Computersimulation des Betriebsverhaltens eines solar unterstützten Kombikraftwerks

Diplomarbeit von Paul M. Epping

Einleitung:

Im Rahmen der Entwicklung von Solarkraftwerken besitzt nach Meinung vieler Experten die Solarturmanlage das höchste technische Potential. Diese Systeme befinden sich aber noch im Stadium der Prototypen und zählen damit zu den sogenannten Risikotechnologien.

Mit dem vorliegenden Konzept versucht man bezüglich der Solarturmanlagen einen Ausweg aus dem Dilemma der fehlenden Investitionsbereitschaft in solche Risikotechnologien zu finden. Diese Bereitschaft ist Voraussetzung, um Erfahrungen mit dem Betrieb der Anlagen im großtechnischen Maßstab sammeln zu können und ihnen so einen Weg aus dem Bereich der Risikotechnologien zu eröffnen.

Dazu opfert man einen Teil des Potentials der Solarturmanlage für eine höhere Zuverlässigkeit, indem man sich auf eine technisch einfache und abgesicherte Variante, den Sattdampfreceiver, beschränkt. Auf diese Weise hofft man die Investitionsbereitschaft zu erhöhen. Solare Hybridkraftwerke mit einem geringen solaren Anteil der Energiezufuhr (im Jahresmittel <30%) sind die in naher Zukunft wahrscheinlichste Variante für die großtechnische solare Stromproduktion.

Bei der SolGas-Anlage handelt es sich um ein Kombikraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung und Einspeisung von solar erzeugtem Sattdampf. Die externe, solare Verdampfung ist bei dieser Anlage mit Komponenten des Abhitzekessels (Vorwärmer, Überhitzer etc.) in Reihe geschaltet. Parallel zur solaren Verdampfung besteht durch den Einsatz einer Zusatzfeuerung außerdem die Möglichkeit, einen Teilmassenstrom im Abhitzekessel zu verdampfen. In Verbindung mit dem Einsatz einer Entnahme-Kondensations-Turbine erreicht man ein hohes Maß an Flexibilität bzgl. der Stromkennzahl und der Wärmeproduktion.

Für den Betrieb der Anlage wurden drei Strategien entworfen: eine ökonomisch motivierte, eine für den Betrieb nach energetischen Gesichtspunkten und eine für einen gemischten Betrieb. Diese Strategien sollten durch eine Computersimulation über ein Modelljahr mit reellen Wetterdaten und vorgegebenem Prozesswärmebedarfsprofil untersucht und verglichen werden. Dazu musste die Anlage am Computer abgebildet und durch Teillastberechnungen verifiziert werden.

Die Simulation lieferte sowohl Tagesverläufe aller wichtigen Größen, als auch über das Jahr integrierte Werte. Die Tagesverläufe geben Aufschluss über das Verhalten der Anlage in den verschiedensten Situationen (Kann die geforderte elektrische Leistung immer erreicht werden? Funktioniert die Steuerung der Zusatzfeuerung zur Regelung des Prozessdampfmassenstroms? Wie reagiert die Anlage bei plötzlich aufreißender Bewölkung?). Dagegen lässt sich die Anlage anhand der integrierten Jahreswerte eher qualitativ beurteilen.

Zur weiteren Bewertung des SolGas-Konzepts wurde eine Referenzanlage ohne externe Dampferzeugung herangezogen. Als Randbedingungen für die Auslegung der Referenzanlage wurden die gleiche Leistungsgröße (gleiche Gasturbine) sowie gleiche Rahmenbedingungen durch den Prozesswärmenutzer festgelegt.

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