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Thermischer Speicher
BMWi
Salzbasierter Latentwärmespeicher 18.7.2016

Direktverdampfendes Kraftwerk PE1: Hier wird der Speicherprototyp mit drei Megawatt Leistung errichtet.
© Novatec Solar

„SALSA“ macht Dampf und Abwärme nutzbar

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Novatec Solar und

Köllemann entwickelten derzeit einen salzbasierten Latentwärmespeicher

namens SALSA. Dieser soll beispielsweise zur Abwärmenutzung in

industriellen Prozessen eingesetzt werden. Ende 2016 wurde der Speicher

in das südspanische Kraftwerk PE1 integriert und getestet.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Speichereffekt Phasenwechsel (Salz)
Entwicklungsgegenstand Be-/Entladeeinrichtung: Schneckenförderer, Brecher, Pumpe; Hilfseinrichtungen: Messtechnik – Temperatur, Massenstrom, Druck
Temperaturtyp Hochtemperatur
Speicher/Ladung Indirekt
Speicherzeit Kurz (Stunden bis Tage)
Zyklenzahl 1/Tag
Ladetemperatur (-bereich) 200-300 °C
Entladetemperatur (-bereich) 280-180 °C
Speicherkapazität 3 MWh
Energiespeicherdichte 200 MJ/m³
Projektlaufzeit Dezember 2012 bis November 2016

Der Forschungsstand im Bereich latenter Hochtemperatur-Wärmespeicher ist momentan noch gering. Kommerziell sind noch keine solchen Systeme für solarthermische Kraftwerke verfügbar. Da die Speicherung für die solare Direktverdampfung und andere Anwendungen mit zweiphasigen Arbeitsmedien äußerst effizient ist, hat diese Entwicklung einen hohen Stellenwert. Das Ziel ist es, einen funktionsfähigen Speicher für direktverdampfende solarthermische Kraftwerke zu entwickeln. Dieser Speicher soll ebenso in industriellen Prozessen, beispielsweise zur Abwärmenutzung, eingesetzt werden.

  • Das vereinfachte Schema zeigt ein direktverdampfendes System zur Stromerzeugung und Wärmeauskopplung mit Fresnel-Kollektor und Speicher. © Fraunhofer ISE
  • Direktverdampfendes Kraftwerk PE1: Hier wird der Speicherprototyp mit drei Megawatt Leistung errichtet. © Novatec Solar
  • Die Abbildungen zeigt den zweiwelligen Schnecken-Wärmeübertrager mit geöffnetem Gehäuse und hohlen Schneckenflügeln, Schneckenwellen und doppelwandigem Gehäuse. © Köllemann
  • Aufbau des Labors zur Untersuchung des neuartigen Speicherkonzepts: Der Schnecken-Wärmeübertrager ist verbunden mit zwei Förderschnecken und dem Granulat-Tank. © Fraunhofer ISE
  • Einlass des geschmolzenen Phasenwechselmaterials (Natriumnitrat/Kaliumnitrat) in den Schnecken-Wärmeübertrager mit sofortiger Kristallisation auf den Schneckenflügeln © Fraunhofer ISE
  • Phasenwechselmaterial in Granulat-Form nach der Kristallisation im Schnecken-Wärmeübertrager: Die Schüttdichte wurde durch die Einstellung der Versuchsbedingungen erhöht. © Fraunhofer ISE
  • Schematische Darstellung des Ladens des Speichers im Kraftwerk. © Fraunhofer ISE
  • Schematische Darstellung des Entladens des Speichers im Kraftwerk. © Fraunhofer ISE

Ziel des Projekts „Salzbasierter Latentwärmespeicher für solare Dampferzeugung und Abwärmenutzung“ - kurz SALSA, ist die Entwicklung eines effizienten Latentwärmespeichers zur Speicherung von Wärme aus Dampfprozessen. Dieser zeichnet sich durch die drei folgenden Merkmale aus: Entkopplung der Speicherkapazität von der installierten Wärmeübertragerfläche durch Einsatz eines Schnecken-Wärmeübertragers (SWÜ), Verdampfung/Kondensation im SWÜ und Hochdruckbeständigkeit bis 100 bar. Es werden zwei Prototypen des Speichers in verkleinertem Maßstab getestet. Danach soll eine Demonstrator-Anlage für das bestehende solarthermische Fresnel-Kraftwerk PE1 geplant, gebaut, in Betrieb genommen und in einer Testphase vermessen werden. Die Ergebnisse dienen als Grundlage zur Optimierung des Speichers. Parallel dazu modellieren die Wissenschaftler den Speicher und beurteilen in einer Simulation, die Betriebsstrategie und die Wirtschaftlichkeit des Speichers mit einer Jahresdauerrechnung. Bis 2016 soll der Speicher in das Kraftwerk PE1 im südspanischen Calasparraintegriert werden.

