EP2661556A2 - Solarthermische kraftwerksanlage und verfahren zum betreiben einer solarthermischen kraftwerksanlage - Google Patents

Solarthermische kraftwerksanlage und verfahren zum betreiben einer solarthermischen kraftwerksanlage

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EP2661556A2
EP2661556A2 EP12716384.8A EP12716384A EP2661556A2 EP 2661556 A2 EP2661556 A2 EP 2661556A2 EP 12716384 A EP12716384 A EP 12716384A EP 2661556 A2 EP2661556 A2 EP 2661556A2
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EP
European Patent Office
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htf
water
power plant
salt
solar
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12716384.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias ÜBLER
Christian MÜLLER-ELVERS
Peter GRÖPPEL
Pascal Heilmann
Peter MÜRAU
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2661556A2 publication Critical patent/EP2661556A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a solar thermal power plant and method for operating a solar thermal power plant, in particular one with a salt-containing heat metransferfluid (HTF).
  • a solar thermal power plant in particular one with a salt-containing heat metransferfluid (HTF).
  • HTF salt-containing heat metransferfluid
  • HTFs used for this purpose are organic thermal oils, the best known representative for solar thermal applications being a eutectic-melting mixture of 26.5% by weight of biphenyl and 73.5% by weight of biphenyl ether (for example from the US Pat. Solutia TM Therminol ® VP-1) represents the ER stares at 12 ° C.
  • the solar thermal power plant so that the pipes do not burst by the Volumenausdeh ⁇ voltage of the solidifying salt and / or so that the system is operated with an external heating at night, a considerable amount of current generated during the day consumed again is not must be restarted in the morning.
  • the object of the present invention is to make more profitable the use of saline HTFs in solar thermal power plants in which nocturnal heating to avoid freezing of the HTF is reduced or avoided.
  • the present invention is therefore a solar thermal power plant with an anhydrous or what ⁇ serumblen salt as a heat exchange fluid (HTF), which comprises at least the following modules: a first cycle with HTF
  • a first line for the heated HTF from the solar panel leads to the heat exchanger
  • the two circuits are connected via the heat exchanger.
  • the subject of the invention is a method for
  • Products heated by addition of water molecules in the crystal composite and the second is simply the melting point of the salt or salt mixture by liquefaction lowered.
  • the present invention discloses an optionally switchable "pipe" in front of the hot tank into a dilution tank, which is then allowed to flow before the hot tank Solar field is introduced again.
  • This tank is preferably designed to ei ⁇ ner particularly preferred embodiment for printing, since in that - after the separation of the first circuit from the second circuit, the so-called TES cycle - is added to water in defined quantities and the activity is to pressure increases, the be caught for example with over ⁇ pressure valves and capacitors.
  • the addition of water can be continuous or total.
  • aqueous HTF mixture goes into the "cold" salt tank, which is equipped with pressure relief valve and condenser, also conceivable is the alternative that the aqueous HTF mixture goes into the hot tank, which is then also equipped with pressure relief valves and condenser ,
  • a solar power plant In a solar power plant according to the present invention is an enrichment of the HTFs with water in the first circuit ⁇ run, comprising the solar field, after sunset or during a turn-off time, instead and it is a geson ⁇ -made water liberation in the morning, or when booting the plant, before the energy production by solar radiation, possible.
  • An essential benefit is drainage, initial filling, emptying and handling of emergency situations where there is no sun anymore.
  • an auxiliary heater is connected to the lines with the HTF in the solar field.
  • diluents such as water
  • These heating elements which can enter heat into the pipe system thermally, inductively or in any other way, have hitherto been used in the prior art to maintain the liquid, ie flowing or flowable, state of the salt-containing HTF circulating therein during the switch-off phase or during the night.
  • nitrate salts eutectically melting mixtures such as non-eutectic mixtures
  • non-eutectic mixtures can be used as the "saline HTF".
  • other salts and especially those with a lower melting point Of course, they are equally suitable.
  • novel ternary, quaternary and quinary salt utensils and mixtures which, by appropriate choice of different salt components, can have melting points as low as 65 ° C suitable for this application.
  • these blends are very expensive to procure, or even often available in large tonnages of up to 35,000 tonnes or more (when used simultaneously as HTF and as thermal storage).
  • Sensitive means that energy is stored steplessly in the liquid salt, in which the temperature of the salt increases.
  • the opposite to sensitive is “latent”: Here, the transition solid -> liquid when melting the salt energy, which is stored because the solidification of these salts, the “latent enthalpy” is free again.
  • CSP systems are preferably used sensitive storage, because in the two circuits should be the same material. That's why the required amounts of salt are enormous: for example, 35,000 tonnes for 125 MWe.
  • salt mixtures are, for example, thermally zer GmbHslos dehydratable salts and / or salt mixtures / Salzeutektika, of alkali (ie, the cations of Li ⁇ thiums Li +, sodium Na +, potassium K +, rubidium Rb + and Cs + Caesi- killed) and or alkaline earth cations (ie the cations of magnesium Mg 2+ , calcium Ca 2+ , strontium Sr 2+ and barium
  • alkali ie, the cations of Li ⁇ thiums Li +, sodium Na +, potassium K +, rubidium Rb + and Cs + Caesi- killed
  • alkaline earth cations ie the cations of magnesium Mg 2+ , calcium Ca 2+ , strontium Sr 2+ and barium
  • Ba 2+ with anions such as nitrates, (hydrogen) carbonates, fluorides, chlorides, (hydrogen) sulfates, bromides, iodides, and / or hydro ⁇ xide, understood alone or in any combination of mixtures.
