Thermische Solarenergie
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Thermische Solarenergie
Druck Temperatur Füllstand Kalibrierung Thermische Solarenergie Alexander Wiegand Geschäftsführer WIKA Seit über 60 Jahren gilt die WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG als anerkannter Partner und kompetenter Spezialist für alle Aufgaben der Druck- und Temperaturmesstechnik. Mit der ständig steigenden Leistungsfähigkeit werden innovative Technologien in neue Produkte und Systemlösungen umgesetzt. Die Zuverlässigkeit der Produkte und die Bereitschaft, sich allen Herausforderungen des Marktes zu stellen, verhalfen WIKA, eine Spitzenposition im Weltmarkt zu erringen. In der WIKA Firmengruppe stehen 7.300 Mitarbeiter im Dienste des Fortschritts der Druck- und Temperaturmesstechnik. Mehr als 500 erfahrene Mitarbeiter der Vertriebsorganisation beraten Kunden und Anwender kompetent und partnerschaftlich. Über 300 Ingenieure und Techniker forschen im Auftrage von WIKA nach innovativen Produkten, verbesserten Materialien und wirtschaftlicheren Produktionsmethoden. In enger Zusammenarbeit mit bedeutenden Universitäten, Instituten und Industrieunternehmen werden anwendungsspezifische Lösungen entwickelt. Inhalt Unbegrenzte Möglichkeiten 4 Kollektorfeld 8 Kraftwerksblock 12 Wärmespeicherung 14 Wasseraufbereitung 16 Service 18 Referenzen 19 Bildnachweis: Seite 6: Seite 8: Seite 9: Solar Millennium AG Solar Millennium AG, Paul Langrock Abengoa Seite 11: ©2009 Seite 19: Solar Millennium, AG, fotosearch.de, Abengoa Seite 14: NOVATEC BIOSOL AG Solar Millennium, AG 3 Unbegrenzte Möglichkeiten 400.000.000.000.000.000.000.000.000 Watt produziert die Sonne und wird das auch noch die nächsten 5 Milliarden Jahre tun. In dreißig Minuten trifft mehr Energie auf die Erde, als die Menschheit in einem Jahr verbrauchen kann. Die Sonne ist die Quelle des Lebens; ohne sie würde unser Ökosystem nicht existieren. Unser Energieverbrauch hat sich in den letzten 30 Jahren fast verdreifacht und etwa 80 % der Energie wird aus fossilen Brennstoffen, vor allem Erdöl, gewonnen. Die Energiedebatte konzentriert sich hauptsächlich auf drei wesentliche Kriterien: Sicherheitsfaktor, CO2Emissionen und Erzeugungskosten. 4 Die Vorteile der Sonnenenergie sind eindrucksvoll: n Unbegrenzte Verfügbarkeit n Keine Schadstoffemissionen n Keine Klimaschäden durch Treibhauseffekt Die Reduktion des CO2-Ausstoßes ist der wichtigste Vorteil dieser Technologie. Der CO2-Gehalt in der Atmosphäre ist in den letzten 50 Jahren um etwa 20 % gestiegen und hat den Treibhauseffekt mit seinen negativen Auswirkungen auf unser Klima und auf das Ökosystem des Planeten verstärkt. Unbegrenzte Möglichkeiten Die Sicherheit vor unkontrollierbaren Ausfällen ist genau so gut oder sogar besser als die anderer Technologien. Im Hinblick auf die zuverlässige und kontinuierliche Versorgung zeigen sich jedoch die Nachteile dieser Alternative, da sie nur während der Sonneneinstrahlung gewährleistet ist und nachts oder an bewölkten Tagen mit geringer Sonneneinstrahlung unterbrochen wird. Um eine unterbrechungsfreie Versorgung zu garantieren, benötigt man moderne