Simulationen sollen Wirtschaftlichkeit nachweisen

Derzeit führen die Forscher Simulationen und Experimente durch und werten diese aus, um die Wirtschaftlichkeit des Speicherkonzepts schlüssig nachzuweisen. In der darauffolgenden Projektphase wird der Speicher als Demoanlage im Kraftwerk aufgebaut, vermessen und bewertet. Im SALSA-Projekt untersuchen die Verbundpartner einen neuartigen Ansatz, einen Latentwärmespeicher technisch umzusetzen. Bei den bisher verfolgten Konzepten zur latenten Speicherung von Hochtemperaturwärme ist die Leistung des Wärmeübertragers immer direkt an die Speicherkapazität gekoppelt, da der Wärmeübertrager fest im Speichermaterial vergossen ist. Bisher musste die Wärmeübertrager-Fläche im gleichen Maßstab vergrößert werden wie die Wärmekapazität, um eine gleiche Leistung zu erreichen. Im in diesem Projekt verfolgten Konzept kann man diese Faktoren entkoppeln, und so die Wirtschaftlichkeit bei großen Systemen steigern.

Druckbeständigkeit soll verdreifacht werden

Bisher sind Druckbeständigkeiten bis 30 bar möglich. An zwei Laborprototypen optimieren die Forscher den Einsatz von Schnecken-Wärmeübertragern in Latentwärmespeichern. Sie wollen nun eine Druckbeständigkeit bis 100 bar erreichen, die Fertigung vereinfachen und die Kosten von Schnecken-Wärmeübertragern verringern. Anschließend folgt eine Untersuchung einer Demonstrator-Anlage, die im solarthermischen Kraftwerk mit anschließender Optimierung der Betriebsstrategien und der Regelung des Systems getestet wird. Ein mobiles Messdaten-Erfassungssystem wird hierfür entwickelt und genutzt.

Der Schnecken-Wärmeübertrager wird entwickelt und mit Modellen für ein solarthermisches Kraftwerk verschalten. In System-Simulationen werden Betriebsstrategien anhand von Parameterstudien beurteilt und anhand der Resultate eine Kostenabschätzung für den Speicher vorgenommen.
Derzeit untersuchen die Wissenschaftler die Wirtschaftlichkeit des Speichers. Sie erwarten, dass sowohl die Materialkosten als auch die Fertigungskosten durch eine genauere Analyse und Optimierung der Komponenten gesenkt werden können. Des Weiteren kann durch die Annahme einer Erhöhung der Produktionskapazität eine Kostensenkung erzielt werden.

Teilvorhaben

Die Köllemann GmbH führt als Spezialist für Schnecken-Wärmeübertrager und Förderschnecken die Vermessung und Optimierung der benötigten Fördertechnik durch. Auf dem Gelände von Köllemann wird ein Testcenter errichtet, in dem die Transporteigenschaften an einem vergrößerten Prototyp des Speichers getestet werden. Sobald ein Hochdruckdampfkonzept entwickelt wurde, wird dies von der Köllemann GmbH konstruiert und gebaut. Köllemann ist außerdem für die Inbetriebnahme und Optimierung des Schnecken-Wärmeübertragers in der Demonstrator-Anlage in Spanien zuständig.

Novatec Solar erstellt als Spezialist für Fresnel-Kollektoren und solarthermische Kraftwerke die Spezifikationen für die Systemsimulation eines 50 MW Kraftwerkes und unterstützt deren Durchführung mit Erfahrungen aus der Betriebsführung direktverdampfender solarthermischer Kraftwerke. Im bestehenden Kraftwerk PE1, in dem die Demonstrator-Anlage aufgebaut wird, wird zuerst die Infrastruktur zur Errichtung der Anlage bereitgestellt. Nach erfolgreicher Auswahl und Test des Hochdruckkonzepts baut Novatec Solar einen Speicher mit 3 MW Leistung, 3 MWh Kapazität sowie die erforderliche Mess- und Regelungstechnik in PE1 auf. In der Inbetriebnahme-Phase und während des laufenden Betriebs beurteilt und optimiert Novatec die Betriebsstrategie zur Be- und Entladung des Speichers.

Das Fraunhofer ISE erstellt als Forschungsinstitut eine Simulationsstudie des Speichersystems. Der Wärmeübertrager wird modelliert, es wird ein Systemsimulationsmodell eines solarthermischen Kraftwerks erstellt. Der Einfluss verschiedener Parameter wird in Jahresdauerberechnungen untersucht. Es wird eine Kostenstruktur erstellt und mit den Ergebnissen der Simulation eine Wirtschaftlichkeitsabschätzung getroffen, bei der die minimalen Kosten pro kWh eine entscheidende Kennzahl sind. Es wird ein Konzept für Hochdruckdampf erstellt und mit einer FEM-Software untersucht und verbessert. Dieses Konzept wird anschließend im Labor getestet. Das Fraunhofer ISE erstellt ein Konzept für die Mess- und Regelungstechnik in PE 1, und verbessert dies in der anschließenden Inbetriebnahme-Phase. In einer längeren Monitoring-Phase werden Betriebsdaten gesammelt. Durch deren Auswertung soll der Speicherbetrieb und die Einbindung ins Kraftwerk optimiert werden.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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