Turmthermische Solarkraftwerke, konzentrierende Solarenergiesysteme

Die Sonne ist eine Quelle äußerst „sauberer“ Energie. Heutzutage entwickeln sich die Arbeiten zur Nutzung der Sonne weltweit in viele Richtungen. Zunächst entwickelt sich die sogenannte Kleinenergiewirtschaft, die vor allem Gebäudeheizung und Wärmeversorgung umfasst. Im Bereich der Großenergie wurden jedoch bereits ernsthafte Schritte unternommen – es entstehen Solarkraftwerke auf der Grundlage von Photokonversion und thermischer Umwandlung. In diesem Artikel informieren wir Sie über die Aussichten von Bahnhöfen aus der zweiten Richtung.

Die Concentrated Solar Power-Technologie, weltweit bekannt als CSP (Concentrated Solar Power), ist eine Art Solarkraftwerk, das Spiegel oder Linsen verwendet, um große Mengen Sonnenlicht auf eine kleine Fläche zu konzentrieren.

CSP sollte nicht mit konzentrierter Photovoltaik verwechselt werden – auch bekannt als CPV (konzentrierte Photovoltaik). Bei CSP wird konzentriertes Sonnenlicht in Wärme umgewandelt, und die Wärme wird dann in Strom umgewandelt.Bei CPV hingegen wird konzentriertes Sonnenlicht direkt in Strom umgewandelt photoelektrischer Effekt.

Industrieller Einsatz von Solarkonzentratoren

Solarenergie

Die Sonne sendet einen starken Strom strahlender Energie in Richtung Erde. Selbst wenn wir berücksichtigen, dass 2/3 davon von der Atmosphäre reflektiert und gestreut werden, erhält die Erdoberfläche in 12 Monaten immer noch 1018 kWh Energie, was 20.000 Mal mehr ist, als die Welt in einem Jahr verbraucht.

Natürlich schien es schon immer sehr verlockend, diese unerschöpfliche Energiequelle für praktische Zwecke zu nutzen. Doch im Laufe der Zeit schuf der Mensch auf der Suche nach Energie eine Wärmekraftmaschine, blockierte Flüsse, spaltete ein Atom und die Sonne wartete weiterhin in den Startlöchern.

Warum ist es so schwer, seine Energie zu kontrollieren? Erstens ändert sich die Intensität der Sonneneinstrahlung im Laufe des Tages, was für den Verbrauch äußerst ungünstig ist. Das bedeutet, dass die Solarstation über eine Batterieanlage verfügen oder mit anderen Quellen zusammenarbeiten muss. Aber das ist noch nicht der größte Nachteil. Noch schlimmer ist, dass die Dichte der Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche sehr gering ist.

In den südlichen Regionen Russlands sind es also nur 900 – 1000 W/m2... Dies reicht nur aus, um das Wasser in den einfachsten Kollektoren auf Temperaturen von nicht mehr als 80 – 90 °C zu erhitzen.

Es eignet sich zur Warmwasserbereitung und teilweise zum Heizen, jedoch keinesfalls zur Stromerzeugung. Hier sind deutlich höhere Temperaturen nötig. Um die Flussdichte zu erhöhen, ist es notwendig, sie großflächig zu sammeln und von verstreut in konzentriert umzuwandeln.

Energieerzeugung mit Solarkonzentrationssystemen

Methoden zur Konzentration von Sonnenenergie sind seit der Antike bekannt.Es ist eine Legende darüber erhalten geblieben, wie der große Archimedes mit Hilfe konkav polierter Kupferspiegel die römische Flotte, die es im 3. Jahrhundert v. Chr. belagerte, niederbrannte. NS. Syrakus. Und obwohl diese Legende nicht durch historische Dokumente bestätigt wird, ist die bloße Möglichkeit, dass im Fokus eines Parabolspiegels eine Substanz auf Temperaturen von 3500 bis 4000 ° C erhitzt wird, eine unbestreitbare Tatsache.

Versuche, Parabolspiegel zur Nutzenergieerzeugung zu nutzen, begannen in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Besonders intensiv wurde in den USA, England und Frankreich gearbeitet.