  • anions such as nitrates, (hydrogen) carbonates, fluorides, chlorides, (hydrogen) sulfates, bromides, iodides, and / or hydro ⁇ xide, understood alone or in any combination of mixtures.
  • nitrate mixture known from DE 10 2010 041460.3 can be used as HTF, which comprises components containing water of crystallization and can be dehydrated thermally without decomposition. From a limited hours ⁇ th temperature this mixture exists as a liquid phase and when heated they are delayed and then steadily the Tied ⁇ ne crystal water. If the release of water of crystallization coincides widely with the eutectic liquidus temperature of the mixture free of water of crystallization, a mixture is obtained which is partly below its actual liquidus temperature (ie with sediment) or completely liquid (ie single-phase).
  • All mentioned salts may contain water and with any water content in the empirical formula as HTF is ⁇ sets.
  • HTF empirical formula
  • salts with a molecular formula cation (s) / anion (s) with x water molecules per molecule of salt which do not form "real", ie known, hydrates, but simply store water in the crystal, taken here be.
  • the transition from one salt present simply diluted with water or other polar solvent and a literature Salzhyd ⁇ rat is fluid and to limit the amount of usable materials as HTF here in any way.
  • a defined amount of water is useful as an addition.
  • a crystal anhydrous Salzmi ⁇ research which are used as plantemik- and storage medium and can reversibly bind water of crystallization and release continuously supplied with water.
  • a defined release of energy is recorded (so-called hydration heat in the case of crystalline water-crystallizing compounds), which can be partially used to keep the lines in the solar circuit at a desired temperature.
  • the thermal energy is sufficient to allow the added water of crystallization and / or excess water to evaporate rapidly a pressure relief valve, a steam separator with condenser above the first and / or second tank, which condenses and stores the escaping water vapor at the moment of introduction for the next blending cycle into the water tank.
  • the water may be the solar circuit run over one intermediä ⁇ reindeer, much smaller filled HTF tank by pumping, spraying, dripping, evaporation or any other way are admixed, since the addition of water results for the melting ⁇ point depressants in an increase in volume of the mixture, which can thus be compensated.
  • the dilution of the salt is thus carried out by means of dropping, spraying, Einne ⁇ beln, jettings or other manner, for example in the temperature range of 10-1000 ° C.
  • the HTF with generated by adding water melting point Ernied ⁇ r Trent has a much lower compared to the pure water vapor pressure due to the high ion concentration. This is due to the attractive effect of the charged ions on the dipolar water. For this reason, it is possible to heat a hydrous salt mixture far above 100 ° C, without causing excessive cooking of the bound ⁇ nen / admixed water. Due to the interaction with the salt ions, in contrast to the pure
  • the water-containing medium is only a small fraction of the total volume of the medium used in it can ⁇ elevated temperatures, which always prevail in the storage tank, a continuous tapping volatile water in the form of steam, for example via a Gasphasenkondenser take place.
  • This water can either be used to generate steam for power generation or serve in a reservoir for the re-hydropneumatic HTFs.
  • crystal water containing salt components such as calcium nitrate hydrate, is what ⁇ ser part of a salt component and must therefore be at ⁇ fangs not supplied externally.
  • the technique described can also be used for salt mixtures which do not form a salt hydrate, in particular the nitrate mixtures of the first main group of the periodic system, for example in particular of the binary system Na-K-NC> 3 in any mixture (eutectic and non-eutectic).
  • the admixture of water according to the invention represents an ordi ⁇ nary aqueous mixture.
  • the present invention with dilution of the HTF, which itself may already be present as hydrous salt, over the night or the dormant state of the solar field, allows the use of cheap salt mixtures in solar thermal power plants in temperature ranges from a few degrees Celsius up to 600 ° C.
  • calcium nitrate-containing Mischun ⁇ gene eg the eutectic melting mixture of Ca-Na-K-N03 has a melting point of about 133 ° C, it is limited Ver ⁇ use of this mixture to working temperatures below 500 ° C, since otherwise decomposition into oxides, ie calcium oxide occurs. The decomposition leads to the shift of the melting point in the direction of higher temperatures and the occurrence of insoluble sediment, which has a highly corrosive effect on the entire solar thermal power plant.
  • mixtures of sodium nitrate and potassium nitrate which melt in the absence of water until tempera ⁇ ren over 223 ° C, but can have any melting points lower due to the invention described technique.
  • the maximum working temperature of calcium nitrate-free mixtures is approx. 600 ° C.
  • Such a mixture eg the eutectic Na-K-N0 3 mixture, "Solar Salt” (60% by weight NaNO 3 , 40% by weight KNO 3 ) or any other desired mixture, can thus be used as a heat transfer medium ( HTF), as well as thermal storage material (TES), adding water to the solar circuit results in a greatly reduced water vapor pressure in the mixture, which means that the pressure rating of the solar circuit, which is usually certified to 30 bar, can not be exceeded design changes may be used. So can be heated, for example, the water- ⁇ containing decoupled solar circuit in the morning to well over 223 ° C and then abruptly relax in an empty salt tank in the case of Na / K-N03.
  • HTF heat transfer medium
  • TES thermal storage material
  • a phosphate (derivative) solution for example, sodium hydrogen phosphate, sodium dihydrogen phosphate, sodium polyphosphate
  • a phosphate (derivative) solution for example, sodium hydrogen phosphate, sodium dihydrogen phosphate, sodium polyphosphate
  • a plant for generating electricity is connected to the heat exchanger.
