"Das DESERTEC Konzept - Vision und Perspektive - Schlüsselelement Energiespeicher"

Tobias Morell und Dörte Laing

200 Jahre globaler Industrialisierung haben einem Teil der Menschheit einen zuvor nie erreichten Lebensstandard und eine höhere Lebenserwartung gebracht. Der Preis dafür waren und sind gravierende Umweltzerstörung sowie der inzwischen nicht mehr zu übersehende Klimawandel, deren Folgen das Leben auf der Erde drastisch verändern werden. Der Klimawandel, Bevölkerungswachstum weit über die Grenzen der derzeitigen Tragfähigkeit der Erde hinaus, das weltweite Streben nach Wohlstandswachstum und der damit verbundene, steigende Energie- und Wasserbedarf sind die Kernprobleme, mit denen wir konfrontiert sind. Inzwischen verbrauchen über 6,5 Mrd. Menschen weit mehr natürliche Ressourcen, als die Erde regenerieren kann. Der ökologische Fußabdruck der Menschheit ist damit schon heute größer als die gesamte Erdoberfläche.

Einen Ansatzpunkt liefert unsere Sonne: In sechs Stunden empfangen die Wüsten der Erde mehr Energie, als die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht. Wie kann man diese Strahlungsenergie wirtschaftlich in nutzbare Energie umwandeln und zu den Verbrauchern transportieren?

Das DESERTEC Konzept bietet hierfür eine Lösung und begegnet nebenbei wirksam allen zuvor genannten globalen Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte: Energiemangel, Wassermangel, Nahrungsmittelknappheit und drastische Überproduktion von CO2. Gleichzeitig bietet das Konzept neue Wohlstands- und Entwicklungsperspektiven für bisher wirtschaftlich wenig entwickelte Regionen sowie vielversprechende Wachstumsbereiche für die wirtschaftlich führenden Länder.

Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zeigen, dass in Wüstengebieten vor allem solarthermische Kraftwerke in spätestens 40 Jahren mehr als die Hälfte des dann anfallenden Strombedarfs in der EUMENA Region (Europe, the Middle East, North Africa) ökonomisch erzeugen können. Um den heutigen globalen Strombedarf von 18.000 TWh/Jahr zu decken, würde es reichen, drei Tausendstel der weltweit ca. 40 Mio. km2 an Wüstenflächen mit Spiegel- oder Kollektorfeldern solarthermischer Kraftwerke auszustatten. Pro Mensch würden somit etwa 20 m2 Wüste genügen, um den eigenen Strombedarf Tag und Nacht CO2-frei zu decken.

Das DESERTEC Konzept ermöglicht mehr als 90 Prozent der Weltbevölkerung effizienten Zugang zu Solar- und Windstrom aus den energiereichen Wüstengebieten der Erde - und damit auch eine günstige Ergänzung des jeweiligen regionalen regenerativen Energiemixes. Mit modernen Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsleitungen (HGÜ) lässt sich Strom mit Verlusten von weniger als drei Prozent pro 1.000 km übertragen.
Durch die zwei- bis dreifach höhere Sonneneinstrahlung und die geringeren saisonalen Schwankungen kann die Übertragung von Wüstenstrom mittels HGÜ über mehrere tausend Kilometer wirtschaftlich sein. Mit einer Distanz von bis zu 3.000 km können über 90 Prozent der Menschheit erreicht werden.
Der Anwendungsvorteil solarthermischer Kraftwerke (Concentrating Solar-Thermal Power (CSP) Plants) liegt im Verfahren: Sonnenlicht wird zuerst gebündelt und, im Unterschied zur Photovoltaik, in Wärme mit hoher Temperatur umgewandelt. Heißer Dampf treibt dann zur Stromerzeugung Turbinen in einem konventionellen Kraftwerk an. Da sich Wärme technisch einfach und wirtschaftlich speichern lässt, können solarthermische Kraftwerke mit gespeicherter Sonnenenergie auch bei Bewölkung oder nachts Strom erzeugen. Bei Engpässen kann der Dampf im Solarkraftwerk auch durch Zufeuerung mittels Biomasse oder Gas erzeugt werden. Auf diese Weise kann CSP Strom nach Bedarf liefern.
Solche Regelkapazitäten sind unverzichtbar für die Stabilität von Stromnetzen. Daher sind Windkraft und Photovoltaik bisher auf eine Ergänzung durch konventionelle Kraftwerke (Kohle, Gas, Atom), begrenzt verfügbare Pumpspeicherkraftwerke oder verlustreiche und teure Stromspeicher angewiesen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines CSP-Kraftwerks

Solarthermische Kraftwerke werden schon seit Jahrzehnten kommerziell in der Wüste Kaliforniens (USA) betrieben. Erste Anlagen arbeiten seit 1985 in Kramer Junction, Kalifornien, sowie seit kur- zem in Spanien und Nevada. Eine Massenfertigung von Kollektoren kann bei entsprechenden Rahmenbedingungen zügig aufgenommen werden. Auch HGÜ-Leitungen sind seit Jahrzehnten im kommerziellen Einsatz und können im erforderlichen Umfang gebaut werden.