Ein experimenteller Parabolspiegel zur Nutzung solarthermischer Energie in Los Angeles, USA (um 1901).

Im Jahr 1866 nutzte Augustin Mouchaud einen Parabolzylinder zur Dampferzeugung in der ersten Solardampfmaschine.

Das Solarkraftwerk von A. Mouchaud, das 1882 auf der Weltindustrieausstellung in Paris gezeigt wurde, hinterließ bei den Zeitgenossen großen Eindruck.

Das erste Patent für einen Solarkollektor erhielt der Italiener Alessandro Battaglia 1886 in Genua (Italien). In den folgenden Jahren entwickelten Erfinder wie John Erickson und Frank Schumann Geräte, die durch die Konzentration von Sonnenenergie zur Bewässerung, Kühlung und Bewegung funktionieren.

Solarmotor, 1882

Frank Schumanns Solaranlage in Kairo

1912 wurde in der Nähe von Kairo das erste Solarkraftwerk mit einer Leistung von 45 kW mit parabolisch-zylindrischen Konzentratoren mit einer Gesamtfläche von 1200 m22 gebaut, das im Bewässerungssystem genutzt wurde. Im Fokus jedes Spiegels wurden Röhren platziert. Auf ihrer Oberfläche konzentrierten sich die Sonnenstrahlen.Das Wasser in den Rohren wird in Dampf umgewandelt, der in einem gemeinsamen Sammler gesammelt und der Dampfmaschine zugeführt wird.

Generell ist festzuhalten, dass zu dieser Zeit der Glaube an die fantastische Fokussierungskraft von Spiegeln in vielen Köpfen Einzug hielt. A. Tolstois Roman „Das Hyperboloid des Ingenieurs Garin“ wurde zu einer Art Beweis dieser Hoffnungen.

Tatsächlich werden solche Spiegel in einer Reihe von Branchen häufig verwendet. Nach diesem Prinzip haben viele Länder Öfen zum Schmelzen hochreiner feuerfester Materialien gebaut. Frankreich verfügt beispielsweise über den größten Ofen der Welt mit einer Leistung von 1 MW.

Und wie sieht es mit Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie aus? Hier standen Wissenschaftler vor einer Reihe von Schwierigkeiten. Zunächst einmal erwiesen sich die Kosten für Fokussiersysteme mit komplexen Spiegelflächen als sehr hoch. Außerdem steigen die Kosten exponentiell, wenn die Größe der Spiegel zunimmt.

Außerdem ist es technisch schwierig, einen Spiegel mit einer Fläche von 500 bis 600 m2 zu erstellen, und Sie können daraus nicht mehr als 50 kW Leistung erhalten. Es ist klar, dass unter diesen Bedingungen die Einheitsleistung des Solarreceivers deutlich eingeschränkt ist.

Und noch eine wichtige Überlegung zu gekrümmten Spiegelsystemen. Grundsätzlich lassen sich aus einzelnen Modulen auch recht große Systeme zusammenstellen.

Aktuelle Installationen dieser Art finden Sie hier: Beispiele für den Einsatz von Solarkonzentratoren

Parabolrinne im Lockhart Concentrated Solar Power Plant in der Nähe von Harper Lake, Kalifornien (Mojave Solar Project)

Ähnliche Kraftwerke wurden in vielen Ländern gebaut. Allerdings gibt es bei ihrer Arbeit einen gravierenden Nachteil – die Schwierigkeit, Energie zu sammeln.Schließlich verfügt jeder Spiegel über einen eigenen Dampferzeuger im Fokus und alle sind über eine große Fläche verteilt. Das bedeutet, dass der Dampf von vielen Solarreceivern gesammelt werden muss, was die Station stark verkompliziert und verteuert.

Solarturm

Bereits in den Vorkriegsjahren brachte der Ingenieur N. V. Linitsky die Idee eines thermischen Solarkraftwerks mit einem zentralen Solarreceiver auf einem hohen Turm (Turmsolarkraftwerk) vor.

