Die Gewinnung und Nutzung von Sonnenenergie ist eine der bedeutendsten energetischen Errungenschaften der Menschheit. Die Hauptschwierigkeit liegt mittlerweile nicht einmal mehr im Sammeln der Sonnenenergie, sondern in ihrer Speicherung und Verteilung. Wenn dieses Problem gelöst werden kann, können die traditionellen Industrien für fossile Brennstoffe in den Ruhestand gehen.
SolarReserve ist ein Unternehmen, das die Verwendung von geschmolzenem Salz in Solarkraftwerken vorschlägt und an einer alternativen Lösung für Speicherprobleme arbeitet. Anstatt Sonnenenergie zur Stromerzeugung zu nutzen und diese dann in Sonnenkollektoren zu speichern, schlägt SolarReserve vor, sie in Wärmespeicher (Türme) umzuleiten. Der Energieturm wird Energie aufnehmen und speichern. Die Fähigkeit von geschmolzenem Salz, in flüssiger Form zu bleiben, macht es zu einem idealen Wärmespeichermedium..
Ziel des Unternehmens ist es zu beweisen, dass seine Technologie Solarenergie zu einer erschwinglichen Energiequelle machen kann, die rund um die Uhr in Betrieb ist (wie jedes Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen). Konzentriertes Sonnenlicht erhitzt das Salz im Turm auf 566 °C, das in einem riesigen isolierten Tank gespeichert wird, bis es zur Dampferzeugung für den Betrieb der Turbine verwendet wird.
Aber das Wichtigste zuerst.
Hauptseite
Der Cheftechnologe von SolarReserve, William Gould, hat mehr als 20 Jahre damit verbracht, die CSP-Technologie (konzentrierte Solarenergie) mit geschmolzenem Salz zu entwickeln. In den 1990er Jahren war er Projektmanager für die vom US-Energieministerium unterstützte Demonstrationsanlage Solar Two in der Mojave-Wüste. Ein Jahrzehnt zuvor wurde dort eine Struktur getestet, die theoretische Berechnungen über die Möglichkeit einer kommerziellen Energieerzeugung mittels Heliostaten bestätigte. Goulds Herausforderung bestand darin, ein ähnliches Design zu entwickeln, bei dem erhitztes Salz anstelle von Dampf verwendet wurde, und Beweise dafür zu finden, dass Energie gespart werden kann.
Bei der Auswahl eines Behälters zur Lagerung von geschmolzenem Salz schwankte Gould zwischen zwei Optionen: einem Kesselhersteller mit Erfahrung in traditionellen Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen und Rocketdyne, das Raketentriebwerke für die NASA herstellte. Die Wahl fiel auf Raketenwissenschaftler. Teilweise, weil Gould zu Beginn seiner Karriere als Nuklearingenieur für den Baugiganten Bechtel gearbeitet hatte, wo er an den San-Onofre-Reaktoren in Kalifornien arbeitete. Und er glaubte, dass er keine zuverlässigere Technologie finden würde.
Die Düse eines Strahltriebwerks, aus der heiße Gase austreten, besteht eigentlich aus zwei Schalen (innen und außen), in deren gefrästen Kanälen Treibstoffbestandteile in flüssiger Phase gepumpt werden, das Metall kühlt und das Schmelzen der Düse verhindert. Rocketdynes Erfahrung in der Entwicklung ähnlicher Geräte und in der Hochtemperaturmetallurgie kam ihm bei der Entwicklung einer Technologie zur Verwendung von geschmolzenem Salz in einem Solarkraftwerk zugute.
Das 10-MW-Solar-Two-Projekt war mehrere Jahre lang erfolgreich in Betrieb und wurde 1999 stillgelegt, was die Realisierbarkeit der Idee bestätigte. Wie William Gould selbst zugibt, gab es bei dem Projekt einige Probleme, die gelöst werden mussten. Aber die Kerntechnologie von Solar Two funktioniert auch in modernen Stationen wie Crescent Dunes. Die Mischung der Nitratsalze und die Betriebstemperaturen sind identisch, der einzige Unterschied besteht im Maßstab der Station.
Der Vorteil der Salzschmelze-Technologie besteht darin, dass sie die Bereitstellung von Strom nach Bedarf ermöglicht, nicht nur, wenn die Sonne scheint. Salz kann die Wärme über Monate hinweg speichern, sodass ein gelegentlicher bewölkter Tag die Verfügbarkeit von Elektrizität nicht beeinträchtigt. Darüber hinaus sind die Emissionen des Kraftwerks minimal und es entstehen selbstverständlich keine gefährlichen Abfälle als Nebenprodukt des Prozesses.
