohrleitungssystems zu vermeiden. Täglich vor Sonnenaufgang muss der komplette Salzkreislauf vorgeheizt werden, bevor er geflutet werden kann, um ein Verstopfen des Rohrleitungssystems und extreme thermische Spannungen zu vermeiden.
-
So wird in der
US 2005 0126 170 A eine Solarenergieerzeugungssystem und ein zugehöriges Verfahren beschrieben, wobei das System mindestens ein Wärmeübertragungsfluid zur Erwärmung auf eine erste Temperatur und zumindest einen Turm zur weiteren Übertragung des Fluids auf eine zweite Temperatur bereitstellt. Das erhitzte Fluid kann anschließend verwendet werden, um beispielsweise Dampf und / oder Elektrizität zu erzeugen.
-
Die
US 2015 167 647 A beschreibt ein Hybrid-Solarkraftwerk, wobei ein Solarturm mit einem Parabolrinnenkollektor kombiniert wird. Während der Sonnenlichteinstrahlung wird im Kollektor Dampf für eine Turbine zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt. Die höhere Temperatur des Dampfes wird ebenso genutzt, um die thermische Energie des Dampfes in der Salzschmelze zu speichern. In Abwesenheit von Sonnenlicht steht die gespeicherte Energie zur schnellen Inbetriebnahme der Anlage wieder zur Verfügung.
-
Bei der bisherigen, kommerziellen Anwendung von Parabolrinnen-Kraftwerken bzw. Salzturm-Kraftwerken wurden voneinander isolierte Salzspeichersysteme verwendet. Dabei erfolgt eine indirekte Nutzung solcher Salzspeichersysteme, bestehend hauptsächlich aus den Komponenten: Speichertanks, Salzpumpen, Wärmeüberträger und Begleitheizung. Dabei fungiert beispielsweise ein Parabolrinnen-Speichertank als Kaltspeicher, der das entladene Salz-Medium zur Erhitzung lagert und auf einem relativ geringen Temperaturniveau von ca. 286 °C bereitstellt. Ein zweiter, weiterer Parabolrinnen-Speichertank speichert das erhitzte Salz-Fluid auf ca. 386 °C und soll dieses vor dem Auskühlen bewahren. Beide Tanks sind gut isoliert, um thermische Verluste möglichst gering zu halten. Als Speichermaterial wird dabei eine binäre Salzmischung (60 % NaNO3 und 40 % KNO3), auch bekannt unter dem Namen „Solar Salt“, verwendet.
-
Je nach Tageszeit ändern sich jedoch die Betriebszustände eines Parabolrinnen-Kraftwerkssystems. Beim Beladungsprozess erzeugt das Öl-Rinnenfeld eine höhere thermische Leistung als vom Kraftwerksblock abgenommen wird. Diese zusätzliche Energie kann über einen Bypass zu den Wärmeüberträger-Einheiten geleitet werden, wo die Energie an das Salz-Wärmeträgerfluid übertragen wird. Hierfür muss das kalte Salz aus dem Kaltspeichertank durch Wärmeüberträger-Module gepumpt werden, wo es sich erhitzt und anschließend im Heißspeichertank gelagert wird. Beim Entladebetrieb wird dieser Prozess umgekehrt. Hierbei wird das heiße Salz zurück durch die Wärmeüberträger-Module in den Kaltspeichertank gefördert und durch das Thermal-Öl erhitzt, welches die thermische Energie an den Kraftwerksblock abgibt. Dieser Zustand tritt dann ein, wenn zu wenig Solarstrahlung zur Verfügung steht, um das Kraftwerk auf Volllast betreiben zu können, z.B. bei Wolkendurchgängen, in der Abenddämmerung oder wenn der Nachtbetrieb einsetzt. Der Nachtbetrieb kann neben dem Volllastbetrieb auch auf Teillast gefahren werden.
-
Aufgabe der Erfindung ist es den Betrieb von Solarkraftwerken durch eine Koppelung von zwei Salztanksystemen in Bezug auf Parabolrinnen- mit Salzturm-Kraftwerke zu verlängern und einen an die Sonnenverhältnisse verbesserten adaptierbaren Betriebszustand zu erhalten.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Salzmassenströme der Salzspeichertanks zwischen dem Salzturmsystemen und dem Parabolrinnensystemen mittels einer Salzmischstelle zur Energieumlagerung gekoppelt werden bzw. dass eine temperaturabhängige und/oder lastabhängige Steuerung der Mischung der Salzmassenströme der Salzspeichertanks an einer Salzmischstation erfolgt, d.h. dass ab einem bestimmten Temperaturbereich von beispielsweise 380°C bis 390°C und/oder ab einem Druckbereich von beispielsweise 0,8 bar bis ca. 1 bar abs (Luftdruck) die Salzmassenströme der Salzspeichertanks des Salzturmsystems und des Parabolrinnensystems zur Energieumlagerung koppelt werden.
