Die Nutzung und Erzeugung von Sonnenenergie gehört zu den bedeutendsten Fortschritten der Menschheit im Bereich der Energiegewinnung. Die größte Herausforderung besteht heute jedoch weniger im Sammeln von Sonnenenergie als in deren Speicherung und Verteilung. Wenn es gelingt, dieses Problem zu lösen, könnten herkömmliche Betriebe, die mit fossilen Brennstoffen arbeiten, in den Ruhestand geschickt werden.
SolarReserve ist ein Unternehmen, das die Nutzung von geschmolzenem Salz in solarbetriebenen Kraftwerken anbietet und an alternativen Lösungen zur Speicherproblematik arbeitet. Anstatt Sonnenenergie zur Stromerzeugung zu nutzen und sie in Solarbatterien zu speichern, schlägt SolarReserve vor, diese Energie in thermische Speicher (Türme) umzuleiten. Der Energieturm wird Energie empfangen und speichern. Die Fähigkeit des geschmolzenen Salzes, in flüssiger Form zu bleiben, macht es zu einem idealen Medium für die thermische Speicherung.
Die Aufgabe des Unternehmens besteht darin, zu beweisen, dass seine Technologie Sonnenenergie zu einer kontinuierlichen Energiequelle machen kann, die rund um die Uhr funktioniert (wie bei jedem mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerk). Konzentriertes Sonnenlicht erhitzt in einem Turm Salz auf 566 °C, das in einem riesigen isolierten Tank gespeichert wird, bis es zur Erzeugung von Dampf zur Betriebsantrieb der Turbine verwendet wird.
Doch alles der Reihe nach.
Anfang
Der Cheftechnologe von SolarReserve, William Gould, hat über 20 Jahre damit verbracht, die CSP-Technologie (Concentrated Solar Power) mit geschmolzenem Salz weiterzuentwickeln. In den 1990er Jahren war er Projektleiter der Demonstrationsanlage Solar Two, die mit Unterstützung des US-Energieministeriums in der Mojave-Wüste gebaut wurde. Ein Jahrzehnt früher wurde dort ebenfalls eine Anlage getestet, die theoretische Berechnungen bestätigte, hinsichtlich der Möglichkeit, kommerziellen Strom mit Hilfe von Heliostaten zu erzeugen. Goulds Aufgabe bestand darin, ein ähnliches Projekt zu entwickeln, bei dem anstelle von Dampf erhitztes Salz verwendet wird, und zudem Beweise zu finden, dass Energie gespeichert werden kann.
Bei der Auswahl des Speichervolumens für geschmolzenes Salz schwankte Gould zwischen zwei Optionen: einem Boilerhersteller mit Erfahrung in traditionellen fossilen Brennstoff-kraftwerken und dem Unternehmen Rocketdyne, das Raketentriebwerke für die NASA herstellte. Die Wahl fiel auf die Raketentechniker. Teilweise auch deshalb, weil Gould zu Beginn seiner Karriere als Kerningenieur bei dem riesigen Bauunternehmen Bechtel arbeitete, das an den kalifornischen Reaktoren San Onofre beteiligt war. Er glaubte, dass er keine zuverlässigere Technologie finden würde.
Das Düse eines Triebwerks, aus dem heiße Gase strömen, besteht eigentlich aus zwei Hüllen (innerer und äußerer), in deren gefrästen Kanälen die Brennstoffkomponenten in flüssiger Phase gepumpt werden, um das Metall zu kühlen und das Schmelzen der Düse zu verhindern. Die Erfahrung von Rocketdyne in der Entwicklung ähnlicher Geräte und in der Hochtemperature-Metallurgie war bei der Entwicklung der Technologie zur Nutzung von geschmolzenem Salz in Solarthermischen Kraftwerken nützlich.
Das Solar Two-Projekt mit einer Leistung von 10 MW hat mehrere Jahre erfolgreich funktioniert und wurde 1999 stillgelegt, was die Lebensfähigkeit der Idee bestätigte. Wie William Gould selbst zugibt, hatte das Projekt einige Probleme, die gelöst werden mussten. Die Haupttechnologie, die in Solar Two verwendet wird, ist jedoch auch in modernen Anlagen wie Crescent Dunes effektiv. Die Mischung aus Nitratsalzen und Betriebstemperaturen ist identisch, der einzige Unterschied liegt im Maßstab der Anlage.
Der Vorteil der Technologie zur Nutzung von geschmolzenem Salz besteht darin, dass sie es ermöglicht, Energie nach Bedarf zu liefern und nicht nur dann, wenn die Sonne scheint. Salz kann Wärme über mehrere Monate speichern, sodass gelegentliche bewölkte Tage die Verfügbarkeit von Elektrizität nicht beeinträchtigen. Darüber hinaus sind die Emissionen des Kraftwerks minimal und es entstehen selbstverständlich keine gefährlichen Abfälle als Nebenprodukt des Prozesses.