In den späten 1940er Jahren gründeten Wissenschaftler des nach V.I. benannten Staatlichen Forschungsinstituts für Energie (ENIN). G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum und B. A. Garf entwickelten ein wissenschaftliches Konzept für die Schaffung einer solchen Station. Sie schlugen vor, auf die komplexen, teuren gebogenen Spiegel zu verzichten und sie durch die einfachsten flachen Heliostaten zu ersetzen.

Das Funktionsprinzip von Solarkraftwerken aus einem Turm ist recht einfach. Die Sonnenstrahlen werden von mehreren Heliostaten reflektiert und auf die Oberfläche eines zentralen Receivers gelenkt – eines auf dem Turm platzierten Solardampferzeugers.

Entsprechend dem Sonnenstand am Himmel ändert sich auch die Ausrichtung von Heliostaten automatisch. Dadurch erwärmt ein konzentrierter Sonnenlichtstrahl, der von Hunderten von Spiegeln reflektiert wird, den Dampferzeuger den ganzen Tag über.

Unterschied zwischen SPP-Designs mit Parabolkonzentratoren, SPP mit Scheibenkonzentratoren und SPP aus einem Turm

Diese Lösung erwies sich als ebenso einfach wie originell. Aber das Wichtigste war, dass es prinzipiell möglich wurde, große Solarkraftwerke mit einer Einheitsleistung von Hunderttausenden kW zu errichten.

Seitdem hat das Konzept solarthermischer Turmkraftwerke weltweite Anerkennung gefunden. Erst Ende der 1970er Jahre wurden solche Kraftwerke mit einer Leistung von 0,25 bis 10 MW in den USA, Frankreich, Spanien, Italien und Japan gebaut.

SES Themis-Solarturm in den Pyrénées-Orientales in Frankreich

Nach diesem sowjetischen Projekt wurde 1985 auf der Krim in der Nähe der Stadt Shtelkino ein experimentelles Solarkraftwerk vom Turmtyp mit einer Leistung von 5 MW (SES-5) gebaut.

In SES-5 kommt ein offener kreisförmiger Solardampferzeuger zum Einsatz, dessen Oberflächen, wie man so sagt, für alle Winde offen sind. Daher nehmen bei niedrigen Umgebungstemperaturen und hohen Windgeschwindigkeiten die Konvektionsverluste stark zu und der Wirkungsgrad nimmt deutlich ab.

Man geht heute davon aus, dass Empfänger vom Hohlraumtyp wesentlich effizienter sind. Dabei sind alle Oberflächen des Dampferzeugers geschlossen, wodurch Konvektions- und Strahlungsverluste stark reduziert werden.

Aufgrund der niedrigen Dampfparameter (250 °C und 4 MPa) beträgt der thermische Wirkungsgrad von SES-5 nur 0,32.

Nach 10 Jahren Betrieb wurde SES-5 auf der Krim 1995 geschlossen und 2005 der Turm zur Verschrottung übergeben.

Modell SES-5 im Polytechnischen Museum

Derzeit in Betrieb befindliche Turmsolarkraftwerke verwenden neue Designs und Systeme, die geschmolzene Salze (40 % Kaliumnitrat, 60 % Natriumnitrat) als Arbeitsflüssigkeiten verwenden. Diese Arbeitsflüssigkeiten haben eine höhere Wärmekapazität als Meerwasser, das in den ersten Versuchsanlagen verwendet wurde.

Technologisches Diagramm eines modernen solarthermischen Kraftwerks

Modernes Turm-Solarkraftwerk

Natürlich sind Solarkraftwerke ein neues und kompliziertes Geschäft und haben natürlich genügend Gegner. Viele der von ihnen geäußerten Zweifel haben durchaus gute Gründe, aber anderen kann man kaum zustimmen.

Beispielsweise wird oft gesagt, dass für den Bau von Turmsolarkraftwerken große Landflächen erforderlich seien. Allerdings können die Bereiche, in denen Brennstoffe für den Betrieb traditioneller Kraftwerke produziert werden, nicht ausgeschlossen werden.

