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.
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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).
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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.
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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.
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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
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(Thailand) Co., Ltd.
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Bangkok 10520
Tel. +66 2 32668-73
Fax: +66 2 32668-74
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www.wika.co.th
Africa / Middle East
Egypt
WIKA Near East Ltd.
Villa No. 6, Mohamed Fahmy
Elmohdar St. - of Eltayaran St.
1st District - Nasr City - Cairo
Tel. +20 2 240 13130
Fax: +20 2 240 13113
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www.wika.com.eg
Namibia
WIKA Instruments Namibia Pty Ltd.
P.O. Box 31263
Pionierspark
Windhoek
Tel. +26 4 61238811
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South Africa
WIKA Instruments Pty. Ltd.
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Johannesburg, 2094
Tel. +27 11 62100-00
Fax: +27 11 62100-59
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United Arab Emirates
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Tel. +971 4 883-9090
Fax: +971 4 883-9198
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Australia
Australia
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Fax: +61 2 96844767
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New Zealand
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