Potenzialanalyse von Solarturmkraftwerken mit Flüssigmetallen als Wärmeträgermedium

Abstract

In aktuellen Solarturmkraftwerken zur Stromerzeugung kommen als Wärmeträgerund Speichermedium häufig flüssige Nitratsalze wie Solar Salt zum Einsatz. Aufgrund ihrer hohen Wärmekapazität und den geringen Kosten eignen sie sich sehr gut zur thermischen Energiespeicherung, jedoch bringen sie auch einige Nachteile mit sich. Der nutzbare Temperaturbereich in der Flüssigphase (220–565 ‘C) führt einerseits zu hohen Energieverlusten durch Begleitheizung (zu Zeiten von zu schwacher Einstrahlung), andererseits lassen sich dadurch effiziente Hochtemperaturprozesse nicht realisieren. Die hohe Dichte führt außerdem zu einem hohen Druckverlust in der Steigleitung wodurch zusätzliche parasitäre Verluste entstehen. Beim Betrieb mit Solar Salt treten Probleme durch Einfrieren und Korrosion auf. Im Receiver müssen ferner hohe Druckverluste in Kauf genommen werden, um einen akzeptablen Wärmeübergang zu erreichen. Flüssigmetalle weisen in allen genannten Punkten Vorteile gegenüber den Flüssigsalzen auf. Das in Forschung und Industrie am weitesten verbreitete Flüssigmetall Natrium wurde bereits auf der Solartestplattform PSA in Almería in Spanien getestet. Der einzige Nachteil von Natrium – die Reaktivität mit Wasser und Sauerstoff – manifestierte sich in einem Natriumbrand und der Zerstörung der Anlage im Sommer 1986. In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften von Flüssigmetallen detailliert analysiert und mit Solar Salt verglichen. Das speziell für Rohrreceiver entwickelte Auslegungs- und Simulationsprogramm ASTRID ermöglicht die genaue thermohydraulische Berechnung. Zur Bewertung der Flüssigmetallkonzepte werden die Jahreserträge bzw. die Stromgestehungskosten (LCOE) herangezogen und mit einem Referenzsystem mit Solar Salt verglichen. Alle Konzepte mit Flüssigmetallen verwenden elektromagnetische Pumpen. Nach der solaren Aufheizung im Receiver wird die Wärme in einem Wärmeübertrager auf Flüssigsalz übertragen und in einem 2-Tank-Speicher gespeichert. Sowohl das Referenzkonzept als auch die Flüssigmetallkonzepte wurden alle mit dem gleichen Kraftwerksblock und den gleichen Temperaturniveaus in Speicher und Dampfturbine ausgelegt. Die Ergebnisse zeigen ein Potenzial zur Reduktion der Stromgestehungskosten mit Natrium um bis zu 16 % gegenüber dem Referenzsystem mit Solar Salt.