Es gibt noch ein überzeugenderes Argument für Turmsolarkraftwerke. Die spezifische Fläche des von künstlichen Stauseen von Wasserkraftwerken überfluteten Landes beträgt 169 Hektar/MW und ist damit um ein Vielfaches höher als die Indikatoren solcher Solarkraftwerke. Darüber hinaus werden beim Bau von Wasserkraftwerken häufig sehr wertvolle fruchtbare Böden überschwemmt, und Turmkraftwerke sollen in Wüstengebieten gebaut werden – auf Flächen, die weder für die Landwirtschaft noch für den Bau von Industrieanlagen geeignet sind.

Ein weiterer Grund für die Kritik an Tower-SPPs ist ihr hoher Materialverbrauch. Es besteht sogar Zweifel, ob SES in der Lage sein wird, die für die Herstellung der Ausrüstung und die Beschaffung der für deren Bau verwendeten Materialien während der geschätzten Betriebsdauer aufgewendete Energie zurückzuerstatten.

Zwar sind solche Anlagen materialintensiv, aber es ist wichtig, dass praktisch alle Materialien, aus denen moderne Solarkraftwerke gebaut werden, nicht knapp sind.Wirtschaftliche Berechnungen nach der Inbetriebnahme der ersten modernen Turmsolarkraftwerke zeigten deren hohe Effizienz und recht günstige Amortisationszeiten (Beispiele für wirtschaftlich erfolgreiche Projekte siehe unten).

Eine weitere Möglichkeit zur Effizienzsteigerung von Solarkraftwerken mit Turm ist die Schaffung von Hybridanlagen, bei denen Solaranlagen mit konventionellen thermischen Kraftwerken mit herkömmlichem Brennstoff zusammenarbeiten. In der kombinierten Anlage wird in den Stunden intensiver Sonneneinstrahlung der Brennstoff erzeugt Die Anlage reduziert ihre Leistung und „beschleunigt“ bei bewölktem Wetter und Spitzenlasten.

Beispiele moderner Solarkraftwerke

Im Juni 2008 eröffnete Bright Source Energy ein Entwicklungszentrum für Solarenergie in der israelischen Negev-Wüste.

Auf der Website befindet es sich im Industriepark Rotemawurden über 1.600 Heliostaten installiert, die der Sonne folgen und das Licht auf einen 60 Meter hohen Solarturm reflektieren. Die konzentrierte Energie wird dann verwendet, um den Kessel oben im Turm auf 550 °C zu erhitzen und so Dampf zu erzeugen, der zu einer Turbine geleitet wird, wo Strom erzeugt wird. Kraftwerksleistung 5 MW.

Im Jahr 2019 baute dasselbe Unternehmen ein neues Kraftwerk in der Negev-Wüste –Ashalim… Toya Bestehend aus drei Abschnitten mit drei unterschiedlichen Technologien kombiniert die Anlage drei Energiearten: Solarthermie, Photovoltaik und Erdgas (Hybridkraftwerk). Die installierte Leistung des Solarturms beträgt 121 MW.

Die Station umfasst 50.600 computergesteuerte Heliostaten, genug, um 120.000 Haushalte mit Strom zu versorgen. Die Höhe des Turms beträgt 260 Meter.Er war der höchste der Welt, wurde aber kürzlich vom 262,44 Meter hohen Solarturm im Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park übertroffen.

Ein Kraftwerk in der Negev-Wüste in Israel

Im Sommer 2009 baute das amerikanische Unternehmen eSolar einen Solarturm Sierra Solar Tower für ein 5-MW-Kraftwerk in Lancaster, Kalifornien, etwa 80 km nördlich von Los Angeles. Das Kraftwerk erstreckt sich über eine Fläche von etwa 8 Hektar in einem trockenen Tal westlich der Mojave-Wüste auf dem 35. nördlichen Breitengrad.

Sierra Solarturm

Am 9. September 2009 wurde am Beispiel bestehender Kraftwerke geschätzt, dass die Kosten für den Bau eines Turmsolarkraftwerks (CSP) 2,5 bis 4 US-Dollar pro Watt betragen, während der Brennstoff (Sonnenstrahlung) kostenlos ist . So kostet der Bau eines solchen Kraftwerks mit einer Leistung von 250 MW zwischen 600 und 1000 Millionen US-Dollar. Das bedeutet 0,12 bis 0,18 Dollar/kWh.