Technologien zur Wärmespeicherung. Diese Technologien speichern die Energie während der Sonneneinstrahlung und stellen sie dem Netz zur Verfügung, wenn keine Einstrahlung stattfindet. Die Kosten für Wärmegewinnung aus solarer Einstrahlung sind aktuell noch höher als die der konventionellen Energieerzeugung, dennoch handelt es sich um eine Technologie mit großem Potenzial. Es ist zu bedenken, dass bei einem Kostenvergleich mit konventioneller Energie nicht berücksichtigt wird, welche Umweltschäden diese verursacht. 5 Eignung für Standorte von solarthermischen Kraftwerken sehr gut gut geeignet ungeeignet Im sogenannten Sonnengürtel erreicht man die bestmögliche Ausnutzung der Solarenergie. In dieser Zone sind bis zu 2.600 kWh/m2/Jahr verfügbar, im Vergleich zu ca. 1.000 kWh/m2/Jahr in Mitteleuropa. Dieser Sonnengürtel liegt in den Regionen zwischen 40 Grad nördlicher Breite und 40 Grad südlicher Breite, z. B. zwischen Südspanien und Südafrika. Ein Tausendstel der Wüstenfläche würde bereits genügen, um den Energiebedarf ausschließlich mit Solaranlagen abzu-decken. 6 Zur Zeit gibt es zwei Technologien für die Erzeugung von Solarenergie: die Photovoltaik und die Solarthermie. Bei der photovoltaischen Energieerzeugung gibt ein Solarmodul, bestehend aus einer Gruppe von HalbleiterSchichten, Elektronen frei. Diese Solarmodule finden hauptsächlich Anwendung in (halb-)unabhängigen Geräten, wie z. B. Taschenrechnern, Sensoren, Transmittern, Satelliten, Batterien und in auf Dächern oder in Solarparks montierten Modulen. Unbegrenzte Möglichkeiten Solarmodule verwandeln die Sonnenstrahlung direkt in Elektrizität, während die Solarthermie die Sonnenstrahlung konzentriert, um Wärmeträger auf 400 bis 800 °C zu erhitzen. Die Solarthermie kann zur Zeit als einzige Energieform aus dem Bereich Solar mit Kernkraftwerken oder fossilen Brennstoffen konkurrieren. Die gesammelten Erfahrungen mit Anlagen in Spanien und den USA sind zukunftsweisend. Laut einer Studie von Greenpeace und des europäischen SolarthermieIndustrieverbands (ESTIA)*, werden diese Anlagen bis 2040 mehr Energie erzeugen als Kern- und Wasserkraftwerke zusammen. *Concentrated Solar Thermal Power - Now, Greenpeace, ESTIA, Solarpaces; Brüssel, September 2005 7 Kollektorfeld Parabolrinnenkraftwerk Die Solarthermie beruht auf dem Prinzip der Strahlungskonzentration zur Erwärmung einer Wärmeträgerflüssigkeit, die zur Dampferzeugung genutzt wird. Dieser Dampf wird schließlich zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt. Die Kollektorfelder erfassen die Sonnenstrahlung mit Hilfe von speziellen Spiegeln und reflektieren sie auf mit Flüssigkeit gefüllte Rohre (Parabolrinnenkraftwerk, Fresnelreflektoren), auf einen Turm (Solarturmkraftwerk) oder auf einen Motor (Stirling Dish-Anlage). 