  • the invention will be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments of the invention, which represent schematic representations of solar thermal power plants. shows a schematic representation of a solar thermal power plant with direct addition of the diluent in the line to the solar ⁇ field,
  • FIG. 1 shows an embodiment with intermediate tank in the derivative of the HTFs from the solar panel to the first tank with heated HTF.
  • Figure 1 shows a circuit diagram with the first circuit, a solar panel 1, an optional Zu Replacement / trace 2, a tank for water addition 3, a steam condenser 4, for example, with upstream steam separator, a first tank 5, which serves as a hot molten salt storage, a pump 6 for hot molten salt, as a connection to the second
  • Water vapor is recondensed via cooling unit 10 to liquid water.
  • the line 12 is opened and via the water reservoir 3, liquid and / or vaporous water is continuously or discontinuously introduced via the water pump 14 after a salt dilution process. This results in a low ⁇ melting salt mixture, which is decoupled from the steam generating process is circulated.
  • the energy is then generated only via the emptying of the thermal reservoir 5 via
  • the water-containing heat transfer medium in the decoupled solar field cycle 1-> 12-> 13 is pumped into the emptied hot salt tank 5, whereupon rapid evaporation of the contained water occurs.
  • the line 12 is closed.
  • the evaporating water is condensed via the vapor phase condenser (coupled with a vapor separator) 4 and stored in the water tank 3 for the next feed cycle.
  • the increase in volume due to the addition of water must be regulated accordingly.
  • the heat exchanger unit 7 represents, for example, the combination of economizer, vaporizer, superheater and / or reheater known to the person skilled in the art.
  • FIG 2 shows again a similar circuit diagram, but with the additional components "15" Intermediär- / VerPmbik for water treatment with pump and water inlet unit (sprayer, Vernebier, Eindüser etc.).
  • a pressure relief valve 17 can serve for the Ent ⁇ voltage.
  • the energy is generated - decoupled by bypass 12 - on the emptying of the thermal reservoir 5 via heat exchanger unit 7 in the cold salt tank 11.
  • bypass 12 is closed.
  • the evaporating water is condensed via the vapor phase condenser (coupled with a steam separator) 4 and stored in the water tank 3 for the next feed cycle.
  • Storage tank 15 may be prefilled with molten salt and / or water-diluted molten salt.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of an embodiment with intermediate tanks. The addition of the water takes place here via a dilution tank 15. A later emptying takes place in the cold salt tank 11.
  • bypass 12 During the daytime phase the bypass 12 is not open.
  • Fanun ⁇ tergang or maintenance of the bypass 12 is opened and the water reservoir 3 continuously liquid, vaporous or sprayed water via the pump 14 in the Dilution tank 15 registered. This results in a low-melting salt mixture, which is decoupled during the night mode via 1->12-> 15, for example. Since a reduced flow rate may be desirable, a (recirculation) pump 16 operates within the decoupled circuit.
  • a pressure relief valve 17 can serve for the relaxation.
  • the energy is generated - decoupled by bypass 12 - on the emptying of the thermal reservoir 5 via towntau ⁇ shear unit 7 in the cold salt tank 11.
  • the water-containing heat medium is pumped into the cold tank, whereupon rapid evaporation of the water occurs.
  • This tank is filled at the beginning of the day with molten salt, which has a sufficient residual temperature to dehydrate the water-containing heat transfer medium.
  • a pressure relief valve 17 may serve. Bypass 12 is closed. The evaporating water is condensed via the vapor phase condenser (coupled with a steam separator) 4 and stored in the water tank 3 for the next feed cycle. Storage tank 15 may be prefilled with molten salt and / or water-diluted molten salt.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment in which the solar thermal system is guided without salt storage tanks.
  • the addition of the water is again via a dilution ⁇ tank 15, the drainage then via a Austreibetank 18th
  • the bypass 12 is not open.
  • the bypass 12 is opened and continuously via the water reservoir 3 liquid, vapor or sprayed water via the pump 14 in the dilution tank 15 registered. This results in a low-melting salt mixture, which is decoupled during the night mode via 1->12-> 15, for example. Since a reduced Flussge ⁇ speed may be desirable, is a (re- rolling) pump 16 within the decoupled circuit.
  • a pressure relief valve 17 can serve for the relaxation.
  • the water-containing heat medium is pumped into the expulsion tank 18. This is brought to or maintained at temperature by means of feed unit 19 by any means (e.g., gas, coal, oil, electricity) to dewater the feed water-containing medium.
  • Austreibetank 18 may already be filled with dehydrated, hot salt medium to ensure a continuous exchange of the medium in 1. This can be useful, the
  • the invention discloses for the first time a possibility of how solar thermal energy can be operated economically.
  • the innovation presented here makes it possible to use a cheap heat transfer fluid (HTF) as well as to either save the energy-consuming additional heating overnight or to significantly reduce it.
  • HTF heat transfer fluid
  • a water tank is simply installed in the system without threat to the environment, by the dilution of the salt takes place by adding water when not operating the solar heating.

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Abstract

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 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

Beschreibung
Solarthermische Kraftwerksanlage und Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Kraftwerksanlage
Die Erfindung betrifft eine solarthermische Kraftwerksanlage und Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Kraftwerksanlage, insbesondere eine mit einem salzhaltigen Wär- metransferfluid (HTF) .