Es wurde außerdem festgestellt, dass neue CSP-Anlagen mit fossilen Brennstoffen wirtschaftlich konkurrenzfähig sein können.

Nathaniel Bullard, Analyst bei Bloomberg New Energy Finance, schätzt, dass die Stromkosten des 2014 in Betrieb genommenen Solarkraftwerks Iwanpa niedriger sind als die Stromkosten Photovoltaik-Kraftwerkund entspricht fast dem Strom aus einem Erdgaskraftwerk.

Das derzeit bekannteste Solarkraftwerk ist das Kraftwerk Gemasolar mit einer Leistung von 19,9 MW, westlich der Stadt Esia in Andalusien (Spanien) gelegen. Das Kraftwerk wurde am 4. Oktober 2011 von König Juan Carlos von Spanien eingeweiht.

Gemsolar-Kraftwerk

Dieses von der Europäischen Kommission mit 5 Millionen Euro geförderte Projekt nutzt eine vom amerikanischen Unternehmen Solar Two getestete Technologie:

• 2.493 Heliostaten mit einer Gesamtfläche von 298.000 m2 verwenden Glas mit besserem Reflexionsvermögen, dessen vereinfachtes Design die Produktionskosten um 45 % senkt.

• Ein größeres thermisches Energiespeichersystem mit einer Kapazität von 8.500 Tonnen geschmolzenen Salzen (Nitraten), das eine Autonomie von 15 Stunden (ca. 250 MWh) ohne Sonnenlicht bietet.

• Verbessertes Pumpendesign, das es ermöglicht, Salze direkt aus Lagertanks zu pumpen, ohne dass ein Sumpf erforderlich ist.

• Dampferzeugungssystem einschließlich Zwangsumwälzung des Dampfes.

• Dampfturbine mit höherem Druck und höherem Wirkungsgrad.

• Vereinfachter Zirkulationskreislauf für geschmolzenes Salz, wodurch die Anzahl der erforderlichen Ventile halbiert wird.

Das Kraftwerk (Turm und Heliostaten) umfasst eine Gesamtfläche von 190 Hektar.

SPP Gemasolar Solarturm

Abengoa hat gebaut Hey sonniger in Südafrika – ein Kraftwerk mit einer Höhe von 205 Metern und einer Leistung von 50 MW. Die Eröffnungsfeier fand am 27. August 2013 statt.

Hey sonniger

Ivanpah Solarstromerzeugungssystem – ein 392 Megawatt (MW) starkes Solarkraftwerk in der kalifornischen Mojave-Wüste, 40 Meilen südwestlich von Las Vegas. Das Kraftwerk wurde am 13. Februar 2014 in Betrieb genommen.

Ivanpah Solarstromerzeugungssystem

Die jährliche Produktion dieses SPP deckt den Verbrauch von 140.000 Haushalten. Installierte 173.500 Heliostatspiegel, die die Sonnenenergie auf Dampferzeuger bündeln, die sich auf drei zentralen Solartürmen befinden.

Im März 2013 wurde mit Bright Source Energy eine Vereinbarung zum Bau eines Kraftwerks unterzeichnet Verbrannt in Kalifornien, bestehend aus zwei 230 m hohen Türmen (je 250 MW), Inbetriebnahme ist für 2021 geplant.

Weitere in Betrieb befindliche Solarturmkraftwerke: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Marokko, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha und Shouhang Dunhuang (Kathai, beide 2018), Gonghe, Luneng Haixi und Hami (China, alle 2019), Cerro Dominador (Chile, April 2021).

Eine innovative Lösung für Solarenergie

Da diese Technologie in Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung (Sonneneinstrahlung) am besten funktioniert, gehen Experten davon aus, dass die Zahl der Turmsolarkraftwerke in Ländern wie Afrika, Mexiko und im Südwesten der USA am stärksten wachsen wird.

Es wird auch davon ausgegangen, dass konzentrierte Solarenergie ernsthafte Aussichten hat und bis zum Jahr 2050 bis zu 25 % des weltweiten Energiebedarfs decken kann. Derzeit werden weltweit mehr als 50 neue Projekte dieser Art von Kraftwerken entwickelt.