-
Die Ankopplung von Salzspeichertanks mit unterschiedlichen Temperaturniveaus kann mittels einer Verbindung der Turm- und Parabolrinnen-Speichertanks erreicht werden, wobei zwischen einem heißen Turm-Salztank und einem kalten Parabolrinnen-Salztank, die eine Salz-Temperatur-Differenz von ca. 280 °C aufweist, besteht. Die benötigte thermische Leistung des Kraftwerksblocks wird durch den Turm- und Parabolrinnenanteil unterstützt. Das Parabolrinnensystem führt eine Vorheizung bis 384°C aus und das Salzturmsystem hebt diese mittels einer zusätzlichen Überhitzung und Zwischenüberhitzung bis auf 540 °C weiter an. Der heiße Tank des Salzturmsystems ist über eine Salzmischstelle bzw. Salzmischstation mit den Speichertanks des Parabolrinnensystems gekoppelt. Die Mischung des Salzes (die Umlagerung) kann beginnen, wenn der heiße Salztank des Parabolrinnenssystems entleert und dadurch keine Dampferzeugung mehr möglich ist. Der Energie-Umlagerungsmodus ermöglicht somit eine Kompensation der fehlenden thermischen Leistung für den verlängerten Entladebetrieb durch Übertragung der thermischen Energie an das Parabolrinnensystem. Der Salz-Mischstrom des Parabolrinnensystems und des Salzturmsystems wird geregelt, um einen Sollwert für die Salz-Mischtemperatur von 386 °C zu erreichen. Hinter der Salzmischstelle wird das Salz zum heißen Salztank des Parabolrinnensystems geführt und dieser wieder aufgefüllt.
-
Der Energie-Umlagerungsmodus und der reine Rinnen-Entladungsbetrieb können bei dieser Speicherkombination gleichzeitig bzw. parallel betrieben werden. Hierfür wird der benötigte Salzmassenstrom für den Entladebetrieb an der Salz-Mischstelle gesteuert und dort entnommen, um dem durchgehenden Betrieb zu gewährleisten. Die Salzmischung erzeugt von dem Parabolrinnen- und Salzturmsystem, ist begrenzt auf die im heißen Turm-Salztank vorliegende Salzmasse. Andererseits ist der Rinnen-Entladungsmodus limitiert auf die im heißen Rinnen-Salztank enthaltene Salzmasse und die Auffüllkapazität des kalten Rinnen-Salztanks. Der Entladungsmodus wird ausgeschaltet, wenn der maximale Füllstand vom kalten Rinnen-Salztank erreicht ist. Das restliche Salz im heißen Rinnen-Salztank wird dann zum kalten Salzturm-Tank geführt.
-
Die Salzmischstelle ermöglicht einen Salz-Wärmestrom-Übergang von einem Salzspeichersystem zum anderen, sodass der Kraftwerksbetrieb, durch den längeren Speicher-Entladebetrieb, verlängert werden kann. Die Salz-Umlagerung bringt zudem mehr Flexibilität für den Betrieb der Anlage. Aufgrund der stark örtlich und zeitlich fluktuierenden solaren Bedingungen, können die Systeme auf die wechselnden Bedingungen reagieren und die Betriebsweise des Kraftwerkes optimieren.
-
Durch den Energie-Umlagerungsmodus besteht die Möglichkeit, den Rinnen-Entladebetriebe zu verlängern, dem entsprechend auch den Turbinenbetrieb bzw. die Stromerzeugung kontinuierlich zu realisieren, solange im heißen Salzturmtank Salzmasse zu Verfügung steht. Die Energie-Umlagerung (Energie-Umlagerungsmodus) kann ebenfalls unter anderen Bedingungen stattfinden bzw. beginnen:
- 1. direkt nach dem Sonnenuntergang zusammen mit dem Entladebetrieb des Rinnen-Speichersystems,
- 2. füllungsabhängig, kurz vor Ende des Entladebetriebes des Rinnen-Speichersystems, wenn der Salz-Füllstand im heißen Parabolrinnen-Salztank über 10% der Gesamtfüllstand liegt,
- 3. wenn auf Grund von solaren Schwankungen das Rinnen-Speichersystems nicht beladen ist und im heißen Salzturmtank genügend Salz zur Verfügung steht.