Thermische Energiespeicher für solarthermische Kraftwerke

Damit solarthermische Kraftwerkstechnologien wirtschaftlich und wettbewerbsfähig etabliert werden können, ist der Einsatz thermischer Energiespeicher zwingend notwendig. Diese erhöhen den Solaranteil des Kraftwerks, verbessern das Betriebsverhalten, bewirken eine höhere Ausnutzung des Kraftwerkblocks, erhöhen die Wirtschaftlichkeit und ermöglichen zuverlässige Regelkapazitäten für das Stromnetz.
Großtechnisch erprobt und bereits in den spanischen Kraftwerken Andasol 1 und 2 im Einsatz sind thermische Speicher auf der Basis von Flüssigsalz. Diese speichern Wärme, indem eine Flüssigsalzmischung aus 60 % Natrium- und 40 % Kaliumnitrat von einem "kalten" Tank in einen "heißen" Tank gepumpt wird. Ein Öl/Salz-Wärmeübertrager führt dabei die Wärme aus dem Solarfeld dem Salz zu. Wird der Speicher entladen, kehrt sich der Prozess um. Das heiße Salz gibt die Wärme and den Themoölkreislauf ab und wird im "kalten" Tank gesammelt. Der Wärmespeicher besteht aus zwei Tanks von 14 Metern Höhe und 36 Metern Durchmesser mit einem Fassungsvermögen von 28.500 Tonnen Flüssigsalz. Beim Beladen, d.h. Umpumpen vom "kalten" in den "heißen" Tank wird das Flüssigsalzgemisch von der Ausgangstemperatur von ca. 292 °C auf ca. 386 °C aufgeheizt. Ein voller Speicher kann die Turbine rund 7,5 Stunden betreiben (Quelle: http://www.solarmillennium.de). Salzschmelzen werden seit rund 60 Jahren in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, z. B. bei der Galvanisierung. Die verwendeten Salze kommen unter anderem als Dünger sowie zur Konservierung in der Lebensmittelproduktion zum Einsatz.
Bei Feststoffspeichern wird die Energie zwischen dem Arbeitsmedium des Solarfelds und einem festen Speichermedium übertragen. Der Wärmeübertrager ist dabei in das Speichermedium integriert. Wesentlich für eine wirtschaftliche Auslegung ist die Wahl eines kostengünstigen Speichermediums. Im Hinblick auf Kosten und Fertigungsaspekte eignet sich hier temperaturbeständiger Beton, der eine einfache Integration des Wärmeübertragers ermöglicht. Entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Speichers haben die Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Speicherbetons. Aufgrund der großen Mengen an Zuschlagstoffen wie Kies und Sand (etwa 80 % der Masse des Betons) ist es aus wirtschaftlicher Sicht zwingend notwendig, regional verfügbare Ausgangsstoffe zu verwenden. Damit sind einer Verbesserung dieser Eigenschaften sehr enge Grenzen gesetzt. Zudem muss eine Dampfdurchlässigkeit des Speicherbetons gewährleistet sein, da bei der ersten Aufheizung des Speichers das freie und teilweise das chemisch gebundene Wasser aus dem Speicherbeton ausgetrieben werden muss.
Solche Betonspeicher wurden im Rahmen BMU-geförderter Projekte vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen mit Ed. Züblin AG entwickelt (http://www.dlr.de/tt/desktopdefault.aspx/tabid-4727/7819_read-12192/). Die bisher erzielten Ergebnisse zeigen, dass hiermit eine technisch und wirtschaftlich attraktive Lösung für einen Wärmespeicher realisiert werden kann. Ein 100 kW Betonspeicher-Testmodul (s. Abb. 2) mit einer Speicherkapazität von 400 kWh wird seit Mai 2008 erfolgreich im Zyklenbetrieb zwischen 300 °C und 400 °C getestet, so dass diese Technologie nun für eine großtechnische Umsetzung bereitsteht.

Abbildung 2: Betonspeicher-Testmodul (100 kW, 400 kWh) für den Einsatz bis 400 °C