Unter den regenerativen Formen der Energiegewinnung wird den solarthermischen Kraftwerkskonzepten das größte Potenzial zugeschrieben, in Zukunft einen großen Anteil des weltweiten Bedarfes an elektrischer Energie emissionsfrei zu wettbe- werbsfähigen Gestehungskosten generieren zu können. Nicht zuletzt fokussiert das Desertec- bzw. Dil GmbH-Projekt die Er¬ richtung viele Quadratkilometer großer Solarfelder auf dem nordafrikanischen Kontinent und dem mittleren Osten, die mittels kaskadenartig angeordneter Parabolrinnen- und/oder Fres- nelspiegel solarthermische Energieerzeugung für Europa betreiben sollen. In derartigen Anlagen zirkuliert ein Wär- metransferfluid 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 ei¬ ne wasserdampfgetriebene Turbine betrieben und elektrische Energie freigesetzt. Das dadurch abgekühlte Wärmetransferflu¬ id (engl. Heat transfer fluid, „HTF") steht in einem Kreis- prozess der erneuten Erwärmung 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, Wärme- leitfähigkeit , Viskosität und spez. Dichte die endgültigen
Stromentstehungskosten diktieren und damit die Wettbewerbsfähigkeit und Kostenparität zur herkömmlichen Art der Energie¬ erzeugung determinieren. Von besonderer Bedeutung ist dabei der Schmelzpunkt des verwendeten HTFs . Die derzeit verwendeten Wärmetransfermedien sind organischer sowie anorganischer Natur. Die erste Genera- tion 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™ Therminol® VP-1) darstellt, die bei 12°C er- starrt. Aufgrund der organischen Molekülnatur 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 limi¬ tiert ist, da ab diesen Prozesstemperaturen es zudem zur thermischen Degeneration der organischen Strukturen kommt.
Da Wirkungsgrade von Kraftwerken bekanntermaßen überproporti¬ onal mit der Prozesstemperatur skalieren, steht die Verwendung derartiger, organischer HTFs einer ökonomischen, solar- thermischen Energieerzeugung im sehr hohen MWe-Leistungs- bereich konträr gegenüber. Zusätzlich geht von einer solchen Zubereitung im Falle einer Leckage ein Risiko für Mensch, Tier und Natur aus . Aus diesem Grunde wird die Verwendung anorganischer Salzeu- tektika mit niedrigen Schmelzpunkten als Wärmetransfermedium seit Jahrzehnten fokussiert. Als besonders vorteilhaft er¬ weist sich dabei der zu vernachlässigende Dampfdruck liquider Salze bzw. deren Mischungen, was einen nahezu drucklosen Be- trieb in den Absorberrohrleitungen ermöglicht. Weiterhin besitzen Salzschmelzen eine um den Faktor zwei bis drei höhere Wärmeleitfähigkeit sowie spez. Wärmekapazität, was die ein¬ tragbare Sonnenenergiemenge pro Einheitsvolumen in Relation zu organischen Thermoölen stark ansteigen lässt. Der bekann- teste 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 Zube¬ reitung im Vergleich zum Thermoöl VP-1 weist eine Solidustem- peratur von ca. 240 °C auf. Zur Verringerung des Schmelzpunktes ist eine Ternärisierung der Mischung mit Calciumnitrat (Eutektikumssolidus : 133°C) bzw. eine zusätzliche Quarternä- risierung mit Lithiumnitrat (Eutektikumssolidus: 97°C) zweck¬ dienlich. Besonders letztere Methode ist jedoch auf die Ver¬ wendung teuren und weltweit nicht hinreichend im Multitonnen- maßstab verfügbaren Lithiumnitrats angewiesen.
Da für einen ökonomischen Betrieb ein Schmelzpunkt von weniger als 150°C des in solarthermischen Kraftwerken verwendeten Wärmeüberträgermediums 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 ges¬ talten sich die Maßnahmen zur Vermeidung des „Einfrierens" eines Salzgemisches in den für gewöhnlich kilometerlangen Zu- leitungsrohr- und Receiversystemen während der Nacht, wo die Erwärmung 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 tagsüber erzeugten Stroms wieder ver- braucht wird, damit die Rohre nicht durch die Volumenausdeh¬ nung 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 nächtliche Beheizung zur Vermeidung des Einfrierens des HTFs vermindert oder vermieden wird . Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine solarthermische Kraftwerksanlage mit einem wasserfreien oder was¬ serhaltigen 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 abgekühlte HTF vom Wärmetauscher zum Solarfeld führt
eine Leitung zur Einleitung eines Verdünnungsmittels für das HTF umfasst und
die beiden Kreisläufe über den Wärmetauscher 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 Verdünnungsmittel Wasser oder ein sons¬ tiges 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 vor¬ handen - 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 Verflüssigung erniedrigt .
