Modellierung und Optimierung eines solarthermischen Turmkraftwerks mit Partikelspeicher und Hochtemperatur-Fließbettkühler

Kurzfassung

Solarthermische Kraftwerke sind die kostengünstigste Option, im MW-Maßstab großtechnisch Strom aus direkter Solarstrahlung zu gewinnen. Im Unterschied zu anderen regenerativen Technologien bietet sich in solarthermischen Kraftwerken die Möglichkeit, thermische Energie zu speichern und damit Strom bedarfsgerecht zu produzieren. Unter den verschiedenen solarthermischen Kraftwerkskonzepten versprechen Solarturmkraftwerke auf Grund höherer Dampfparameter deutlich höhere Turbinenwirkungsgrade bei der Stromerzeugung und eröffnen wegen der nutzbaren hohen Temperaturdifferenzen Optionen für eine wirtschaftlichere Energiespeicherung. Beim DLR wurden in der Vergangenheit zahlreiche neuartige Speicherkonzepte untersucht. Hierbei wurde ein Direktkontaktverfahren mit Schüttgütern zur Speicherung sensibler Wärme als eine technisch herausfordernde Langfristlösung identifiziert, bei dem ein Hochtemperatur-Fließbettkühler zum Einsatz kommt. Ziel der Arbeit war es, ein physikalisches Modell zur Auslegung eines kompletten Speichersystems mit Hochtemperatur-Fließbettkühler zur Speicherung sensibler Wärme in Schüttgütern zu erstellen und eine Systemsimulation des Kraftwerks-prozesses aufzubauen. Alle relevanten Komponenten des Speichersystems, wie der Hochtemperatur-Fließbettkühler, Luft-Sand-Wärmeübertrager, Speicherbehälter, Transportsystem etc. wurden erfasst, in einem entsprechenden mathematischen Modell abgebildet und im Software-Tool EBSILON Professional implementiert. Anschließend wurde das Systemmodells aufgebaut und Parameterstudien durchgeführt, mit deren Hilfe die Dimensionierung der Einzelkomponenten und die Ermittlung des technischen Optimums für verschiedene Betriebsparameter vorgenommen werden konnte. Die optimalen Betriebsparameter wurden anschließend verwendet, um verschiedene Referenztage gegenüber zu stellen und eine Jahresgangrechnung durchzuführen, um u.a. den Einfluss des Speichers auf den Stromertrag zu untersuchen.