-
Allgemein gilt, dass der Salz-Mischstrom vom Parabolrinnensystem und Salzturmsystem geregelt wird, um den Sollwert für die Salz-Mischtemperatur von 386°C zu erreichen. Dazu werden die Regelventile geöffnet und eine Salzpumpe für die benötigte Salzströmung eingestellt und die Salzförderung von beiden Speichersystemen beginnt. Das Salz wird an einer Salzmischstelle vermischt und in den heißen Salztank des Parabolrinnensystems überführt und gespeichert. Der heiße Tank des Parabolrinnensystems wird dabei wieder aufgefüllt. Eine Steuerung regelt die Öffnung der Ventile sowie die Einstellung des Nominal-Betriebsdrucks durch eine Salzpumpe, wobei jeweils mindestens ein Temperatur- und/oder Drucksensor vor und hinter der Salzmischstelle in der Vorrichtung vorhanden ist. Während des Energie-Umlagerungsmodus werden im Parabolrinnesystem vorhandene Wärmeübertrager-Module ausgeschaltet. Vorhandene Ventile vor und hinter den Wärmeüberträger-Modulen bleiben geschlossen. Dieser Modus wird so weitergefahren bis der heiße Salztank des Salzturmsystems komplett entleert und kein Salz mehr vorhanden ist. Wenn der heiße Tank des Parabolrinnensystems den maximalen Füllstand erreicht hat, wird das überschüssige Salz über Bypässe zum kalten Tank des Salztumsystems zurückgeführt.
-
Der Energie-Umlagerungsmodus und der reine Rinnen-Entladungsbetrieb können bei dieser Speicherkombination gleichzeitig bzw. parallel betrieben werden. Hierfür soll der benötigte Salzmassenstrom für den Entladebetrieb gleichzeitig an der Salz-Mischstelle gesteuert und entnommen werden, um dem durchgehenden Betrieb zu gewährleisten.
-
Nach dem Energie-Umlagerungsmodus kann ein weiterer Rinnen-Entladungsmodus folgen. Der Rinnen-Entladungsmodus wird ausgeschaltet, wenn der maximale Füllstand des kalten Parabolrinnen-Salztanks erreicht worden ist. Das restliche Salz im heißen Parabolrinnen Salztank wird über Bypässe zum kalten Salzturm-Tank rückgeführt und dieser aufgefüllt. Am Ende des zweiten Rinnen-Entladungsbetriebs sind die kalten Salztanks des Parabolrinnen und des Salzturmsystems komplett aufgefüllt und die heißen Salztanks stehen auf dem minimalen Füllstand für den folgenden Tagesbetrieb bereit.
-
Neben der Verwendung eines Wärmeübertragungs-Modules für die Beladung des Parabolrinnen-Speichersystems sowie eines Wärmeübertragungs-Modules für die Entladung des Parabolrinnen-Speichersystems, besteht ebenfalls die Möglichkeit, hierfür lediglich eine einzige Wärmeüberträger-Einheit zu verwenden.
-
Die Verlängerung des Entladebetriebs kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung in bestehenden Parabolrinnen-Anlagen, die mit einem Salzturm nachgerüstet werden oder beim Neubau von Anlagen mit einer Kombination von Rinnen- und Turm-Anlagen eingesetzt werden.
-
Die Erfindung wird anhand der folgenden 1 nochmals eingehend erläutert:
-
In 1 ist das Prinzip der Energieumlagerung und des Enladebetriebs eines gekoppelten solarthermischen Kraftwerks darstellt. Das Solarthermische Kraftwerk besteht aus einer Kombination von einem Parabolrinnensystem (1) und einem Salzturmsystem (2). Jedes System ist mit einem Salz-Speichersystem gekoppelt. Das Rinnen-Speichersystem besteht aus einem Kalt-Salztank (3) und Heiß-Salztank (4). Die Salztemperatur im (3) und (4) liegt bei 286 °C und 386 °C jeweils, was einer Salz-Temperatur-Differenz von 100 °C entspricht. Das Turm-Speichersystem besteht ebenfalls aus zwei Speichertanks, einem kalten Tank (5) und einem heißen Tank (6). Die Speichertanks sind jeweils mit einer Temperatur von ca. 391 °C und 565°C ausgelegt. Dieses Salz-Speichersystem weist eine Salz-Temperatur-Differenz von ca. 174 °C auf. Die Salz-Speichertanks sind gut isoliert, um thermische Verluste möglichst gering zu halten. Als Speichermaterial wird dabei eine binäre Salzmischung (60 % NaNO3 und 40 % KNO3), auch bekannt unter dem Namen „Solar Salt“ (dünne, durchgehende Linie) verwendet. Die benötigte thermische Leistung des Kraftwerksblocks wird durch das Parabolrinnensystem (1) und Salzturmsystem (2) unterstützt. Das Rinnensystem vollführt eine Vorheizung des Frischdampfs bis 384 °C und das Salzturmsystem hebt diese mittels einer zusätzlichen Überhitzung und Zwischenüberhitzung bis auf 540 °C weiter an.