8 Parabolrinnenkraftwerk Diese Technologie verwendet gebogene Spiegel, die mittels Hydraulikvorrichtungen im idealen Winkel zur Sonne ausgerichtet werden. In der Brennlinie dieser Spiegel befinden sich hocheffiziente Rohre, in denen die Wärmeträgerflüssigkeit (Synthetiköl) auf Temperaturen von ca. 400 °C erhitzt wird. Dieses Öl wird in eine Reihe von Wärmetauschern gepumpt, um Dampf zu erzeugen. Die Ausdehnung des druckbeaufschlagten Dampfes treibt eine Turbine zur Erzeugung elektrischer Energie an. Kollektorfeld Solarturmkraftwerk Solarturmkraftwerk Ein Solarturmkraftwerk besteht aus einem Heliostatenfeld, das sich computergesteuert zur Sonne hin ausrichtet, um die maximale Strahlung aufzufangen. Die Spiegel reflektieren die Strahlung und lenken sie auf einen Receiver auf der Spitze des Turms. Die Wärmeträger sind Luft, Wasserdampf, Öl, Flüssignatrium oder Flüssigsalz. Wie auch in den konventionellen Anlagen wird die von diesen Medien abgegebene Wärme verwendet, um elektrische Energie mit Hilfe von Dampfturbinen zu erzeugen. Temperaturmessung des HTF Die hochmodernen HTF-Öle (Heat Transfer Fluid) sind Thermoöle, die auf bis zu 400 °C erhitzt werden können. Wird diese Temperatur überschritten, wird das Öl durch Cracking in Kohlenstoffe und Kohlenwasserstoffe gespalten. Diese Produkte verringern die Wärmeträgerkapazität. Die Fühler, Temperatur-Transmitter und Schutzrohre von WIKA sind speziell dafür konzipiert, eine genaue, schnelle und zuverlässige Messung der Temperatur des HTFs zu garantieren. Auf diese Weise wird die Effizienz und die Sicherheit des Systems erhöht. 9 Stirling Dish-Anlage Stirling Dish-Anlage Fresnel-Reflektoren Stirling Dish-Anlagen sind besonders für die dezentrale Energieerzeugung geeignet. Diese Anlage verwendet Spiegel mit einem Durchmesser von 3 bis 25 m und kann Leistungen von bis zu 50 kW erzeugen. Fresnel-Reflektoren lenken die Sonnenstrahlung zu einem fest installierten Receiver. Diese flachen Reflektoren ermöglichen einen großen Öffnungswinkel und eine kurze Brennweite mit einem weit niedrigerem Gewicht und Volumen im Vergleich zur Parabolikausführung. Der Parabolspiegel folgt der Position der Sonne und konzentriert die Strahlung auf einen Receiver im Brennpunkt der Scheibe. In diesem Punkt wird der Wärmeträger, üblicherweise Helium oder Wasserstoff, erhitzt. Ein Stirlingmotor wandelt die Wärme in mechanische Energie und später mittels Generator in elektrische Energie um. 10 Fresnel-Reflektoren Die Konstruktion dieses Systems ist einfacher und günstiger als jedes andere System, da der Receiver nicht auf dem Spiegel montiert ist und kein Hydrauliksystem benötigt, um der Sonne zu folgen. Zur Verbesserung der Effizienz können mehrere Receiver installiert werden, die in definierten Zeiträumen die Strahlung bündeln. Kollektorfeld Solarthermisches Kraftwerk mit Fresnel-Technologie in Puerto Errado (direkte Dampfproduktion) Druckmessung des HTF Um einem Erstarren des Öls und somit einem Stillstand des HTF-Systems vorzubeugen, muss das Öl ständig zirkulieren. Druckmittlermessanordnungen (im Bild mit Prozesstransmitter) von WIKA garantieren die präzise Messung des Pumpendrucks bei Prozesstemperaturen von bis zu 400 °C. 11 Kraftwerksblock Turbine Wasserdampf Generator Wärmetauscher 12 Wasser-Dampf-Kreislauf Dampfturbine Der Wasser-Dampf-Kreislauf dient dazu, den Dampf vom Erzeugungsort (Wärmetauscheranlage) zur Dampfturbine und das Kondensat wieder zurück in den Kessel zu transportieren. Über 70 % der weltweit erzeugten elektrischen Energie wird mit