Die Kombination von Solarthermischen Kraftwerken und Photovoltaik unter Einbeziehung von Speichern verspricht eine kostengünstige und stabile Stromerzeugung. In dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt „HybridKraft“ unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE soll ein solches Hybrid-System entwickelt werden. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung eines Elektroerhitzers für Salzschmelzen, der sich für den Einsatz in Großkraftwerken eignet. „Die Umwandlung von erneuerbarem Strom in Hochtemperaturwärme zur direkten Nutzung oder Speicherung ist aber auch für industrielle Anwendungen interessant“, heißt es in einer Mitteilung des Fraunhofer ISE.
Solarthermische Kraftwerke sind in der Errichtung teurer als Photovoltaik-Kraftwerke, liefern aber im Gegensatz zu diesen auch nachts Strom, und ihre thermischen Speicher sind günstiger als elektrische Batteriespeicher für Solarstrom. Im Projekt „HybridKraft“ werden die Vorteile beider Technologien mit dem Ziel eines kostenoptimierten Systems kombiniert: tagsüber kommt der Strom überwiegend aus der Photovoltaik-Anlage, nach Sonnenuntergang wird die vom Solarthermiekraftwerk gelieferte Wärmeenergie des Salzschmelze-Speichers für die Stromerzeugung mittels Turbine genutzt. Wird das Photovoltaik-Kraftwerk überdimensioniert ausgelegt, um für Tage mit weniger Sonneneinstrahlung vorzusorgen, kann an guten Solartagen der Überschuss an PV-Strom genutzt werden, um den Salzschmelze-Speicher zusätzlich elektrisch zu erhitzen.
„HybridKraft“: Fraunhofer ISE entwickelt Elektroerhitzer für Salzschmelzen
Eine bereits etablierte Technologie für diese Kombination sind die klassischen Parabolrinnenkraftwerke. Im Projekt „HybridKraft“ will das Forschungsteam einen elektrischen Erhitzer für Flüssigsalze und deren Einsatz in Energiespeichern testen. Das Potenzial dieser Erhitzer wird in Kombination mit linearen konzentrierenden thermischen Fresnel-Kollektoren bewertet.
Zwar können Fresnel-Kollektoren mit direkter Salzschmelze im Absorberrohr Wärme bis zu 545 Grad Celsius liefern, jedoch soll mit Hilfe des PV-Stroms die Austrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Receiver optimiert werden. „Wir können damit die Speicherdichte der Salzschmelze und die Betriebstemperatur der Turbine und daher den Wirkungsgrad des Systems anheben. Wir können aber auch die Erzeugungskosten von CSP reduzieren, indem wir die Größe des Fresnel-Kollektorfeldes entsprechend der Wärmezufuhr durch den Elektroerhitzer optimieren“, erläutert Projektleiter Shahab Rohani vom Fraunhofer ISE.
Im Projekt soll der Prototyp eines mit Solarstrom betriebenen Erhitzers mit einer Leistung von einem Megawatt entwickelt werden. Dieser wird im Technikum des Fraunhofer ISE im Kreislaufbetrieb mit einem Salzschmelze-Speicher erprobt. Auf der Grundlage des Designkonzepts des Prototyps, der Testergebnisse und der Simulationsstudien wird ein Design für Elektroerhitzer mit großen Kapazitäten entworfen. Für unterschiedliche Standorte und Anwendungen sollen Konzepte entwickelt werden.
Als Projektpartner sind der Kraftwerksentwickler Frenell GmbH und die John Cockerill UVK GmbH mit der Entwicklung der Komponenten und der Integration in solarthermische Kraftwerke betraut. Der assoziierte Partner BASF Stationary Energy Storage GmbH, ein hundertprozentiges BASF-Tochterunternehmen, übernimmt den Review von Spezifikationen und den Vergleich der elektro-chemischen Speicher, stellt Informationen zu Natrium-Schwefel-Batterien zur Verfügung und passt deren Auslegung an die Anforderungen der Kraftwerke an.
Leistungsstarker Elektroerhitzer für industrielle Prozesse
Der elektrische Erhitzer ist nicht nur für die Anwendung in solarthermischen Kraftwerken im Sonnengürtel der Erde interessant, sondern überall dort, wo Strom aus erneuerbaren Erzeugungsanlagen zeitweise im Überschuss vorhanden ist. „Dieser kann in Wärme umgewandelt werden, die entweder direkt für Hochtemperatur-Industrieprozesse von 150 bis 550 Grad Celsius eingesetzt oder in einer Carnotbatterie für die spätere Rückverstromung eingespeichert wird“, sagt Thomas Fluri, Gruppenleiter Klimaneutrale Industrieprozesse und Hochtemperaturspeiche am Fraunhofer ISE.
Der modulare Elektroerhitzer soll mit Blick auf eine optimierte mechanische Stabilität und Strömungsführung, verbesserte Anschlussfähigkeit an die Strominfrastruktur, Einspeisekompatibilität von PV-Strom und erhöhtes Betriebsspannungsniveau evaluiert werden. Auf Basis dieser Bewertungen können weitere Anlagen-Optimierungen hinsichtlich Betriebsbedingungen, wirtschaftliche Sensitivität und Vereinfachung der Anlage durchgeführt werden.
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