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Solare Direktverdampfung - Wasser/Dampf als Wärmeträgermedium im Kollektorfeld



Parabolrinnen-Kraftwerke stellen derzeit die bewährteste solarthermische Kraftwerkstechnologie dar. Dabei wird in der Regel flüssiges, synthetisches Thermoöl als Wärmeträgermedium oder -fluid im Solarfeld von ca. 295°C auf bis zu 395°C erwärmt. Die Wärme wird an einen klassischen Dampfturbinen-Prozess zur Stromerzeugung abgegeben, der nahezu identisch zu dem konventioneller Kohlekraftwerke ist. Die maximal erreichbare Dampftemperatur liegt mit ca. 385°C jedoch niedriger als bei den fossil befeuerten Dampfkreisläufen (>550°C).

Die verwendeten Dampfturbinen sowie der Dampfprozess sind technisch schon sehr ausgereift. Das größte Potential für Wirkungsgradsteigerungen wird in der Erhöhung von Dampfdruck und Dampftemperatur gesehen. Die aktuelle Forschung untersucht daher alternative Wärmeträgermedien wie Flüssigsalz oder Wasser/Dampf, die sich auf höhere Temperaturen erhitzen lassen als das bisher eingesetzte Thermoöl.


Beim Einsatz von Wasser/Dampf als Wärmeträgermedium im Kollektorfeld spricht man allgemein von solarer Direktverdampfung (DSG = direct steam generation). Das Wasser vom Dampfturbinen-Prozess wird zum Eintritt des Solarfelds geleitet und im Solarfeld dann weiter vorgewärmt, verdampft und auf die gewünschte Temperatur überhitzt. Der so erzeugte Dampf wird direkt zur Turbine geführt und der Kreislauf geschlossen. Es geht also kein Wasser verloren. Die obere Dampftemperatur ist dadurch nicht mehr durch das Thermoöl begrenzt, sondern kann unter Berücksichtigung der Konzentration der Kollektoren, der Kosten und weiterer Randbedingungen optimal gewählt werden.

Vor- und Nachteile der solaren Direktverdampfung

Die solare Direktverdampfung hat gegenüber der Verwendung von Thermoöl im Wesentlichen folgende Vorteile:

  • preisgünstige Verfügbarkeit von Wasser (im Vergleich zu anderen Fluiden auch in ariden Gebieten)
  • Thermische Stabilität bei hohen Temperaturen
  • Höherer Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung, wodurch eine entsprechend kleinere Solarfeldfläche benötigt wird
  • Wasser ist nicht brennbar und nicht umweltgefährdend
  • Wasser/Dampf wäre kein zusätzliches Medium, da es ohnehin für den Dampfturbinen-Prozess erforderlich ist
  • Keine Wärmeübertrager zwischen Solarfeld und Dampfturbinen-Prozess nötig, d.h. geringere Energieverluste und Kosten

Die Nachteile im Vergleich zu Thermoöl-Solarfeldern sind:

  • Höhere Drücke im Solarfeld (ca. 20 bar bei Öl-Solarfeldern und bis ca. 150 bar bei DSG-Solarfeldern), wodurch dickere und teurere Rohrleitungen notwendig werden
  • Zwei-Phasen-Gemisch aus Wasser und Dampf im Solarfeld
  • Anspruchsvollere Prozessführung und Regelung
  • (Bisher) keine günstige Möglichkeit für thermischen Speicher verfügbar

 

 

Bisherige Forschungsarbeiten

Durch die Entwicklung des Rezirkulationskonzepts konnte solare Direktverdampfung bereits als Energielieferant für die Industrie nutzbar gemacht werden. Die Entstehung dieses Konzeptes hat das DLR maßgeblich begleitet. (mehr)
 
 

Demonstration der Entwicklungen

Für Untersuchungen unter realen Bedingungen steht dem DLR die DISS-Testanlage auf der Plataforma Solar in Almería im Besitz von CIEMAT zur Verfügung. Mit einem Kollektorstrang von einem Kilometer Länge kann Dampf mit einem Druck von 110 bar und einer Temperatur von 500 Grad Celsius erzeugt werden. Dies entspricht bereits Anlagen kommerzieller Größe. (mehr)
 
 

Aktuelle Forschungsarbeiten im DLR

Mit dem Forschungsvorhaben DUKE arbeitet das DLR zur Zeit an der Ersetzung des Rezirkulationskonzeptes durch ein Durchlaufkonzept, um noch weiter Kosten einzusparen und so den breiten kommerziellen Einsatz von DSG-Kraftwerken voranzutreiben. Weitere Forschungsthemen im Bereich der DSG-Technologie sind die Entwicklung von Speichertechnologien und der Optimierung der Dampfparameter und ihrem Zusammenspiel. (mehr)
 
 

Untersuchung von Strömungsformen mittels Gittersensor

Zur Erlangung eines grundlegenden Verständnisses über die Zweiphasenströmung im Inneren der Absorberrohre gibt es nur wenige messtechnische Verfahren. Eine interessante Option ist die Beobachtung der Strömung mit einem Gittersensor. Im Strömungsquerschnitt eingebaut, liefert dieser zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Informationen zur Verteilung des flüssigen und gasförmigen Anteils in der Strömung. (mehr)

 

 


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
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