Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

System- und Prozesstechnik

Entwicklung und Optimierung von Speicherkonzepten

Bei solarthermischen Kraftwerken sollte die eingesetzte Speichertechnologie auf das jeweilige Wärmeträgermedium abgestimmt sein. Bei Thermoöl werden heute kommerziell Twei-Tank-Flüssigsalz-Speicher eingesetzt. Wenn man zu Direktverdampfung geht, sind Latentspeichersysteme wegen des isothermen Be- und Entladungsprozesses exergetisch optimal. Deswegen arbeiten wir an neuen Konzepten, die niedrigere Speicherkosten als bisherige Ansätze versprechen. Aber auch die sensible Speicherung in geschichteten Einzelspeichern oder der Einsatz von Feststoffen bei der Speicherung sind unser Thema.

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Innovative Wärmekraftmaschinen und Prozesse

Das Polygeneration-Labor eröffnet die Möglichkeit verschiedene Wärmeverbraucher zu charakterisieren. Dies können zum Beispiel Expansionsmaschinen, thermische Kältemaschinen, thermische Speicher, Meerwasserentsalzungsmodule und Verschaltungen dieser Komponenten sein. Als Wärmequelle steht ein gasbefeuerter Thermoölerhitzer mit einer thermischen Leistung von 250 kW zur Verfügung. Über einen „Hardware in the Loop“- Ansatz ist es möglich, das Verhalten von fluktuierenden Wärmequellen wie zum Beispiel konzentrierenden Kollektoren mit dem Gasbrenner nachzubilden. Die Komponenten können hinsichtlich ihres Wirkungsgrads, ihres Betriebsverhaltens und ihrer Wechselwirkung im System charakterisiert werden. Als Wärmeträgermedium kann auf Thermoöl (bis 300 °C), Dampf (bis 30 bar) oder Wasser-Glykol (bis 90 °C) zurückgegriffen werden. 

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Optimierung der Betriebsführung und Prozessregelung

Die gängigen Simulationsprogramme für energetische Jahresrechnungen arbeiten typischerweise mit Zeitschrittweiten im Stundenbereich. Reale Regler haben aber im allgemeinen wesentlich kürzere Reaktionszeiten (z.B. PI-Regler). Rechenzeitschritte im Bereich dieser Reaktionszeiten sind notwendig, um das Regelungsverhalten wirklichkeitsnah abbilden zu können.

Am Fraunhofer ISE wurde die Simulationsumgebung ColSim zur Untersuchung und Optimierung von Regelungskonzepten in solarthermischen Anlagen entwickelt. ColSim ermöglicht es, die identischen Regelungsalgorithmen der in der Praxis verwendeten Micro-Controller-Regelungen zu benutzen, und unterstützt eine Exportfunktion als Schnittstelle mit Regelhardware. Es steht ein dynamisches Modell für konzentrierende Kollektoren zur Verfügung, mit dessen Hilfe das Kollektorverhalten bei Schwankungen der solaren Einstrahlung (Wolkendurchzug) nachgebildet werden kann. Weiterhin kann der Einfluss der Dynamik des Kollektors (u.a. bei Direktverdampfung) auf einen solar betriebenen Kraftwerksprozess untersucht werden.

Auf der Basis dieser kurzzeitdynamischen Modelle können Regelungskonzepte für reale Kollektoren und Anlagen erarbeitet werden, die primär den sicheren Betrieb gewährleisten. Weiterhin können Betriebsstrategien hinsichtlich maximaler Energieerträge optimiert werden.

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