Die vorliegende Erfindung offenbart gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform eine optional schaltbare „Leitung" vor dem heißen Tank weg in einen Verdünnungstank, der sodann vor dem Solarfeld wieder eingeschleust wird. Dieser Tank ist nach ei¬ ner 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 Über¬ druckventilen und Kondensatoren abgefangen werden. Die Wasserzugabe kann kontinuierlich oder gesamt erfolgen. Nach dem Zirkulieren des wässrigen Salzes in der Nacht (die Salztanks mit dem wasserfreien Salz bereiten die Energie) , erfolgt die Aufheizphase im noch separierten ersten Kreis¬ lauf, der das Solarfeld umfasst. Die Aufheizphase bewirkt vornehmlich eine Wasserabgabe. Zur Wasserabgabe stehen mehre- re Wege offen:
1. über einen weiteren „Austreibetank" wird das Wasser separiert und das Salz wasserfrei in den heißen oder kalten Salztank gefördert, da Salztank vorteilhafterweise drucklos be- trieben 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 gemäß der vorliegenden Erfindung findet eine Anreicherung des HTFs mit Wasser im ersten Kreis¬ lauf, der das Solarfeld umfasst, nach dem Sonnenuntergang oder während einer Abschaltzeit, statt und es ist eine geson¬ derte Wasserbefreiung am Morgen, oder beim Hochfahren der Anlage, vor der Energiegewinnung durch Sonneneinstrahlung, möglich. Ein wesentlicher Nutzen besteht in der Drainage, dem Erstbe- füllen, Entleeren und der Handhabung von Notsituationen, wo keine Sonne mehr scheint.
Die Aufrechterhaltung der flüssigen Phase innerhalb des Lei- tungs- und/oder Rohrsystems der Anlage, insbesondere des in der Regel sich über mehrere Kilometer erstreckenden Solarfeldes ist essentiell für die Wirtschaftlichkeit und Funktions- fähigkeit 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 Verdünnungsmittel wie beispielsweise Wasser, kann es nötig 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 Wärme 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 während der Abschaltphase oder während der Nacht.
Meistens wird eine Einhaltung einer Sicherheitsmarge von ca. 20 °C über dem eigentlichen Schmelzpunkt des verwendeten HTFs empfohlen. Falls diese durch die erfindungsgemäße Wasserzuga¬ be nicht erreicht wird, wird diese Zuheizung entweder automa- tisch oder manuell eingeschaltet.
Als „salzhaltiges HTF" können beispielsweise alle Arten von Nitrat-Salzen, eutektisch schmelzende Gemische wie nicht eu- tektische Gemische, eingesetzt werden.
Beispielsweise dient als HTF das gut erhältliche Na/K-N03, was kein Kristallwasser aufnimmt (Tmax = 600°C) . Aber andere Salze und insbesondere solche mit niedrigerem Schmelzpunkt sind natürlich ebenso gut geeignet. Insbesondere ist ein Kristallwasser bindendes Salz wie beispielsweise das Ca-Na-K- N03 (Tmax = 500°C), bestens geeignet. Außerdem gibt es eine Auswahl an neuartigen ternären, quater- nären 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 können 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 für 125 MWe .
Als Salzmischungen werden beispielsweise thermisch zersetzungslos dehydratisierbare Salze und/oder Salzmischun- gen/Salzeutektika, von Alkali- (d.h. die Kationen des Li¬ thiums Li+, Natriums Na+, Kaliums K+, Rubidiums Rb+ und Caesi- ums 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 Hydro¬ xide, alleinig oder in jeglicher Mischungskombination verstanden .
Diese können durch Beimengung von flüssigen und/oder dampfförmigen Verdünnungsmittel mit Temperaturen von beispielswei¬ se Raumtemperatur bis beispielsweise 300°C eine Schmelz- punktserniedrigung und/oder Verdünnung mit polarem Verdünnungsmittel 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 bestimm¬ ten Temperatur liegt diese Mischung als liquide Phase vor und bei Erhitzung gibt sie verzögert und dann stetig das gebunde¬ ne Kristallwasser ab. Fällt die Kristallwasserabgabe mit der Eutektikums-Liquidustemperatur der kristallwasserfreien Mischung weitläufig zusammen, so erhält man eine Mischung, die weit unter ihrer eigentlichen Liquidustemperatur teil- (d.h. mit Bodensatz) oder vollflüssig (d.h. einphasig) ist.
Alle genannten Salze können wasserhaltig vorliegen und mit beliebigem Wasseranteil in der Summenformel als HTF einge¬ setzt werden. Beispielsweise können auch verdünnte Salze, al- so Salze mit einer Summenformel Kation (en) /Anion (en) mit x Wassermolekülen pro Molekül Salz, die keine „echten", also bekannten, Hydrate bilden, sondern einfach im Kristall Wasser einlagern, hier genommen werden. Der Übergang von einem Salz, das einfach verdünnt mit Wasser oder einem sonstigen polaren Lösungsmittel vorliegt und einem literaturbekannten Salzhyd¬ rat 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 Salzmi¬ schung, die als Wärmeüberträger- 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. Hydratations- wärme im Falle kristallwasserhaltig-kristallisierender Verbindungen) , die teilweise genutzt werden kann, um die Leitungen im Solarkreislauf auf einer gewünschten 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, Wasserne¬ bel und/oder Wasserdampf zu dem HTF erfolgt, bis der ge- wünschte Schmelzpunkt eingestellt ist.
Prinzipiell sind je nach Wassergehalt einstellige Schmelz¬ punkte realisierbar. Sobald die Erwärmung des HTFs in den Leitungen des Solarfelds wieder einsetzt, kann das wasserhal- tige Salzgemisch in den heißen oder kalten Salztank gepumpt werden und dort sukzessive das Wasser wieder abgeben.
Da im zweiten, „kalten" Tank für das abgekühlte HTF beispielsweise Temperaturen von 250°C-290°C vorherrschen, reicht die thermische Energie aus, um das beigemengte Kristallwasser und/oder Überschusswasser 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 nächsten Beimengungszyklus in den Wassertank kondensiert und speichert.