Funktionsweise
Das solarbetriebene Kraftwerk nutzt 10.347 Spiegel (Heliostaten), die auf 647,5 Hektar (über 900 Fußballfelder) installiert sind, um das Sonnenlicht auf einen 195 Meter hohen zentralen Turm mit einem salzigen "Füllstoff" zu konzentrieren. Dieses Salz wird durch die Sonnenstrahlen auf 565 °C erhitzt, das Wärme gespeichert wird und anschließend verwendet wird, um Wasser in Dampf umzuwandeln und um Generatoren zu betreiben, die Strom erzeugen.
Die Spiegel werden Heliostaten genannt, da jeder von ihnen geneigt und gedreht werden kann, um seinen Lichtstrahl genau auszurichten. In konzentrischen Kreisen angeordnet, konzentrieren sie das Sonnenlicht auf den "Empfänger" an der Spitze des zentralen Turms. Der Turm selbst leuchtet nicht, der Empfänger hat eine mattschwarze Farbe. Der Leuchteffekt entsteht durch die Konzentration der Sonnenstrahlen, die den Behälter erhitzen. Die heiße Sole fließt in einen Edelstahlbehälter mit einem Volumen von 16.000 m³.
Heliostat
Salz, das bei diesen Temperaturen fast wie Wasser aussieht und fließt, durchläuft den Wärmetauscher, um Dampf für den Betrieb des Standard-Turbogenerators zu erzeugen. Im Tank befindet sich genügend geschmolzenes Salz, um den Generator für 10 Stunden zu betreiben. Das entspricht 1100 Megawattstunden Speicher, oder fast das Zehnfache von dem, was die größten Lithium-Ionen-Batteriesysteme, die zur Speicherung erneuerbarer Energien installiert wurden, leisten können.
Der schwierige Weg
Trotz der vielversprechenden Idee kann man nicht sagen, dass SolarReserve erfolgreich war. In vielerlei Hinsicht blieb das Unternehmen ein Startup. Ein Startup, das in jeder Hinsicht energisch und lebhaft war. Denn das Erste, was man sieht, wenn man in Richtung des Crescent Dunes Kraftwerks blickt, ist das Licht. So hell, dass man nicht hinschauen kann. Die Lichtquelle ist der 195 Meter hohe Turm, der stolz über den Wüstengebieten von Nevada thront, ungefähr auf halber Strecke zwischen der kleinen Stadt Reno und Las Vegas.
Wie das Kraftwerk in verschiedenen Bauphasen aussah
2012, Baubeginn
2014, das Projekt steht kurz vor dem Abschluss
Dezember 2014, Crescent Dunes ist fast betriebsbereit
Fertiggestellte Station
Ungefähr eine Stunde Fahrt entfernt befindet sich die berühmte Area 51, ein geheimer Militärstandort, der in diesem Sommer von vielen im Internet angegriffen werden sollte, um «Außerirdische» aus den Händen der US-Regierung zu «befreien». Diese Nachbarschaft führt dazu, dass Reisende, die ein außergewöhnlich starkes Licht sehen, manchmal die Einheimischen fragen, ob sie Zeugen von etwas Außergewöhnlichem oder sogar Außerirdischem gewesen sind. Und sie sind dann aufrichtig enttäuscht, wenn sie erfahren, dass es sich nur um ein Sonnenkraftwerk handelt, das von einem fast 3 km breiten Feld aus Spiegeln umgeben ist.
Der Bau von Crescent Dunes begann 2011 dank Darlehen der Regierung und Investitionen von NV Energy, dem Hauptversorgungsunternehmen von Nevada. Die Solaranlage wurde 2015 fertiggestellt, etwa zwei Jahre später als ursprünglich geplant. Aber auch nach der Fertigstellung lief nicht alles rund. In den ersten zwei Jahren traten häufig Ausfälle und Störungen bei den Pumpen und Transformatoren der Heliostaten auf, die nicht leistungsstark genug waren. Daher war die Ausgangsleistung von Crescent Dunes in den ersten Jahren geringer als geplant.
Es gab noch eine weitere Schwierigkeit — mit den Vögeln. Wenn sie ins „Visier“ des konzentrierten Sonnenlichts gerieten, verwandelte sich der unglückliche Vogel . Laut Vertretern von SolarReserve ist es ihren Kraftwerken gelungen, regelmäßige und massenhafte „Kremierungen“ von Vögeln zu vermeiden. Gemeinsam mit mehreren nationalen Organisationen wurde ein spezieller Plan entwickelt, um potenzielle Gefahren für das Kraftwerk zu mildern. Dieses Programm wurde 2011 genehmigt und soll das potenzielle Risiko für Vögel und Fledermäuse verringern.