Dampfturbinen erzeugt. Dabei müssen der Wasser-Dampfkreislauf und die Hilfssysteme der Turbine präzise überwacht und geregelt werden. Dampf wird aus folgenden Gründen als Wärmeträger verwendet: Es ist ein günstiges und fast überall zugängliches Medium. Seine Temperatur kann, dank des Verhältnisses zwischen Druck und Temperatur, sehr genau eingestellt und über Regelventile kontrolliert werden. Weiterhin ermöglicht es den Transport von großen Energiemengen vom Ort der Erzeugung über große Entfernungen bis zum Verbrauchsort. Im Dampf- und Kondensatkreislauf wird Druck-, Temperatur- und Füllstandsmesstechnik für die Turbinenschmierung, die Geschwindigkeitsregelung und die Systeme zur Dampfabnahme eingesetzt. Kraftwerksblock Füllstandsmessung Die Tanks des Dampf- und Kondensatkreises benötigen aus Sicherheitsgründen eine robuste, zuverlässige und in vielen Fällen durch redundante Systeme ergänzte Füllstandskontrolle. Bypass-Systeme ermöglichen eine lokale Anzeige mit analogem Ausgangssignal und/oder Alarmkontakten. Es handelt sich dabei um wartungsarme mechanische Systeme, die Prozesstemperaturen von bis zu 400 °C standhalten können. Temperaturmessung Die Überwachung der Temperatur im Kraftwerksblock ist Voraussetzung für eine konstante Energieerzeugung bei maximaler Leistung. Die Temperaturfühler mit lokaler Anzeige und HART®-Protokoll sind in die Überwachung der Anlage integriert. Die Schutzrohre für die Temperaturelemente werden gemäß der Norm ASME 'Performance Test Codes 19.3. Rev. 2010' ausgelegt. 13 Wärmespeicherung Am Tag liefert das Kollektorfeld ausreichend Energie für den täglichen Bedarf und die Speicherung in Salztanks. In der Nacht wird das heiße Salz durch einen Wärmetauscher in den Tank mit kaltem Salz gepumpt und gibt dort Wärme an das Medium ab. Dieses Medium erzeugt den Dampf, der mit Hilfe einer Turbine in elektrische Energie umgewandelt wird. Flüssigsalze als Wärmespeicher Die modernste Wärmespeichermethode basiert auf dem Einsatz von Flüssigsalzen als Speichermedium in speziellen Tankbehältern. Ein mit Wärmespeichern ausgestattetes Solarkraftwerk hat den Vorteil, dass mit der tagsüber gespeicherten Wärme auch in Tagesabschnitten ohne Sonneneinstrahlung (bis zu 8 Stunden lang) Strom erzeugt werden kann. 14 Bei dieser Anlagenbauart werden die Flüssigsalze in zwei Tanks gelagert: einem heißen und einem kalten. Ein Wärmetauscher erhitzt die Salze tagsüber auf ihrem Weg in den heißen Speichertank. Bei Bedarf von Wärmeenergie werden die Salze wieder durch den Wärmetauscher geführt, um ein Wärmeträgeröl auf bis zu 400 °C zu erhitzen. Wärmespeicherung Oberflächenmessung Mehrpunktmessung Die Flüssigsalztanks sind aus temperaturbeständigem Kohlenstoffstahl oder Edelstahl gefertigt. Um die Temperatur der kalten und heißen Salztanks an verschiedenen Stellen zu messen, werden sogenannte Stufenthermoelemente verwendet. Zur Überwachung der Temperaturen der Tankwände eignen sich „Skin-point“ Temperaturfühler zur Messung an verschiedenen Punkten. Dies ermöglicht die Registrierung der mechanischen Spannung der Tankwände, induziert durch die Wärmeausdehnung. Diese dienen zur Temperaturmessung an verschiedenen Stellen der kalten und heißen Salztanks. Mit Hilfe dieser Messungen und über einen Regelkreis angeschlossener Heizwiderstände wird ein Absinken der Salztemperatur unter den Erstarrungpunkt von ca. 250 °C verhindert. 