Dies stellt einen raschen Prozess dar, da das HTF aus dem So¬ larfeld im Vergleich zum Volumen des mit Wasser versetzten HTFs ein sehr viel geringeres Volumen einnimmt (3-5%) . Bei¬ spielsweise stehen 700 Tonnen Salz im Solarkreislauf weiteren 34700 Tonnen zur Speicherung gegenüber. 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 et¬ waigen temporären Überdruckes können, wie oben bereits erwähnt, Überdruckventile, beispielsweise mit DampfSeparation, Kondensation und Rückfluss zum Druckabbau eingesetzt werden. Das Wasser kann dem Solarkreislauflauf über einen intermediä¬ ren, sehr viel kleineren gefüllten HTF-Tank durch Einpumpen, Eindüsen, Eintropfen, Eindampfen oder einer sonstigen Art und Weise zugemischt werden, da die Wasserzugabe für die Schmelz¬ punkterniedrigung in einer Volumenzunahme der Mischung resultiert, die somit kompensiert werden kann. Die Verdünnung des Salzes erfolgt somit mittels Eintropfen, Einsprühen, Einne¬ beln, Einjetten oder sonstige Art und Weise, beispielsweise im Temperaturbereich von 10-1000°C.
Das HTF mit durch Wasserzugabe erzeugter Schmelzpunktsernied¬ rigung weist aufgrund der hohen Ionenkonzentration einen im Vergleich zum reinen Wasser sehr viel niedrigeren Dampfdruck auf. Dies begründet 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 gebunde¬ nen/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 Ge¬ gendruck 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 Verringe¬ rung 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 Wärmetransfermediums für Wartungsarbeiten möglich. Das erstmalige Anfahren eines derartigen Gemisches als HTF ist somit ebenfalls leichter mög- lieh, ohne dass es zu Einfrierphänomenen 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 be- freien, 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 Nit¬ ratmischungen der ersten Hauptgruppe des Periodensystems, an- dere Mischungen auch höher) erwärmbar sind.
Da das wasserhaltige Medium nur einen geringen Bruchteil des Gesamtvolumens des verwendeten Mediums darstellt kann bei er¬ höhten 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 für die erneute Wasserbeaufschlagung des HTFs dienen. Bei Verwendung kristallwasser- haltiger Salzkomponenten, z.B. Calciumnitrat-Hydrat , ist Was¬ ser Bestandteil einer Salzkomponente und muss deswegen an¬ fangs nicht extern zugeführt werden. Selbstverständlich kann die beschriebene Technik auch für Salzmischungen verwendet werden, die kein Salzhydrat ausbilden, insbesondere den Nit- ratmischungen der ersten Hauptgruppe des Periodensystems, z.B. insbesondere des binären Systems Na-K-NC>3 in beliebiger Mischung (eutektisch und nicht-eutektisch) . In diesem Falle stellt die erfindungsgemäße Beimengung von Wasser eine ordi¬ näre 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 unverdünnt in den Tanks ge- speichert und erzeugt Energie die Nacht über, indem es über den Wärmetauscher in den kalten Tank geführt wird.
Die vorliegende Erfindung mit Verdünnung des HTFs, das selbst schon als wasserhaltiges Salz vorliegen kann, über 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 Mischun¬ gen, z.B. das eutektisch schmelzende Gemisch aus Ca-Na-K-N03 einen Schmelzpunkt von ca. 133°C aufweist, ist man bei Ver¬ wendung dieser Mischung auf Arbeitstemperaturen unter 500 °C beschränkt, da sonst Zersetzung in Oxide, d.h. Calciumoxid, eintritt. Die Zersetzung führt zur Verschiebung des Schmelzpunktes in Richtung höhere Temperaturen und zum Auftreten von unlöslichem 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 Temperatu¬ ren über 223°C schmelzen, aber aufgrund der erfindungsgemäß beschriebenen Technik beliebige Schmelzpunkte darunter annehmen können. Gleichzeitig ist die maximale Arbeitstemperatur calciumnitratfreier Mischungen ca. 600°C. Eine solche Mi- schung, z.B. das eutektische Na-K-N03-Gemisch, „Solar Salt" (60 Gew.-% NaN03, 40 Gew.-% KN03) oder jede andere beliebige Mischung, kann somit als Wärmeüberträgermedium (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 für gewöhnlich bis 30 bar zertifiziert ist, ohne Auslegungsänderungen verwendet werden. So kann man im Falle von Na/K-N03 beispielsweise den wasser¬ haltigen, 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 Korrosionseigenschaf¬ ten der Nitratmischungen gut untersucht sind, kann insbesondere auf diese Mischungen als HTF-Medium zurückgegriffen werden, obgleich diese aufgrund ihres hohen Schmelzpunktes für salzbetriebene Solarthermiekraftwerke als Wärmeüberträgerme¬ dium (HTF) per se unbrauchbar sind.