Grundsätze der Arbeit
Das Solarkraftwerk nutzt 10 Spiegel (Heliostate), die auf einer Fläche von 347 Hektar (das entspricht der Größe von über 647,5 Fußballfeldern) verteilt sind, um das Sonnenlicht auf einen zentralen Turm zu konzentrieren, der 900 Meter hoch und mit Salz gefüllt ist. Dieses Salz wird durch die Sonnenstrahlen auf 195 °C erhitzt und die Wärme gespeichert und dann verwendet, um Wasser in Dampf umzuwandeln und Generatoren zur Stromerzeugung anzutreiben.
Die Spiegel werden Heliostaten genannt, weil jeder Spiegel geneigt und gedreht werden kann, um seinen Lichtstrahl präzise auszurichten. Sie sind in konzentrischen Kreisen angeordnet und bündeln das Sonnenlicht auf einen „Empfänger“ an der Spitze des zentralen Turms. Der Turm selbst leuchtet nicht, der Empfänger ist mattschwarz. Der Glüheffekt entsteht genau durch die Konzentration des Sonnenlichts, das den Behälter erwärmt. Heißes Salz fließt in einen Edelstahltank mit einem Fassungsvermögen von 16 m³.
Heliostat
Das Salz, das bei diesen Temperaturen wie Wasser aussieht und fließt, durchläuft einen Wärmetauscher, um Dampf für den Betrieb eines Standard-Turbogenerators zu erzeugen. Der Tank enthält genug geschmolzenes Salz, um den Generator 10 Stunden lang zu betreiben. Das entspricht einer Speicherkapazität von 1100 Megawattstunden, also fast zehnmal mehr als die größten Lithium-Ionen-Batteriesysteme, die zur Speicherung erneuerbarer Energie installiert wurden.
Harter Weg
Obwohl die Idee vielversprechend ist, kann man SolarReserve nicht als Erfolg bezeichnen. In vielerlei Hinsicht blieb das Unternehmen ein Startup. Obwohl das Startup in jeder Hinsicht energisch und klug ist. Denn das erste, was man sieht, wenn man zum Crescent Dunes Power Plant blickt, ist Licht. So hell, dass es unmöglich ist, es anzusehen. Die Lichtquelle ist ein 195 Meter hoher Turm, der sich stolz über die Wüstengebiete Nevadas erhebt, etwa auf halber Strecke zwischen der Kleinstadt 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 einsatzbereit
Bereitschaftsstation
Etwa eine Autostunde von hier entfernt liegt die berühmte Area 51, eine geheime Militäranlage, die das gesamte Internet diesen Sommer zu stürmen drohte, um Außerirdische aus den Händen der amerikanischen Regierung zu „retten“. Diese Nähe führt dazu, dass Reisende, die ein ungewöhnlich helles Leuchten sehen, manchmal Anwohner fragen, ob sie etwas Ungewöhnliches oder sogar Außerirdisches gesehen haben. Und dann sind sie aufrichtig bestürzt, als sie erfahren, dass es sich hier nur um ein Solarkraftwerk handelt, umgeben von einem fast 3 km breiten Spiegelfeld.
Der Bau von Crescent Dunes begann im Jahr 2011 mit Darlehen der Regierung und Investitionen von NV Energy, Nevadas wichtigstem Energieversorger. Und das Kraftwerk wurde 2015 gebaut, rund zwei Jahre später als geplant. Doch auch nach dem Bau lief nicht alles reibungslos. Beispielsweise fielen in den ersten beiden Jahren häufig Pumpen und Transformatoren für Heliostaten aus, die nicht ausreichend leistungsfähig waren und nicht richtig funktionierten. Daher war die Stromabgabe bei Crescent Dunes in den ersten Betriebsjahren geringer als geplant.
Es gab noch eine weitere Schwierigkeit – mit Vögeln. Der unglückliche Vogel fällt unter den „Anblick“ des konzentrierten Sonnenlichts . Laut Vertretern von SolarReserve gelang es ihrem Kraftwerk, die regelmäßige und massenhafte „Einäscherung“ von Vögeln zu vermeiden. In Zusammenarbeit mit mehreren nationalen Organisationen wurde ein spezieller Plan entwickelt, um potenzielle Bedrohungen für das Kraftwerk zu mindern. Dieses Programm wurde 2011 genehmigt und soll potenzielle Risiken für Vögel und Fledermäuse verringern.