Das größte Problem für Crescent Dunes war die Leckage im Speicherbehälter für heißes Salz, die Ende 2016 entdeckt wurde. Laut der Technologie verteilt ein riesiger Ring, der auf Pilonen am Boden des Behälters ruht, das geschmolzene Salz, sobald es aus dem Zufuhrsystem eintrifft. Die Pilonen sollten am Boden verschweißt werden, während der Ring die Möglichkeit einer Verschiebung benötigte, da Temperaturschwankungen eine Ausdehnung oder Zusammenziehung der Materialien verursachen. Stattdessen wurden aufgrund eines Ingenieursfehlers alle Teile fest miteinander verbunden. Infolgedessen wölbte sich der Boden des Behälters bei Temperaturänderungen und leckte.
An sich stellt die Leckage von geschmolzenem Salz keine besondere Gefahr dar. Bei Kontakt mit der Kieselschicht unter dem Behälter kühlte das Salz sofort ab und verwandelte sich in feste Form. Dennoch dauerte die Stilllegung des Kraftwerks acht Monate. Es wurden die Ursachen der Leckage, die Verantwortlichen für den Vorfall, die Folgen des Notfalls und weitere Fragen untersucht.
Die Probleme für SolarReserve endeten hier nicht. Die Leistung des Kraftwerks lag im Jahr 2018 unter den geplanten Werten, da der durchschnittliche Wirkungsgrad bei 20,3 % im Vergleich zu einem geplanten Wirkungsgrad von 51,9 % lag. Infolgedessen begann das US-amerikanische National Renewable Energy Laboratory (NREL) eine 12-monatige Untersuchung der Projektkosten des CSP und konzentrierte sich auf Leistungsprobleme und unvorhergesehene Ausgaben. Als Ergebnis wurden zunächst Klagen gegen das Unternehmen eingereicht, was zu einem Führungswechsel führte, und im Jahr 2019 war das Unternehmen gezwungen, Insolvenz anzumelden. .
Das ist noch nicht das Ende
Aber selbst das hat die Entwicklung der Technologie nicht zum Stillstand gebracht. Es gibt ähnliche Projekte in anderen Ländern. Zum Beispiel werden vergleichbare Technologien im Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park eingesetzt — dem größten Netzwerk von Solarkraftwerken der Welt, das an einem einzigen Standort in Dubai vereint ist. Oder nehmen wir Marokko. Dort gibt es noch mehr Sonnentage als in den USA und daher sollte die Effizienz der Kraftwerke höher sein. Erste Ergebnisse zeigen, dass dies tatsächlich der Fall ist.
Der CSP Noor III Turm mit einer Leistung von 150 MW in Marokko hat in den ersten Monaten seines Betriebs die geplanten Leistungs- und Speicherziele übertroffen. Und die Finanzierungskosten für die Energiespeicherprojekte im Turm entsprechen den erwarteten Prognosen, versichert Xavier Lara, Senior Consultant der CSP-Ingenieure Grupo Empresarios Agrupados (EA).
Kraftwerk Noor III
Das im Dezember letzten Jahres in Betrieb genommene Kraftwerk Noor III zeigt bemerkenswerte Leistungen. Noor III, installiert von der spanischen SENER und dem chinesischen Energiebaukonzern SEPCO, ist das größte in Betrieb befindliche Turmkraftwerk der Welt und das zweitgrößte mit integrierter geschmolzener Salzspeichertechnologie.
Experten sind der Ansicht, dass zuverlässige frühe Leistungsdaten von Noor III zur Leistung, Flexibilität der Erzeugung und Integration von Speichern die Probleme mit der Zuverlässigkeit von CSP-Türmen und Speichern verringern und die Kapitalkosten für zukünftige Projekte senken sollten. In China hat die Regierung bereits ein Programm zur Errichtung von 6000 MW CSP mit Speicherung angekündigt. SolarReserve arbeitet mit der staatlichen Shenhua Group zusammen, die mit dem Bau von kohlebetriebenen Kraftwerken beschäftigt ist, um 1000 MW der Erzeugung von geschmolzenem Salz-CSP zu entwickeln. Aber werden weitere solche Turm-Speicher gebaut? Die Frage bleibt offen.
Allerdings gab das Unternehmen Heliogen, das Bill Gates gehört, erst kürzlich bekannt, dass es einen Durchbruch bei der Nutzung von konzentrierter Solarenergie erzielt hat. Heliogen konnte die Temperatur von 565 °C auf 1000 °C erhöhen. Damit wird die Nutzung von Solarenergie in der Zement-, Stahl- und petrochemischen Produktion möglich.
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Ein flüssigsalzbetriebenes Kraftwerk ist
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Quelle: habr.com