Beispielsweise kann die Anwesenheit von Wasser in nitrati¬ schen Systemen zu Korrosionserscheinungen an Rohrleitungen führen. Aus diesem Grunde sind Stähle zu verwenden, die lite¬ raturbekannt kompatibel mit wässrigen und/oder Salzhydraten des Nitrattyps sind. Dazu haben sich rostfreie Edelstähle, z.B. kohlenstoffhaltige Eisenstähle mit Kohlenstoffgehalten größer 0,20%, bestens bewährt. Vertreter weiterer Stähle 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 komple¬ mentär dazu die Sorten 304, 303, 304L, 316, 316L, 904L, 321, 316Ti. Als zweckdienlich zur weiteren Verringerung des Korro- sionsverhaltens derartiger Stähle in wässrigen Salzgemischen bietet sich die Vorbehandlung mit Korrosionsinhibitoren an. Als besonders vorteilhaft erweist sich die einmalige oder kontinuierliche Spülung der Edelstahlrohrinnenwände mit einer Phosphat (derivat) -Lösung (z.B. Natriumhydrogenphosphat , Natriumdihydrogenphosphat , Natriumpolyphosphat) der Konzent¬ ration 1-100 mmol/L.
Gerade bei den Nitratsystemen ist bekannt, dass das unweiger¬ lich 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 Ausführungsform der Kraftwerksanlage ist an den Wärmetauscher eine Anlage zur Stromerzeugung angeschlossen . Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die schematische Darstellungen von solarthermischen Kraftwerksanlagen darstellen, näher erläutert . zeigt eine schematische Darstellung einer solarthermischen Kraftwerksanlage mit direkter Zugabe des Verdünnungsmittels in die Leitung zum Solar¬ feld,
zeigt die Zugabe von Verdünnungsmittel in den zwei ten Tank mit abgekühltem HTF,
zeigt eine Ausführungsform mit Zwischentank in der Zuleitung des HTFs zum Solarfeld und
zeigt eine Ausführungsform mit Zwischentank in der Ableitung des HTFs vom Solarfeld zum ersten Tank mit erhitztem HTF.
Figur 1 zeigt ein Schaltbild mit dem ersten Kreislauf, einem Solarfeld 1, einer optionalen Zufeuerung/Begleitheizung 2, einem Tank für 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 Dampf- erzeugersystem 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 über 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 Verdünnungsmit¬ tels. Zu erkennen ist noch die Pumpe für kalte Salzschmelze 13, die in das Solarfeld 1 zurückführt. Während der Nacht wird nach diesem Ausführungsbeispiel über die Leitung 12 die aus dem Solarfeld 1 austretende Salzschmelze in den Tank 11 geführt, wo sie mit Wasser verdünnt wird. Während der Tagphase ist die Leitung 12 nicht geöffnet. Die Sonnenenergie erhitzt über die Spiegelgeometrien des Solarfeldes 1 das wasserfreie HTF, beispielsweise also ein Salzme¬ dium in den Tank(s) 5 und 11 und sorgt für die Dampferzeugung über den Wärmetauschereinheit 7, die mittels Turbine 8 über einen Generator 9 Elektrizität erzeugt. Wasserdampf wird über Kühleinheit 10 zu flüssigem Wasser rekondensiert. Bei Sonnen- untergang/Wartungsarbeiten/Drainage-tätigkeit etc. wird die Leitung 12 geöffnet und über das Wasserreservoir 3 wird kon- tinuierlich oder diskontinuierlich flüssiges und/oder dampfförmiges Wasser nach einem Salzverdünnungsprozess über die Wasserpumpe 14 eingetragen. Dabei entsteht eine niedrig¬ schmelzende Salzmischung, die entkoppelt vom Dampferzeugungs- prozess zirkuliert wird. Die Energieerzeugung erfolgt dann nur noch über die Leerung des thermischen Reservoirs 5 via
Pumpe 6 und Wärmetauscher 7 in den Kaltsalztank 11. Bei z. B. Sonnenaufgang wird das wasserhaltige Wärmeüberträgermedium im entkoppelten Solarfeldkreislauf 1->12->13 in den entleerten Heißsalztank 5 gepumpt, worauf rasch Verdampfung des enthal- tenen Wassers eintritt. Die Leitung 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. Die Zunahme des Volumens durch Wasserzugabe muss dementspre- chend geregelt werden.
Die Wärmetauschereinheit 7 stellt beispielsweise das dem Fachmann bekannte Kombinat aus Economizer, Vaporizer, Su- perheater und/oder Reheater dar.
Figur 2 zeigt wieder ein ähnliches Schaltbild, jedoch mit den zusätzlichen Komponenten „15" Intermediär-/Verdünnungstank zur Wasserbeaufschlagung mit Pumpe und Wassereintrageinheit (Versprayer, Vernebier, Eindüser etc.).
Während der Tagphase ist 12 nicht geöffnet. Die Sonnenenergie erhitzt über die Spiegelgeometrien des Solarfeldes 1 das was¬ serfreie Salzmedium in den Salztanks 5 und 11 und sorgt für die Dampferzeugung über den Wärmetauschereinheit 7, der mit Dampfkreislauf 7^8/9^10 Elektrizität generiert. Bei Sonnenun¬ tergang oder Wartungsarbeiten/Drainage wird die Leitung 12 geöffnet und über das Wasserreservoir 3 kontinuierlich flüs- siges, dampfförmiges oder verspraytes Wasser über die Pumpe 14 in den Verdünnungstank 15 eingetragen. Dabei entsteht eine niedrig schmelzende Salzmischung, die z.B. während des Nacht¬ betriebes entkoppelt via 1->12->15 zirkuliert wird. Da eine verringerte Flussgeschwindigkeit wünschenswert sein kann, dient eine (Umwälz) pumpe 16 innerhalb des entkoppelten Kreis¬ laufes. Zur Vermeidung von (Über) druckspitzen während der Wasserzugabe in 15 kann ein Überdruckventil 17 für die Ent¬ spannung dienen. Die Energieerzeugung erfolgt — entkoppelt durch Bypass 12 — über die Leerung der thermischen Reservoirs 5 via Wärmetauschereinheit 7 in den Kaltsalztank 11. Bei Son¬ nenaufgang 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 geschlos- sen. Das verdampfende Wasser wird über den Dampfphasenkonden- sator (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.
