Auslegung eines Solarturmkraftwerks mit überkritischem Dampfprozess

Abstract

Momentan werden solare Turmkraftwerke entweder mit Sattdampfreceiver oder Luftreceiver geplant bzw. gebaut. Ziel dieser Arbeit ist es, neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der konzentrierenden Solarthermischen Kraftwerke zu gewinnen, um deren Wirtschaftlichkeit gegenüber anderen Technologien zu steigern. Als Mittel dazu wird in dieser Arbeit eine Verbesserung des Wirkungsgrades und eine Senkung der Stromgestehungskosten durch die Erhöhung des oberen Prozessdruckes und der Turbineneintrittstemperatur untersucht. Flüssige Metalle können auf Grund ihrer hohen Dichte und guten Temperaturleitfähigkeiten als Wärmeträgermedium eingesetzt werden. Hierfür wird Zinn als Leichtmetall mit niedriger Schmelztemperatur und hoher Verdampfungstemperatur verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine hoch konzentrierende Solarturmtechnologie hinsichtlich ihrer thermodynamischen und ökonomischen Auslegung untersucht. Dazu wird zunächst in Excel und ANSYS die Modellierung des Rohrreceivers zur Erwärmung des Wärmeträgermediums Zinn durchgeführt. Anschließend wird das Gesamtmodell des Kraftwerks inklusive 8h- Speicher in IPSEpro implementiert. Basierend auf dem in Sevilla und in Las Vegas gemessenen DNI-Datensatz werden unterschiedliche Kraftwerkskonfigurationen mittels Jahressimulation untersucht. Die Auslegung und Optimierung der Heliostatenfelder findet in HFLCAL statt. Ein Hauptteil der Arbeit ist die Problematik der herrschenden Spannungen im Rohrreceiver und deren Folge auf den Wirkungsgrad und den Druckverlust des Receivers. Da im Receiver die Wärmeübertragung auf flüssiges Zinn erfolgt und die Verdampfung des Wärmeträgermediums entfällt, treten hauptsächlich Wärmespannungen wegen den Temperaturgradienten auf. Abschließend wird im Rahmen einer ökonomischen Analyse die Wirtschaftlichkeit des untersuchten Kraftwerks aufgezeigt und deren Wettbewerbfähigkeit mit anderen Technologien zur Stromerzeugung verglichen. Das 100MWel-Kraftwerk erreicht Stromgestehungskosten von 13,36 ct/kWel.