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Ganz schön heiß für eine Schneeflocke: Durch das axial berippte Rohr strömt Dampf bei hohem Druck durch den Latentwärmespeicher. Die Wärme wird über die Rippenstruktur auf das Salz übertragen.

Bild: DLR

Wärmespeicher für Solarthermie Diese Schneeflocke spendet Sonnenwärme in der Nacht

26.07.2017

Ein neue Generation von Wärmespeichern hält auch ohne Sonnenschein die Stromproduktion von Solarkraftwerken aufrecht. Das Geheimnis liegt im Aufbau des Speichersystems.

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Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben gemeinsam mit dem Industriepartner Linde einen Latentwärmespeicher auf Nitratsalzbasis weiterentwickelt. In Kombination mit einer Kaskade sensibler Speicher soll er die Stromproduktion solarthermischer Kraftwerke nachts und in Zeiten geringer Sonneneinstrahlungaufrechterhalten. Dafür entwickelten die Wissenschaftler ein Speichersystem, welches auch für konventionelle Dampfkraftwerke und industrielle Prozesse genutzt werden kann.

Solarkraftwerke und Wärmespeicher - ein starkes Team

Mit Wärmespeichern können Solarkraftwerke rund um die Uhr Strom liefern – nahezu wie ein konventionelles Kraftwerk. Sie werden besser planbar und stellen Regelkapazität für das Stromnetz bereit. Das angepasste Wärmemanagement verbessert zudem das Betriebsverhalten, vermindert den Teillastbetrieb und nutzt den Kraftwerksblock effizienter. In der Summe steigt so auch die Wirtschaftlichkeit.

Heißer Dampf für mehr Ertrag

Besonders effizient und kostengünstig arbeitet ein solarthermisches Kraftwerk, wenn es bei möglichst hohen Temperaturen betrieben wird. Das ist mit der solaren Direktverdampfung von Wasser möglich. Dabei wird der überhitzte Wasserdampf für die Dampfturbinen schon im Kollektor erzeugt. Er erreicht bei einem Druck von 120 bar Temperaturen von über 500 °C. Dies sind nahezu Dampfparameter, wie sie in konventionellen Kraftwerken üblich sind.

Die direkte Verdampfung und Überhitzung des Speisewassers im Solarfeld wird heute bereits kommerziell in Parabolrinnen-, Fresnel- und Turmkraftwerken angeboten. Der Hauptnachteil sind bisher fehlende Wärmespeicher. Damit diese zuverlässig für die Direktverdampfung eingesetzt werden können, müssen verschiedene Komponenten fortentwickelt, der Systemaufbau verbessert und Betriebskonzepte erprobt werden. Innerhalb des Forschungsprojektes entwickelte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen mit Linde eine neue Generation Wärmespeichersysteme.

Innovative Energiespeicher-Kombination

Das von den Forschern entwickelte System besteht aus einer Kaskade aus einem Latentwärmespeicher für die Kondensation beziehungsweise Verdampfung und drei sensiblen Flüssigsalzspeichern für die Überhitzung. Die Forscher halten dies für die technisch und wirtschaftlich aussichtsreichste Lösung. Das Gesamtsystem soll für alle solarthermischen Kraftwerke mit Direktverdampfung einsetzbar sein, unabhängig vom verwendeten Konzentratorsystem.

Es eignet sich also sowohl für Parabolrinnen, für Linear-Fresnel-Kollektoren als auch für Turmreceiver. Darüber hinaus kann das System in industriellen Dampfprozessen und konventionellen Dampfkraftwerken genutzt werden.

Speicherkaskade für verschiedene Temperaturen

Damit die Wärmeenergie aus dem Kollektor möglichst vollständig gespeichert wird, haben die Wissenschaftler das Konzept einer mehrstufigen Speicherkaskade entwickelt. Diese besteht aus einem „heißen“ (527 °C), einem „warmen“ (400 °C) und einem „kalten“ (306 °C) Speicher. Sie nehmen die Wärme in geschmolzenen Salzen sensibel, also durch Temperaturerhöhung, auf. Die Salzschmelzen befinden sich in isolierten Stahltanks, deren Bauteile und Materialien auf das Temperaturniveau und die Korrosivität der Salze angepasst sind. Als vierter und letzter Speicher kommt der Latentwärmespeicher zum Einsatz.

Speicher mit Dampf aufladen

Wenn das Solarsystem mehr Dampf liefert, als das Kraftwerk benötigt, können die Speicher geladen werden: Der überhitzte Dampf gelangt mit 550 °C in den ersten Rohrbündelwärmeübertrager. Dort heizt er Flüssigsalz auf, das aus dem warmen Speicher gepumpt und danach in den heißen Speicher geleitet wird.

In gleicher Weise bringt der nun kältere Dampf im zweiten Wärmeübertrager Salzschmelze aus dem kalten Speicher auf das Temperaturniveau des warmen Speichers. Nach diesem Schritt ist der Dampf so weit heruntergekühlt, dass nur noch die Kondensationsenergie ausgekoppelt werden kann.

Das richtige Salz für die richtige Temperatur

Da die Kondensation bei einer konstanten Temperatur stattfindet, würde ein sensibler Speicher die Energie nur mit Temperatur- und damit Exergieverlusten aufnehmen können. Deshalb setzen die Wissenschaftler einen dafür angepassten Latentwärmespeicher ein. Er arbeitet mit Salzen, deren Schmelztemperatur zu der Temperatur des Kondensationsprozesses passt.

Nachts und bei bedecktem Himmel liefern die Speicher die Energie für das Dampfkraftwerk. Um den Dampf für die Turbinen zu erzeugen, werden sie in umgekehrter Reihenfolge entladen. Zunächst wärmt der Latentwärmespeicher das Speisewasser vor. Anschließend heizen die beiden Wärmeübertrager den Dampf mit Energie aus dem warmen und dem heißen Tank weiter auf. Dabei kühlen die Salzschmelzen ab und werden jeweils in den nächstkälteren Tank gepumpt.

Bildergalerie

  • Latentwärmespeicher im Technikumsmaßstab.

    Bild: Bine Informationsdienst

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