Figur 3 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform mit Zwischentanks. Die Zugabe des Wassers erfolgt hier über einen Verdünnungstank 15. Eine spätere Leerung erfolgt in den kalten Salztank 11.
Während der Tagphase ist der Bypass 12 nicht geöffnet. Die Sonnenenergie erhitzt über die Spiegelgeometrien 1 das was¬ serfreie Salzmedium in den Salztanks 5 und 11 und sorgt für die Dampferzeugung über den Wärmetauschereinheit 7, der mit Dampfkreislauf 7^8/9^10 Elektrizität generiert. Bei Sonnenun¬ tergang oder Wartungsarbeiten wird der Bypass 12 geöffnet und über das Wasserreservoir 3 kontinuierlich flüssiges, dampfförmiges oder verspraytes Wasser über die Pumpe 14 in den Verdünnungstank 15 eingetragen. Dabei entsteht eine niedrigschmelzende Salzmischung, die z.B. während des Nachtbetriebes entkoppelt via 1->12->15 zirkuliert wird. Da eine verringerte Flussgeschwindigkeit wünschenswert sein kann, dient eine (Um- wälz) pumpe 16 innerhalb des entkoppelten Kreislaufes. Zur
Vermeidung von (Über) druckspitzen während der Wasserzugabe in 15 kann ein Überdruckventil 17 für die Entspannung dienen.
Die Energieerzeugung erfolgt — entkoppelt durch Bypass 12 — über die Leerung der thermischen Reservoirs 5 via Wärmetau¬ schereinheit 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 entwässern.
Zur Vermeidung von Druckverhältnissen in Tank 11 und 15 kann ein Überdruckventil 17 dienen. Bypass 12 wird dazu geschlos- sen. Das verdampfende Wasser wird über den Dampfphasenkonden- sator (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.
Figur 4 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem die solarthermische Anlage ohne Salzspeichertanks geführt wird. Die Zugabe des Wassers erfolgt wieder über einen Verdünnungs¬ tank 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 für die Damp¬ ferzeugung über Wärmetauschereinheit 7, der via Dampfkreis- lauf 7^8/9^10 Elektrizität generiert. Bei Sonnenuntergang oder Wartungsarbeiten wird der Bypass 12 geöffnet und über das Wasserreservoir 3 kontinuierlich flüssiges, dampfförmiges oder verspraytes Wasser über die Pumpe 14 in den Verdünnungs- tank 15 eingetragen. Dabei entsteht eine niedrigschmelzende Salzmischung, die z.B. während des Nachtbetriebes entkoppelt via 1->12->15 zirkuliert wird. Da eine verringerte Flussge¬ schwindigkeit wünschenswert sein kann, dient eine (Um- wälz) 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 Wärmemedium in den Austreibetank 18 gepumpt. Dieser wird über Zufeuereinheit 19 durch eine beliebige Art (z.B. Gas, Kohle, Öl, 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 zweckmäßig sein, die
Dampferzeugung über 7 temporär zu umgehen, bis 1 vollständig 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 ener- gieaufwändige 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.

Claims

Patentansprüche
1. Solarthermische Kraftwerksanlage mit einem wasserhaltigen oder wasserfreien Salz als Wärmetauscherfluid (HTF) , die min- destens 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 de- nen das HTF fließt,
eine erste Leitung für das erhitzte HTF, die vom Solarfeld zum Wärmetauscher (7) führt
eine zweite Leitung für das abgekühlte HTF, die vom Wärmetau¬ scher (7) zum Solarfeld (1) führt und
eine Leitung (12) zur Einleitung eines Verdünnungsmittels für das HTF umfasst und
die beiden Kreisläufe über den Wärmetauscher (7) verbunden sind .
2. Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, wobei als Verdünnungs¬ mittel Wasser eingesetzt wird.
3. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei Leitungen, Pumpen, Module und/oder Tanks der Anlage aus rost- freiem Edelstahl und/oder mit einer korrosionshemmenden Be- schichtung innen behandelt sind.
4. Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, wobei die die Leitungen, Pumpen, Module und/oder die Tanks der Anlage aus kohlenstoff- haltigem Eisenstahl sind.
5. 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, ausgewählt aus der Gruppe von Nitrate, (Hydrogen) - Carbonate, Fluoride, Chloride, (Hydrogen) -Sulfate, Bromide, Jodide, und/oder Hydroxide, ist.
6. Kraftwerksanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der ein Überdruckventil und/oder ein DampfSeparator mit dazugehörigem Dampfkondensator an zumindest einem Tank vorge- sehen sind.
7. 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.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zugabe des Verdün- nungsmittels durch Eintropfen, Einsprühen, Einnebeln und/oder Einjetten kontinuierlich erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die beiden Kreisläufe der Kraftwerkanlage über Nacht oder bei Wartungsarbeiten der Anlage voneinander entkoppelt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das HTF in dem entkoppelten, das Solarfeld umfassenden Kreislauf vor Sonnenaufgang oder Hochfahren der Anlage deutlich über den Schmelzpunkt er- hitzt und dann in einen leeren Tank schlagartig entspannt wird .
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