Die solare Direktverdampfung von Wasser, also die Eliminierung eines sekundären Wärmeträgermediums in solarthermischen Kraftwerken, stellt eine aussichtsreiche Option zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen dar. Während z.B. bei herkömmlichen Parabolrinnenkraftwerken ein synthetisches Wärmeträgeröl (eutektisches Gemisch aus Diphenyloxid und Diphenyl) im Kollektorfeld erhitzt wird und seine Energie in einem Wärmeübertrager an den eigentlichen Dampfkraftprozess abgibt, wird bei der solaren Direktverdampfung der benötigte Dampf direkt im Kollektorfeld erzeugt. Da auf alle ölspezifischen Komponenten verzichtet werden kann, sinkt das Investitionsvolumen. Gleichzeitig kann die Prozesstemperatur und damit der Wirkungsgrad gegenüber der Öl-Technologie erhöht werden. Die solare Direktverdampfung kommt bereits in solarthermischen Kraftwerken mit Fresnel-Kollektortechnologie (http://www.novatec-biosol.com/index.php?article_id=14&clang=4) und in Solarturmkraftwerken (http://www.solucar.es/corp/web/en/our_projects/solucar/ps10/index.html) zur Anwendung.
Für die Speicherung der Wärme mit dem Wärmeträgermedium Dampf sind kommerziell derzeit nur Gleitdruckspeicher verfügbar. Diese bestehen aus einem Druckkessel welcher zu ca. 80 Prozent mit Wasser gefüllt ist. Zum Beladen wird heißer Dampf in das Wasser eingeblasen. Die aufsteigenden Dampfblasen kondensieren aus und erwärmen dabei den Wasserinhalt des Speichers. Durch das thermodynamische Gleichgewicht zwischen Wasser und Dampf steigt hierbei der Druck im Speicher an. Zum Entladen wird aus dem oberen Bereich des Speichers Dampf entnommen, wodurch der Druck sinkt. Durch Siedevorgänge nahe der Wasseroberfläche wird neuer Dampf produziert und das thermodynamische Gleichgewicht wieder hergestellt. Die Wärme wird somit sensibel im Wasserinhalt gespeichert. Diese Speicher sind als Pufferspeicher sehr gut geeignet, da sie sofort hohe Leistungen zur Verfügung stellen können. Für große Kapazitäten sind sie jedoch nicht wirtschaftlich einsetzbar.
Zur effizienten Speicherung in einem solarthermischen Kraftwerk mit Direktverdampfung muss der Speicher der Charakteristik des Wärmeträgerfluids angepasst werden. In einem typischen Kraftwerksprozess bei ca. 100 bar werden rund 65 % der zugeführten Energie für die Verdampfung des Wassers verwendet, der Rest entfällt auf Vorwärmung und Überhitzung. Der größte Teil der Energie muss also dem Verdampfungsprozess bei konstanter Temperatur zugeführt werden. Hierfür sind Latentwärmespeicher besonders geeignet, da sie die Phasenumwandlung, z.B. zwischen fest und flüssig, eines Speichermaterials ausnutzen und hierdurch große Wärmemengen in einem sehr schmalen Temperaturbereich speichern können.
Für den Temperaturbereich 130 °C bis 350 °C bieten sich vor allem Nitratsalze und deren Mischungen als Phasenwechselmaterialien an (s. Tabelle). Charakteristisch für diese Latentspeichermaterialien sind die sehr geringen Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von 0,5 W/(mK).

Salzsystem
(Zusammensetzung in Gew. %)
Schmelzpunkt
[°C]
Schmelzenthalpie
[J/g]
Volumenänderung
ΔV/Vs [%]
KNO3-LiNO3 (67-33)13317014
KNO3-NaNO2-NaNO3 (53-40-7)142804
LiNO3-NaNO3 (49-51)19426513
KNO3-NaNO3 (54-46)2221005
LiNO325436021
NaNO227018017
NaNO330617511
KNO33371003
Tabelle 1: Nitratsalze und deren Mischungen als Phasenwechselmaterialien

Eine der größten Herausforderungen in der Weiterwentwicklung dieser Technologie ist deshalb die Gewährleistung ausreichender Leistungsdichten. Dazu wurde am DLR ein Rippenkonzept entwickelt und demonstriert, mit dem eine effektive Wärmeleitfähigkeit von 5 - 15 W/(mK) eingestellt werden kann. Ausgehend von ersten Speichermodulen im kW-Bereich hat das DLR Latentspeichersysteme kontinuierlich weiterentwickelt. Dabei hat man solar erzeugten Dampf zur Beladung eines 100 kW Speichermoduls genutzt. Ein weiterer Latentwärmespeicher (s. Abb. 3) mit einer Speicherkapazität von etwa 700 kWh befüllt mit 14 Tonnen Natriumnitrat wurde für den Betrieb mit Dampf bei Drücken bis zu 100 bar gebaut und befindet sich derzeit in der Inbetriebnahme (http://www.solar-thermie.org/forschungsprojekte/documents/ites.pdf).

Abbildung 3: Latentwärmespeicher im Testbetrieb in Spanien (14 t Natriumnitrat, 306 °C)

Schlauer Fuchs

Unser Schlauer Fuchs diese Woche ist Matthias N. aus Leverkusen. Zur Frage:

Welche thermischen Energiespeicher bzw. welche Wärmeträgermedien werden für solarthermische Kraftwerke in diesem Beitrag genannt?

Schickte er uns die erste richtige Antwort.
Bitte sehen Sie bis zur Veröffentlichung des nächsten Beitrags mit einer neuen Frage von einer E-Mail-Antwort an schlauerfuchs@gdch.de ab.


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Thermische Prozesstechnik
Leiterin Fachgebiet Thermische Energiespeicher
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