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Prozessoptimierung - Die Suche nach dem maximalen Jahresertrag



Das Querschnittsthema Prozessoptimierung umfasst die Analyse, Bewertung und Optimierung technischer Prozessabläufe in solarthermischen Kraftwerks- und Prozesswärmeanlagen. Bezüglich der eingesetzten Methoden und Werkzeuge lässt sich die stationäre von der transienten Prozessbetrachtung unterscheiden. In beiden Fällen ist es das Ziel, die Parameter der thermodynamischen Prozesse so einzustellen, dass ein verbessertes Verhältnis aus Nutzen und Aufwand resultiert.

Optimierung stationärer Betriebspunkte

Bei stationärer Betrachtung werden die Wirkungsgrade der einzelnen Umwandlungsschritte analysiert und den entsprechenden Kosten auf Komponentenseite gegenübergestellt. Neben dem Nennlastpunkt (klarer Himmel und gute Sonneneinstrahlung) sind auch alle für den Betrieb relevanten Teillastpunkte (reduzierte Solareinstrahlung) zu berücksichtigen. Als Simulationswerkzeug dient das kommerzielle Kreislaufsimulationsprogramm EBSILON®Professional, welches mit Unterstützung des DLR um eine Bibliothek für solarthermische Komponenten erweitert wurde.

Screenshot eines Modells in Ebsilon® Professional für die Simulation eines Parabolrinnenkraftwerks. Bild: DLR

Optimierung transienter Vorgänge

Bedingt durch das schwankende Angebot der solaren Einstrahlung, ändert sich der Betriebspunkt solarthermischer Kraftwerks- und Prozesswärmeanlagen naturgemäß ständig. Für die Optimierung des Jahresertrags ist es daher erforderlich, neben den stationären Betriebspunkten auch die Übergangsvorgänge zu betrachten. Hierzu zählen in erster Linie das An- und Abfahren der Anlage sowie die Regelung des Solarteils auf konstante Austrittsbedingungen.

Die große räumliche Ausdehnung des Rohrleitungssystems eines Parabolrinnen- oder Linear Fresnel-Solarfeldes führt beim Anfahren zu einer nicht homogenen Aufheizung der einzelnen Kollektorreihen. Die Zusammenhänge zwischen Einstrahlungsleistung, Fluidmassenstrom im Solarfeld, Fokussierung der Kollektoren und Wärmeabnahme auf Verbraucherseite sind äußerst komplex. Für die Analyse sind daher detaillierte Simulationswerkzeuge erforderlich, welche die thermische Trägheit des Wärmeträgermediums und der Rohrwände sowie die Durchlaufzeiten des Wärmeträgerfluids in den langen Strängen genau wiederspiegeln. Abhängig von der betrachteten Technologie ist auch die Kopplung an den Speicher und den Kraftwerksprozess bei der Analyse des Anfahrvorgangs im Solarteil mit zu berücksichtigen.

Am Institut liegen für die Betrachtung von Kollektorsträngen selbst erstellte Komponentenbibliotheken in der Programmiersprache Modelica vor, die je nach Anwendungsfall zusammen mit Komponenten anderer Bibliotheken zu einem technischen Modell verschaltet werden können. Während der Simulation erfolgt die Steuerung/Regelung des Prozessablaufs über direkt in Modelica implementierte Steueralgorithmen. Alternativ dazu werden über eine Schnittstelle externe Programme wie Matlab/Simulink oder LabView für die Steuerung angekoppelt.

Exemplarische Verläufe von Druck und Temperatur für Kalt- und Warmstart einer Dampfturbine für solarthermische Kraftwerke. Grafik: DLR

Ebenfalls wurde im Institut ein detailliertes Programm zur transienten Simulation großer Solarfelder entwickelt. Dieses bietet neue Möglichkeiten zur Berücksichtigung örtlich verteilter Effekte im Solarfeld. So lässt sich der Wolkenzug über dem Solarfeld im Detail simulieren und die entsprechend nötige regelungstechnische Reaktion darauf untersuchen.

Das Institut forscht am Einsatz modellprädiktiver Verfahren für die Solarfeldsteuerung. Basierend auf räumlich fein aufgelösten Einstrahlungsvorhersagen für das Solarfeld, sogenannten DNI maps (DNI = Direct Normal Irradiation), sowie detaillierten Solarfeldmodellen kann die optimale regelungstechnische Reaktion auf kurzfristige lokale Schwankungen in der Einstrahlung bestimmt werden. Übergeordnetes Ziel dieser Entwicklungsarbeiten ist die Stabilisierung des Anlagenbetriebs unter allen auftretenden Randbedingungen. Dabei ist die grundlegende Methodik technologieübergreifend und erfordert lediglich eine Anpassung auf die jeweiligen Anforderungen im Bereich Ölrinnen-, Salzrinnen- oder Direktverdampfungssystemen.

Optimierung des Anlagenfahrplans

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Prozessoptimierung ist die Stromproduktionsplanung. Bei zunehmenden Anteilen erneuerbarer Energien im Stromnetz spielt die flexible Produktion von Strom eine immer größere Rolle. Die am Institut vorhandenen Optimierungsmethoden werden für die Bestimmung optimaler Betriebszeiten eines solarthermischen Kraftwerks eingesetzt, wobei Strompreis- und Einstrahlungsvorhersagen berücksichtigt werden.

Beispiele

  • Modellprädiktive Regelung von Parabolrinnenkraftwerken mit Direct Steam Generation (DSG)(Publikation erwartet Anfang 2016)
  • Transiente Simulation von verschiedenen Betriebsstrategien für solarthermische Kraftwerke mit Flüssigsalz als Wärmeträgermedium
  • Simulation von Anfahrvorgängen für Parabolrinnenkraftwerke mit Direct Steam Generation (DSG)
  • Entwicklung der Solarbibliothek für Ebsilon®Professional

Kontakt
Dr.-Ing. Tobias Hirsch
Gruppenleiter Systemmodellierung

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Solarforschung
, Solare Hochtemperatur-Technologien
Stuttgart

Tel.: +49 711 6862-428

Fax: +49 711 6862-747

Links
Master Thesis: Thermodynamische Simulation und Optimierung von Betriebszyklen bei solarthermischen Kraftwerken mit Flüssigsalzen als Wärmeträgermedien
Publication: Simulation of the Start-Up Procedure of a Parabolic Trough Collector Field with Direct Solar Steam Generartion
Publication: Influence of Different Operation Strategies on Transient Solar Thermal Power Plant Simulation Models with Molten Salt as Heat Transfer Fluid
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