LOBSTeR – Lebensdaueroptimierter Betrieb von Salzturmreceivern

In der Stunde des globalen, vom anthropogenen Treibhauseffekt getriebenen Klimawandels liegen die Hoffnungen auf den erneuerbaren Energien. Ein entsprechender politischer Konsens äußert sich nicht zuletzt in der Richtlinie 2018/2001 der Europäischen Union zu erneuerbaren Energien [1], dem Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien (EEG 2021)  der Bundesregierung [2] oder dem 7. Energie-forschungsprogramm der Bundesregierung [3], welches unter anderem Mittel für die Forschung an Solarthermieanlagen bereitstellt. In Abbildung 1 ist schematisch der Aufbau eines solarthermischen Zentralreceiver- bzw. Solarturmkraftwerks skizziert.

Abbildung 1: Fließbildschema für ein Salzschmelze-Zentralreceiverkraftwerk

Solare Turmkraftwerke mit Salzschmelzereceiver sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgradpotentials und der einfachen und kostengünstigen Speichermöglichkeit die derzeit am meisten am Markt nachgefragte CSP (Concentrated Solar Power)-Technologie. Der Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks stellt aufgrund des fluktuierenden Energieeintrags, der unterschiedlichen thermischen Trägheit der Komponenten und der Komplexität der Anlage eine große Herausforderung für Steuerung und Prozessführung dar. Insbesondere da versucht wird, die kostenintensiven Komponenten aus Effizienzgründen nahe an ihren Betriebsgrenzen zu betreiben.

Rohrreceiver mit Salzschmelze sind derzeit die kommerziell am häufigsten eingesetzte Receivertechnologie. Die Rohre werden mit Temperaturen über 600°C und Strahlungsflussdichten bis über 1000 kW/m² sehr hoch belastet. Die tägliche zyklische Belastung und die starken Temperaturgradienten während des transienten Betriebs, z.B. bei einem Wolkendurchzug, begrenzen die Lebensdauer der metallischen Receiverbauteile. Gleichzeitig soll der Receiver jedoch mit möglichst hohem Wirkungsgrad betrieben werden, was im Konflikt mit einer Komponenten schonenden Betriebsweise steht. Das verlangt nach einer Regelung, welche das System nahe eines kritischen Zustands führen kann und gleichzeitig sicherstellt, dass dieser bei stark fluktuierenden äußeren Einflüssen nicht überschritten wird.

In diesem Projekt soll in Zusammenarbeit mit MAN Energy Solutions SE und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt ein Regelungs- und Monitoring-System für den Betrieb eines Salzschmelzereceivers entwickelt werden, welches durch Überwachung der hochbelasteten Receiverkomponenten einen lebensdaueroptimierten Betrieb der Solarturmanlage ermöglicht. Die Hochschule Düsseldorf übernimmt dabei die Entwicklung und Implementierung des Regelungs-konzepts, welches eine modellprädiktive Regelung beinhalten wird.

Literatur

1. Europäische Union. Richtlinie (EU) 2018/2001 – Erneuerbare-Energien-Richtlinie (EERL), 21. Dezember 2018.
2. Deutscher Bundestag. Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien (EEG 2021), 21. Juli 2014.
3. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. 7. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung. Innovationen für die Energiewende, September 2018.

MAN Energy Solutions SE, Standort Deggendorf

MAN Energy Solutions SE, Standort Oberhausen

DLR (Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e.V.)

01.10.2019 – 31.03.2023