Solarthermische Kraftwerke sind komplexe Großanlagen, die bereits heute überwiegend digital gesteuert werden. Ab der Inbetriebnahme des Kraftwerks bedeutet jede Minute Stillstand einen Verlust für den Kraftwerksbetreiber. Vernetzte Mess- und Regelungssysteme im Kraftwerk sorgen dafür, dass das Kraftwerk störungsfrei arbeitet, die Solarstrahlung im größtmöglichen Maße genutzt wird und dass die Wartungskosten so gering wie möglich bleiben. Auf dem 21. Sonnenkolloquium des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) stellten Wissenschaftler und Referenten von Industriepartnern aktuelle Forschungsprojekte zur Weiterentwicklung von intelligenten Betriebs- und Wartungsverfahren für solarthermische Kraftwerke vor.
Das Kölner Sonnenkolloquium des DLR ist im deutschsprachigen Raum das größte Expertenforum zu konzentrierenden Solartechnologien. In diesem Jahr nahmen rund 130 Interessierte aus Wissenschaft, Industrie, Universitäten und der öffentlichen Verwaltung daran teil.
Großes Potential der Sonnenenergie für die Energiewende nutzen
In seiner Begrüßungsansprache machte Prof. Karsten Lemmer, DLR-Vorstand für Energie und Verkehr, deutlich, welche große Bedeutung die Sonnenenergie für die Energiewende hat. Dabei hob er insbesondere die Rolle der solarthermischen Kraftwerke hervor: "Konzentrierende Solarkraftwerke mit angeschlossenem Speicher haben den Vorteil, dass sie auch nachts oder bei Wolkendurchzug Strom erzeugen können. Sie sind somit eine wertvolle Ergänzung zu PV-Anlagen, die dies nicht leisten können, aber den Strom günstiger anbieten können. Somit kann eine 24-Stunden-Versorgung mit Sonnenenergie möglich werden." sagte Lemmer. Solarthermische Kraftwerke seien in Ländern mit ausreichend verfügbarer Solarstrahlung hochrelevant für die Kopplung der Sektoren Wärme-Strom-Mobilität. Das DLR ist einer der Pioniere auf dem Gebiet der konzentrierenden Solartechnologien. Das 2011 gegründete DLR-Institut für Solarforschung zählt zu den weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf diesem Gebiet. Es arbeitet dabei eng mit dem DLR-Institut für Technische Thermodynamik und dem Institut für Werkstoff-Forschung zusammen.
Vermessung von Solarkraftwerken aus der Luft beschleunigt die Inbetriebnahme und senkt Wartungskosten
Ein Beispiel für digitale Technik im solarthermischen Kraftwerk ist die Vermessung des Spiegelfelds aus der Luft durch Flugdrohnen. Sie erstellen Luftaufnahmen des kompletten Solarfelds innerhalb von Tagen - eine Arbeit, die vom Boden aus mehrere Monate in Anspruch nimmt. Die Flugdrohne sendet die Daten an eine Auswertungssoftware, die Schwächen in der Qualität und Ausrichtung der Spiegel sowie Beschädigungen erkennt. Anhand der Auswertungen kann der Kraftwerksbetreiber geeignete Verbesserungsmaßnahmen einleiten, die den Wirkungsgrad der Anlage erhöhen. Die Zeit bis zur Inbetriebnahme eines Kraftwerkes kann erheblich verkürzt werden. Ein weiterer Vorteil der Vermessung aus der Luft ist, dass Flugdrohnen ein Kraftwerk während des laufenden Betriebs überfliegen können ohne den Betrieb signfikant zu stören.
Basierend auf seinen Forschungsergebnissen und der Erprobung im spanischen Parabolrinnen-Solarkraftwerk "Andasol 3" entwickelte das DLR-Institut für Solarforschung für Dienstleister und Kraftwerksbetreiber die Messmethode "QFly". Das System kann in Lizenz erworben werden und ist bereits bei einem Dienstleistungsunternehmen im Einsatz. Die Lizenznehmer erwerben dabei die Rechte für den Einsatz der Software, die unabhängig von einer spezfischen UAV-Hardware verwendet werden kann. Auf dem Sonnenkolloquium gab Dr. Marc Röger aus dem Institut für Solarforschung einen Einblick in die Weiterentwicklung des Systems für Solarturmkraftwerke, das ab dem nächsten Jahr verfügbar sein soll.
Neues Komplettsystem für die Regelung und den Betrieb von Solarturmkraftwerken
Ein weiteres Beispiel für neue digitale Regelungstechniken im Kraftwerk ist das Konzept eines integrierten Regelungs- und Betriebsführungssystems für solare Turmkraftwerke. Dr. Daniel Maldonado Quinto aus dem Institut für Solarforschung stellte es auf dem Sonnenkolloquium erstmalig vor.
Das System nutzt Daten von Messmethoden die ebenfalls am DLR entwickelt wurden: Deflektometrie, Wolken-Nowcasting, Flussdichte-Meßystem und zusätzliche Informationen aus dem laufenden Kraftwerksbetrieb. Die Regeleinrichtung wertet die Daten aus, um einen sicheren Betrieb des Solarkraftwerks zu gewährleisten. Dafür berechnet ein numerisches Modell eine Vorhersage der erwarteten Temperaturen und Massenströme. Solarturmkraftwerke sind extrem dynamische Systeme und die Anforderungen an das Regelungssystem sind hoch. Strenge Grenzen für im Receiver auftretende Temperaturen sowie zeitliche Temperaturgradienten müssen eingehalten werden um Schäden zu vermeiden. Dem Regelungssystem ist ein Betriebsführungssystem übergeordnet, dass eine ertragsoptimierte Betriebsweise berechnet. Eine typische Aufgabe ist die Bestimmung der optimalen Ausrichtung der Spiegel im Solarfeld zur Sonne. Weitere Aufgaben sind die Überwachung der Lebensdauer der einzelnen Komponenten sowie die Vorgabe von Wartungsintervallen für die solarthermischen Komponenten.
Erstmals werden die aus verschiedenen DLR-Messmethoden stammenden Online-Daten und erforschten Regel- und Optimierungsalgorithmen vereint, um die Wirtschaftlichkeit von Solarkraftwerken weiter zu verbessern. Das Konzept soll im nächsten Jahr im solarthermischen Versuchskraftwerk des DLR in Jülich in der Praxis getestet werden. Das DLR ist bereits in Verhandlung mit Industriepartnern, die das System in ihren Kraftwerken einsetzen möchten.
Treffen des Netzwerks Flexible Energieumwandlung
Am Vortag des Sonnenkolloquiums hatte Prof. Robert Pitz-Paal Vertreter aus Industrie und Forschung zu einem offenen Treffen der Arbeitsgruppe CSP Forschungsnetzwerkswerk "Flexible Energieumwandlung" eingeladen. Hier tauschten sich die Mitglieder im Beisein von Vertretern des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie und des Projektträgers Jülich (PTJ) über Fortschritte laufender Forschungsvorhaben aus. Das Forschungsnetzwerk "Flexible Energieumwandlung" wird vom PTJ koordiniert und durch das BMWi gefördert.
