Prototyp eines kleinen solarthermischen Kraftwerks
Bei solarthermischen Kraftwerken wird das Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln oder Linsen auf einen Receiver gebündelt und dann in Wärme umgewandelt, um Generatoren zur Stromerzeugung anzutreiben. Kleine derartige Kraftwerke, die Dutzende oder Hunderte Kilowatt Strom erzeugen, könnten sich als ideal für Privathaushalte, kleine abgelegene Unternehmen oder sogar Entwicklungsländer erweisen. Im Gegensatz zu Photovoltaiklösungen haben sich solarthermische Kraftwerke jedoch aufgrund technischer Herausforderungen und hoher Investitionskosten nur langsam durchgesetzt. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts POLYPHEM wurden die meisten der für ein kleines Solarkraftwerk erforderlichen Komponenten als Prototyp gefertigt. Einige von ihnen sind nun für die kommerzielle Erschließung bereit. Außerdem wurden numerische Modellierungswerkzeuge für eine optimierte Kraftwerksplanung und die Leistungsbewertung entwickelt. „Wir sind sehr stolz darauf, dass unser Konzeptnachweis in der Lage ist, flexibel Strom im reinen Solarbetrieb zu erzeugen, wenn Angebot und Nachfrage schwanken“, sagt Alain Ferriere, Projektkoordinator von POLYPHEM.
Hybrider thermodynamischer Kreislauf
POLYPHEM arbeitet mit einem kombinierten thermodynamischen Kreislauf. Im oberen Kreislauf fängt ein Hochtemperatur-Solarreceiver an der Spitze eines Turms die in einem Solarspiegel konzentrierte Strahlung ein, die eine Gasturbine zur Stromerzeugung antreibt. Die Abwärme wird durch Thermoöl zurückgewonnen und in einem Betontank gespeichert. Das heiße Öl an der Oberfläche drückt die Sprungschicht – eine Zwischenzone, die heiße und kalte Flüssigkeit trennt – nach unten. Der untere Kreislauf nutzt eine Maschine mit Rankine-Kreislauf mit organischem Fluidum, um ebenfalls Strom zu erzeugen. Hier kehrt die aus dem Speicher abgeleitete Wärme den Ölfluss um und bewegt die Sprungschicht wieder nach oben. „Ein einziger Sprungschichtspeicher, der sowohl warme als auch kalte Wärmeenergie enthält, ist viel günstiger als ein herkömmliches System mit zwei Tanks, und die Lösung mit zwei Kreisläufen bedeutet, dass das Kraftwerk auch in sonnenarmen Zeiten Strom erzeugt, womit sich seine Kapazität erhöht“, fügt Ferriere vom Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung in Frankreich (CNRS), dem Projektträger, hinzu.
Prototyperstellung und Erprobung
Das Team entwickelte die meisten der für ein Kraftwerk erforderlichen Komponenten, darunter eine 60-Kilowatt-Gasturbine und eine 23-Kilowatt-Maschine mit Rankine-Kreislauf mit organischem Fluidum. Der konzipierte Wärmespeicher mit einer Kapazität von 2 500 Kilowattstunden bestand aus einem einzigen Tank mit 22,8 Tonnen Betonsteinen und 7 600 Kilogramm synthetischem Thermoöl bei 110 bis 330 Grad Celsius. Die Gestaltung des Solarreceivers beruht auf metallischen Werkstoffen, die bereits vom CNRS und CEA erprobt wurden. Alle Bauteile, mit Ausnahme des Solarreceivers und der Gasturbine, wurden nach Frankreich transportiert und bei Themis installiert. Die Mikrogasturbine und der Generator wurden sechs Monate lang auf dem Prüfstand getestet, wobei insgesamt über 40 Betriebsstunden absolviert und eine Turbineneintrittstemperatur von 700 Grad Celsius sowie eine Turbinendrehzahl von 52 000 Umdrehungen pro Minute erreicht wurden. Das Füllstoffbett des Wärmespeichers wurde in einem Sprungschichttank mit Thermoöl über fünf Monate und in 59 Durchläufen erfolgreich erprobt. Das Betonmaterial, das Betonsteindesign und die Füllstoffbettmuster wurden ebenso validiert wie das Sprungschichtverhalten in allen Betriebsarten. „Aus technischen Gründen konnte der Solarreceiver nicht geliefert werden, wodurch wir nicht das gesamte Testprogramm des Kraftwerks durchführen konnten“, so Ferriere. „Doch die anderen Komponenten sind reif für die kommerzielle Erschließung, wie der Gas-zu-Flüssigkeit-Wärmetauscher, der als kompaktes Bauteil eingebaut werden kann.“
Markteintritt
POLYPHEM könnte Strom, Wärme, sauberes Wasser usw. für sonnige Standorte mit dezentraler Energieversorgung anbieten. So wurde der Betrieb eines kommerziellen POLYPHEM-Kraftwerks für Chile und Namibia simuliert. „Die Stromerzeugungskosten von POLYPHEM lagen 35 bis 45 % niedriger als bei konkurrierenden Dieselkraftwerken. Um jedoch mit der photovoltaischen Stromerzeugung konkurrieren zu können, die ein Drittel so viel kostet, müssen die Kosten für Investitionen in solarthermische Kraftwerke weiter gesenkt werden“, so Ferriere abschließend. Das Team beabsichtigt nun, ein komplettes Prototypkraftwerk zu bauen und zu betreiben, einschließlich eines Solarfelds und eines Turms in echter Größe.
Schlüsselbegriffe
POLYPHEM, Elektrizität, Turbine, Generator, Sprungschicht Öl, Solar, Thermodynamik, Photovoltaik