15 Wasseraufbereitung Die geographischen Gebiete mit der stärksten Sonneneinstrahlung sind gleichzeitig auch diejenigen mit dem größten Wassermangel. Eine thermische Solaranlage mit Parabolrinnen benötigt ca. 3.000 Liter Wasser pro erzeugter MWh und eine Anlage mit Solarturm ca. 1.900 Liter. Der größte Teil des Wassers wird vom Nasskühlsystem des Kraftwerkblocks verbraucht. Die Thermosolarkraftwerke mit Stirling Dish-Technologie sind im Vergleich dazu die sparsamsten mit einem Verbrauch von nur 80 Litern pro MWh. 16 Ein Kraftwerk benötigt für den Betrieb gefiltertes Wasser, Osmosewasser und demineralisiertes Wasser. Das gefilterte Wasser wird für den Kühlturm als Brauchwasser und für die Feuerlöschanlagen verwendet. Das Osmosewasser hingegen wird zur Reinigung der Spiegel der Parabolrinnen oder Heliostate verwendet. Das demineralisierte Wasser dient dem Betrieb des Kreislaufs und dem geschlossenen Kühlwassersystem. Wasseraufbereitung Druckmessumformer In den Wasseraufbereitungsanlagen werden in verschiedenen Prozessstufen Druckmessumformer von WIKA verwendet. Das aufzubereitende Rohwasser enthält viele Feststoffe und Schlamm, wodurch die Druckkanal-bohrung des Gerätes verstopft werden könnte. Daher werden Prozessanschlüsse mit frontbündiger Membran oder Druckmittler eingesetzt. 17 Service Beratung und Schulung Wir produzieren nicht nur Geräte, sondern bieten, dank der Kenntnisse und Erfahrungen unseres Teams, auch Schulungen vor Ort oder in unseren Einrichtungen an. Kalibrierung Die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Geräte sind ausschlaggebend für den korrekten und effizienten Betrieb der thermischen Solaranlagen. Die regelmässige Kalibrierung der Geräte ist Voraussetzung, um den korrekten Betrieb der Anlage sicher zu stellen. In unseren Schulungen vermitteln wir unser Wissen an das Bedienpersonal und erläutern den korrekten Umgang mit der Druck-, Temperatur- und Füllstandsmesstechnik. WIKA verfügt über Kalibrierlabors für Druck und Temperatur und bietet einen Kalibrierservice vor Ort an. Des weiteren liefern wir ein umfangreiches Sortiment von tragbaren und stationären Kalibriergeräten für den Laboreinsatz. Inbetriebnahme Die korrekte Installation und Inbetriebnahme der Geräte sind ausschlaggebend für deren zuverlässigen Betrieb. Wir verfügen über qualifiziertes und erfahrenes Personal, das Sie gerne bei der Inbetriebnahme in Ihrer Anlage unterstützt. 18 Referenzen Realisierte Projekte Spanien: ANDASOL I, Guadix ANDASOL II, Guadix ANDASOL III, Aldeire ASTEXOL II, Badajoz EXTRESOL I, Torres St. Miguel EXTRESOL II, Torres St. Miguel GEMASOLAR, Fuentes HELIOENERGY I, Écija HELIOENERGY II, Écija IBERSOL, Puertollano PUENTE ERRADO II, Calasparra SAMCASOL I, La Dehesa SAMCASOL II, La Dehesa SOLABEN III, Logrosán SOLACOR I, Córdoba SOLACOR II, Córdoba SOLNOVA I, Sanlúcar SOLNOVA III, Sanlúcar SOLNOVA IV, Sanlúcar VALLE I, San José, Cádiz LEBRIJA, Sevilla VALLE II, San José, Cádiz MANCHASOL I, Ciudad Real Andere Länder: MORON, Sevilla COALINGA, USA MAJADAS, Majadas del Tietar MANCHASOL II, Ciudad Real ORELLANA, Orellana la Vieja PALMA DEL RIO I, Córdoba PALMA DEL RIO II, Córdoba PS 10, Sanlúcar la Mayor PS 20, Sanlúcar la Mayor BENI MATHAR, Marokko HASSI R‘MEL, Algerien KURAYMAT, Ägypten SHAMS, VAE SOLANA, USA 19 WIKA weltweit Europe North America Austria WIKA Messgerätevertrieb Ursula Wiegand GmbH & Co. KG Perfektastr. 