-
Die Energie-Umlagerung (1) zwischen dem Turm- und Rinnen- Speichersystem (1) und (2) ist mittels der Verbindung des Turm Heiß-Salztanks (6) und des Rinnen Kalt-Salztanks (3) über eine Salz-Mischstelle (7) gekoppelt. Diese Verbindung ermöglicht die Verschiebung bzw. Übertragung gespeicherter Wärme vom Turm- zu dem Rinnen-Speichersystem. Zwischen dem (6) und dem (3) besteht eine Salz-Temperatur-Differenz von ca. 280 °C.
-
Während des Tagesbetriebs werden beide Salzspeichersysteme in Abhängigkeit der Solarstrahlung bzw. der vorhandenen thermischen Leistung beladen. Ein Thermal-Öl (gestrichelte Linie) wird durch die Solarstrahlung im Parabolrinnensystem (1) bis zu 393 °C aufgeheizt. Ein Teil des Thermal-Öls wird zum Kraftwerkblock (Thermal-Öl Kessel) geleitet und das andere Teil zum Rinnenspeichersystem zugeführt. Im Rinnen-Beladungsbetrieb fließt das Thermal-Öl durch die Wärmeübertrager-Module (8) und gibt die Wärme an das Salz ab. Das Salz fließt als Gegenstrom vom Tank (3) durch die Wärmeübertrager-Module (8) durch, nimmt die Wärme auf und wird anschließend in den Tank (4) eingespeichert. Gleichzeitig wird im Salzturm-System (2) das aufgeheizte Salz hinter dem Salzreceiver direkt in den Tank (6) eingeführt. Ein Teil des Salzes wird zum Kraftwerksblock für eine zusätzliche Überhitzung und Zwischenüberhitzung geleitet, während das andere Teil im Tank (6) bleibt und gespeichert wird. Das rückgeführte Salz vom Kraftwerkblock wird über das Ventil (14) zurück zum Tank (5) geführt. Während des Tagesbetriebs mit guter Solarstrahlung ist ein Energie-Umlagerungsmodus nicht erforderlich (dicke, durchgehende Linie). Hierbei ist die Salzpumpe (12) ausgeschaltet und die Ventile (9, 10, 11) die in Verbindung mit der Salz-Mischstelle (7) sind, bleiben dann geschlossen. Die Salzpumpe (16) pumpt vom Tank (3) nun die benötigte Salzmasse durch das Ventil (10), um die Beladung des Parabolrinnen-Speichersystems durchzuführen.
-
Beim Rinnen-Entladebetrieb (1) wird dieser Prozess umgekehrt. Hierbei wird das heiße Salz von Tank (4) zurück durch die Wärmeübertrager-Module (15) in den Kaltspeichertank (3) gefördert und durch das Thermal-Öl erhitzt, welches die thermische Energie an den Kraftwerksblock abgibt. Dieser Zustand tritt dann ein, wenn zu wenig oder gar keine Solarstrahlung zur Verfügung steht, um das Kraftwerk auf Volllast betreiben zu können, z.B. bei Wolkendurchgängen oder in der Abenddämmerung oder, wenn der Nachtbetrieb einsetzt. Der Nachtbetrieb kann neben dem Volllastbetrieb auch auf Teillast gefahren werden. Der Rinnen-Entladebetrieb wird beendet, wenn der Tank (4) komplett entleert worden ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Parabolrinnensystem
- 2
- Salzturmsystem
- 3
- Heißer Salztank des Parabolrinnensystems
- 4
- Kalter Salztank des Pabolrinnensystems
- 5
- Kalter Salztank des Salzturmsystems
- 6
- Heißer Salztank des Salzturmsystems
- 7
- Salzmischstelle
- 8
- Wärmeübertragungs-Modul bei Beladung des Parabolrinnen-Speichersystems
- 9
- Regelventil
- 10
- Regelventil
- 11
- Regelventil
- 12
- Salzpumpe zur Förderung von heißem Salz zur Salzmischstelle
- 13
- Regelventil
- 14
- Regelventil
- 15
- Wärmeübertragungs-Modul bei Entladung des Parabolrinnen-Speichersystems
- 16
- Salzpumpe zur Förderung von Salz von Kalt-Salztank 3 in Heiß-Salztank 4 zur Beladung des Parabolrinnen-Speichersystems und Förderung von kaltem Salz zur Salzmischstelle 7
- 17
- Salzpumpe zur Förderung von Salz von Heiß-Salztank 4 in Kalt-Salztank 3 zur Entladung des Parabolrinnen-Speichersystems und Rückführung von Salz in den Tank 5
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 20050126170 A [0006]
- US 2015167647 A [0007]