Das größte Problem für Crescent Dunes war jedoch ein Leck in einem Lagertank für heißes Salz, das Ende 2016 entdeckt wurde. Die Technologie verwendet einen riesigen Ring, der von Pylonen am Boden des Tanks getragen wird, um geschmolzenes Salz zu verteilen, während es aus einem Behälter fließt. Die Pylone selbst mussten mit dem Boden verschweißt werden und der Ring musste sich bewegen können, wenn Temperaturänderungen dazu führen, dass sich die Materialien ausdehnen/zusammenziehen. Stattdessen wurde das Ganze aufgrund eines Fehlers der Ingenieure fest zusammengeschweißt. Infolgedessen sackte der Boden des Tanks bei Temperaturänderungen ab und es kam zu Undichtigkeiten.
Das Austreten von geschmolzenem Salz selbst ist nicht besonders gefährlich. Beim Auftreffen auf die Kiesschicht unter dem Tank kühlte die Schmelze sofort ab und verwandelte sich in Salz. Allerdings zog sich die Stilllegung des Kraftwerks über acht Monate hin. Die Ursachen des Lecks, die für den Vorfall Verantwortlichen, die Folgen des Notfalls und andere Probleme wurden untersucht.
Damit waren die Probleme von SolarReserve aber noch nicht beendet. Die Leistung der Anlage fiel im Jahr 2018 mit einem durchschnittlichen Kapazitätsfaktor von 20,3 % unter den Zielwert, verglichen mit einem geplanten Kapazitätsfaktor von 51,9 %, C. Infolgedessen begann das US-amerikanische National Renewable Energy Laboratory (NREL) mit einer 12-monatigen Kostenstudie des Projekt-CSP, wobei der Schwerpunkt auf Leistungsproblemen und unerwarteten Kosten liegt. Daraufhin wurde das Unternehmen zunächst verklagt und zu einem Führungswechsel gezwungen, im Jahr 2019 wurde es dann komplett zum Eingeständnis gezwungen .
Es ist noch nicht vorbei
Aber auch dies setzte der Entwicklung der Technologie kein Ende. Schließlich gibt es ähnliche Projekte auch in anderen Ländern. Ähnliche Technologien kommen beispielsweise im Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park zum Einsatz – dem weltweit größten Netzwerk von Solarkraftwerken, vereint auf einer Fläche in Dubai. Oder sagen wir, Marokko. Da es dort noch mehr Sonnentage gibt als in den USA, dürfte der Wirkungsgrad des Kraftwerks höher sein. Und die ersten Ergebnisse zeigen, dass dies tatsächlich der Fall ist.
Der 150-MW-CSP-Turm Noor III in Marokko übertraf in den ersten Betriebsmonaten seine Leistungs- und Speicherkapazitätsziele. Und die Kosten für die Finanzierung von Turmenergiespeicherprojekten liegen im Rahmen der erwarteten Prognosen, versichert Xavier Lara, Senior Consultant bei CSP Engineering Group Empresarios Agrupados (EA).
Kraftwerk Noor III
Das im Dezember letzten Jahres in Betrieb genommene Kraftwerk Noor III hat eine bemerkenswerte Leistung gezeigt. Noor III, installiert von der spanischen SENER und dem chinesischen Energiebaukonzern SEPCO, ist das weltweit größte in Betrieb befindliche Turmkraftwerk und das zweite, das die Technologie zur Speicherung von geschmolzenem Salz integriert.
Experten glauben, dass die robusten frühen Leistungsdaten von Noor III zu Leistung, Erzeugungsflexibilität und Speicherintegration die Probleme mit der CSP-Tower- und Speicherzuverlässigkeit verringern und die Kapitalkosten für zukünftige Projekte senken dürften. In China hat die Regierung bereits ein Programm zur Schaffung von 6000 MW CSP mit Speicherung angekündigt. SolarReserve arbeitet mit der staatlichen Shenhua Group zusammen, die Kohlekraftwerke baut, um 1000 MW CSP-Flüssigsalzerzeugung zu entwickeln. Aber wird es weiterhin solche Lagertürme geben? Frage.
Doch erst kürzlich verkündete das Bill Gates-eigene Unternehmen Heliogen seinen Durchbruch bei der Nutzung konzentrierter Solarenergie. Heliogen konnte die Temperatur von 565°C auf 1000°C erhöhen. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, Solarenergie bei der Herstellung von Zement, Stahl und petrochemischen Produkten zu nutzen.
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Source: habr.com