83 1230 Vienna Tel. +43 1 8691631 Fax: +43 1 8691634 [email protected] www.wika.at Romania WIKA Instruments Romania S.R.L. 050897 Bucuresti Calea Rahovei Nr. 266-268 Corp 61, Etaj 1 Tel. +40 21 4048327 Fax: +40 21 4563137 [email protected] www.wika.ro Canada WIKA Instruments Ltd. Head Office 3103 Parsons Road Edmonton, Alberta, T6N 1C8 Tel. +1 780 4637035 Fax: +1 780 4620017 [email protected] www.wika.ca Belarus WIKA Belrus Ul. Zaharova 50B, Office 3H 220088 Minsk Tel. +375 17 2945711 Fax: +375 17 2945711 [email protected] www.wika.by Russia ZAO WIKA MERA Wjatskaya Str. 27, Building 17 Office 205/206 127015 Moscow Tel. +7 495-648018-0 Fax: +7 495-648018-1 [email protected] www.wika.ru Mexico Instrumentos WIKA Mexico S.A. de C.V. Viena 20 Ofna 301 Col. Juarez, Del. Cuauthemoc 06600 Mexico D.F. 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Bayraktar Bulvari No. 17 34775 Yukari Dudullu - Istanbul Tel. +90 216 41590-66 Fax: +90 216 41590-97 [email protected] www.wika.com.tr Ukraine TOV WIKA Prylad M. Raskovoy Str. 11, A PO 200 02660 Kyiv Tel. +38 044 4968380 Fax: +38 044 4968380 [email protected] www.wika.ua United Kingdom WIKA Instruments Ltd Merstham, Redhill RH13LG Tel. +44 1737 644-008 Fax: +44 1737 644-403 [email protected] www.wika.co.uk USA WIKA Instrument, LP 1000 Wiegand Boulevard Lawrenceville, GA 30043 Tel. +1 770 5138200 Fax: +1 770 3385118 [email protected] www.wika.com WIKA Process Solutions, LP. 950 Hall Court Deer Park, TX 77536 Tel. +1 713 47500-22 Fax: +1 713 47500-11 [email protected] www.wika.com Mensor Corporation 201 Barnes Drive San Marcos, TX 78666 Tel. +1 512 396-4200 Fax: +1 512 396-1820 [email protected] www.mensor.com Latin America Argentina WIKA Argentina S.A. Gral. 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MG Shibaura Bldg. 6F 1-8-4, Shibaura, Minato-ku Tokyo 105-0023 Tel. +81 3 5439-6673 Fax: +81 3 5439-6674 [email protected] www.wika.co.jp Kazakhstan TOO WIKA Kazakhstan Raimbekstr. 169, 3rd floor 050050 Almaty Tel. +7 727 2330848 Fax: +7 727 2789905 [email protected] www.wika.kz Korea WIKA Korea Ltd. 569-21 Gasan-dong, Kumcheon-gu Seoul 153-771 Tel. +82 2 86905-05 Fax: +82 2 86905-25 [email protected] www.wika.co.kr Malaysia WIKA Instrumentation M Sdn. Bhd. No. 27 & 29 Jalan Puteri 5/20 Bandar Puteri Puchong 47100 Puchong, Selangor Tel. +60 3 806310-80 Fax: +60 3 806310-70 [email protected] www.wika.com.my Philippines WIKA Instruments Philippines, Inc. Unit 102 Skyway Twin Towers 351 Capt. Henry Javier St. Bgy. Oranbo, Pasig City 1600 Tel. +63 2 234-1270 Fax: +63 2 695-9043 [email protected] www.wika.com.ph Singapore WIKA Instrumentation Pte. 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