SolSteam - Integriertes Standardsystem für solar-fossil erzeugten industriellen Prozessdampf

Kurzfassung

Industrieller Prozessdampf wurde als Marktsegment durch erneuerbare Energien bisher nur sehr wenig ausgeschöpft. Mit konzentrierenden Kollektoren lässt sich Solarenergie auf dem für diese Anwendungen erforderlichen hohen Temperaturniveau effizient nutzen. Besonders vorteilhaft hinsichtlich Investitionskosten und Betriebsverhalten ist die direkte Dampferzeugung im Kollektorsystem. Um sichere Dampfversorgung der Produktionsprozesse unabhängig von der Verfügbarkeit der Solarstrahlung sicherzustellen, ist die Kombination des solaren Dampferzeugers mit einem fossil befeuerten Back-up System sinnvoll. Dies wurde im Projekt SolSteam untersucht und demonstriert. Zur „Präzisierung der Marktanforderungen“ im AP1 werden für den Temperaturbereich des Hybridsystems (100°C – 500°C) die Branchen Papiergewerbe, chemische Industrie und Ernährungsgewerbe als besonders vielversprechend definiert. Der Dampfkesselmarkt der Industrieländer gilt als gesättigt, während in Ländern mit geringeren Produktionskosten der Markt wächst. Durch steigende Brennstoffkosten steigt die Attraktivität eines Hybridsystems mit Solarenergie. Unter günstigen Bedingungen bezüglich Brennstoffkosten, DNI und Förderquote lassen sich bereits Amortisationen von unter 5 Jahren erreichen. Im AP2 werden die möglichen Verschaltungen des Wasser-Dampf-Kreislaufs der beiden Systeme betrachtet. Nach einem umfangreichen Screening wurden zwölf mögliche Konzepte identifiziert, aus denen im Ergebnis einer Bewertungsmatrix die drei aussichtsreichsten Konzepte ausgewählt und hierzu die geeigneten Prozessschemata für die kombinierten Lösungen entworfen wurden. Im Rahmen des AP3 wird eine nach Konzept 2 bereits bestehende Anlage durch eine intensive Umbaumaßnahme um das Konzept 1d ergänzt und mit zusätzlicher Messtechnik soweit ausgestattet, dass ein Monitoring der Anlage als Demonstrator möglich wird. Bei der bereits bestehenden Anlage handelt es sich um ein Hybridsystem aus Fresnel-Kollektor und Dieselkessel, welches bereits seit 2015 erfolgreich Sattdampf bei 4,5 bar für eine pharmazeutische Fabrik in Amman, Jordanien, bereitstellt. Der Fresnel-Kollektor hat eine Aperturfläche von 394 m2 und liefert eine Nennlast von ca. 220 kW. Dabei dient eine 2 m3 Dampftrommel zur Trennung von Wasser und Dampf, als Ausgleichsbehältnis für Verdampfungsvolumen, als Kurzzeitspeicher nach dem Ruths-Speicher-Prinzip und als Druckhaltegefäß für die Solaranlage. Der Betrieb der solaren Prozessdampfanlage wird im Rahmen des AP4 über einen Zeitraum von 2 Jahren von Ende 2015 bis Ende 2017 überwacht, ausgewertet und dokumentiert. Die Direktverdampfung nach Konzept 2 erweist sich als stabil. In der Regel kann der Druck im Dampfnetz des Verbrauchers sogar konstanter gehalten werden als durch die fossile Dampfbereitstellung. Die Produktionsübergabe zwischen Solarfeld und fossilem Kessel klappt störungsfrei, so dass der Verbraucher durch fluktuierende Sonneneinstrahlung keine Schwankungen in der Versorgung erfährt. Während die Last solar gedeckt wird ist der fossile Kessel in Stand-by. Aus den Erkenntnissen des AP4 konnten im Rahmen des AP5 Optimierungsansätze erarbeitet und umgesetzt werden.