HybridKraft – Neue Technologien für integrierte CSP/PV Hybridkraftwerke (ICPH)

Konzentrierende Solarkraftwerke (Concentrated Solar thermal Power: CSP) können erneuerbare Energie sowohl tagsüber als auch nachts bedarfsgerecht liefern. Insbesondere die Fähigkeit, bis zu 15 Stunden nach Sonnenuntergang kostengünstigen Strom zu erzeugen, macht diese Technologie sehr attraktiv und wertvoll. Die thermischen Speicher der CSP-Kraftwerke, die hauptsächlich für die nächtliche Produktion verwendet werden, können einer der Schlüsselfaktoren für den Aufbau eines auf erneuerbaren Energien basierenden Stromnetzes sein. Darüber hinaus sind in den letzten Jahren die Kosten für die Stromerzeugung durch Photovoltaik (PV) erheblich gesunken. Durch die Kombination dieser beiden Kraftwerkstechnologien können einerseits die Stromgestehungskosten der CSP-Technologie gesenkt und andererseits der Kapazitätsfaktor (äquivalente Volllastbetriebszeit im Verhältnis zur maximal möglichen Produktion) von PV-Kraftwerken erhöht werden.

Das Fraunhofer ISE hat gemeinsam mit drei Industriepartnern, nämlich der John Cockerill UVK GmbH, der Frenell GmbH sowie der BASF New Business GmbH als assoziiertem Partner, das Ziel, das Design und die Leistung eines integrierten CSP- und PV-Hybridkraftwerks (Integrated CSP and PV Hybrid Plant - ICHP) sowohl auf Komponenten- als auch auf Systemintegrationsebene zu verbessern. Eine effiziente Möglichkeit, um CSP und PV zu kombinieren, besteht darin, einen elektrischen Heizer zu verwenden, der überschüssigen PV-Strom nutzt, um die Salzschmelze des thermischen Speichers aufzuheizen. Während kleinere elektrische Heizer bereits in anderen industriellen Prozessen eingesetzt werden, wurde ein kostengünstiger, leistungsstarker Elektroerhitzer, der für ICPH-Kraftwerke ab 50 MW_el geeignet ist, noch nicht vollständig untersucht. Das Hauptziel von HybridKraft besteht darin, einen solchen Elektroerhitzer für Salzschmelzen zu entwickeln, der für den Einsatz in Großkraftwerken geeignet ist.

In diesem Projekt wird ein innovativer Elektroerhitzer entwickelt, der für thermische Leistungen von 50 bis 100 MW_th geeignet ist. Hierzu wird ein Prototyp mit einer relevant reduzierten Größe von 1 MW_th entworfen und von John Cockerill mit Unterstützung des Fraunhofer ISE hergestellt. Der Prototyp wird anschließend in einer neuen Salzschmelze-Testanlage des Fraunhofer ISE in Freiburg getestet. Basierend auf dem Prototypen-Design, den Testergebnissen sowie Simulationen wird ein Entwurf für einen Elektroerhitzer großer Kapazität entwickelt.

Des Weiteren wird das Fraunhofer ISE die erwartete Steigerung der Systemeffizienz und Flexibilität eines ICPH-Kraftwerks durch den Einsatz des entwickelten Elektroerhitzers untersuchen und techno-ökonomisch bewerten. Hierzu werden die hausinternen dynamischen Systemsimulationstools des Fraunhofer ISE, ColSimCSP und Raytrace3D, verwendet. ColSimCSP bietet bereits eine standardisierte und validierte Bibliothek von CSP-Komponenten. Im Rahmen von HybridKraft wird auch ein validiertes Leistungsmodell des Elektroerhitzers entwickelt. In diesem Projekt werden alle drei gängigen CSP-Technologien (Turmkraftwerke, Parabolrinne, LinearFresnel) betrachtet, wobei der Schwerpunkt auf der Linear-Fresnel Kollektortechnologie (LFC) mit direktem Einsatz von Salzschmelze des Projektpartners Frenell GmbH liegt.

Ein ICPH-Kraftwerk besteht aus verschiedenen Komponenten (groß angelegtes PV-Kraftwerk, solarthermisches Feld, Salzschmelzespeicher, Batteriespeicher, Kraftwerksblock und Elektroerhitzer), die nur effizient zusammenarbeiten können, wenn sie die richtige Größe und Betriebsstrategie haben. Daher werden am Fraunhofer ISE abschließend optimierte ICPH-Kraftwerkskonzepte einschließlich des neuen Heizers entwickelt und techno-ökonomisch bewertet. Dazu werden verschiedene Integrationsmöglichkeiten des Elektroerhitzers wie z.B. serielle oder parallele Verschaltung untersucht. Basierend auf Simulationen wird eine optimierte Konfiguration spezifisch für verschiedene CSP-Technologien und Marktkonditionen identifiziert.