Solarthermische Kraftwerke
Flüssiges Salz speichert Wärme

Mit Salzschmelzen lassen sich große Mengen Wärme bei hoher Temperatur drucklos speichern. In Köln-Porz untersuchen Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit der neuen Testanlage TESIS, wo Speicher mit nur einem Tank die bisher übliche Zweispeichertechnik ersetzen können. Mit der Einspeicher-Technik lassen sich erhebliche Kosten einsparen.

Projektkontext

Salzspeicher sind bei solarthermischen Kraftwerken erprobte Technik. Sie sorgen dafür, dass nachts nicht die Lichter ausgehen. Die großen Wärmespeichertanks können aber auch konventionelle Kraftwerke unterstützen, um flexibler auf Lastwechsel zu reagieren. Dies wird zunehmend wichtiger, damit die schwankende Einspeisung regenerativer Energieerzeugung ausgeglichen werden kann. Ebenso benötigen auch industrielle Prozesse vielfach Hochtemperaturspeicher für große Wärmemengen.

Bisherige Anlagen arbeiten mit zwei großen wärmegedämmten Stahltanks. Bei Energiebedarf wird die Salzschmelze aus dem heißeren Tank genutzt und anschließend in den kälteren gepumpt. Bei Energieüberschuss wird Schmelze aus dem kalten Speicher aufgeheizt und zurück in den heißen Tank geleitet. Vorteil dieses Konzeptes ist der einfache Systemaufbau. Die Speicherkapazität wird in drucklosen großen Tanks bereitgestellt. Die Speicherleistung wird in externen Bauteilen wie Wärmeübertragen nutzerspezifisch abgegeben und aufgenommen. Die Speicher geben die Wärme auf einem konstanten Temperaturniveau an den Prozess ab. Nachteil ist allerdings der hohe Aufwand für zwei separate Tanks, der die Kosten erhöht.

Forschungsfokus

Im Fokus steht der Aufbau einer in Deutschland einzigartigen Salzspeichertestanlage, die als Plattform zur Untersuchung von Speicherkonzepten und Flüssigsalzkomponenten bis 560 Grad Celsius geeignet ist. Die Größe der Anlage ist so dimensioniert, dass Versuche unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt werden können. Auf dem Versuchsplan stehen detaillierte Untersuchungen zu Wärme- und Stofftransport, Thermodynamik und Materialverträglichkeit. Darüber hinaus optimieren und qualifizieren die Wissenschaftsteams einzelne Komponenten und klären verfahrenstechnische Fragestellungen.

TESIS:STORE – Wärmeschichtung wie beim Warmwasserspeicher

Die Testanlage auf dem Gelände des DLR in Köln unterscheidet sich schon optisch von den flachen Zylindertank-Zwillingen (Flachbodentanks) der Solarkraftwerke in südlichen Klimazonen. Ein einzelner schlanker Turm ragt aus der Testeinrichtung empor. Darin befindet sich der Versuchsspeicher – TESIS:STORE genannt. An ihm wollen die Wissenschaftler das Eintank-Speicherkonzept wissenschaftlich analysieren und die technische Machbarkeit demonstrieren. Anfang Juli 2016 begann der Aufbau der Testanlage und im September 2017 konnte die Anlag ein Betrieb gehen.

Der Anlagenteil wird derzeit mit circa 85 Tonnen Salz betrieben. Doch Ziel ist es, den 20 Kubikmeter Versuchsspeicher nicht vollständig mit dem vergleichsweise teuren Salz zu füllen. Basaltsteine als Füllmaterial reduzieren die notwendige Salzmenge. Sie haben in etwa die gleiche volumetrische Wärmekapazität wie das Flüssigsalz. So kombinieren die Wissenschaftler den Vorteil der pumpbaren Flüssigkeit mit dem geringen Preis der Natursteine.

In dem Salzspeicher spielen stabile Temperaturschichten eine entscheidende Rolle. Die Wärmeschichtung der Salze im Temperaturbereich zwischen 170 und 560 Grad Celsius ist noch wenig erforscht und Wärmespannungen müssen sicher beherrscht werden. Die heißen Salze wirken korrosiv auf die Bauteile in der Anlage. Einfrierprozesse können Rohrleitungen blockieren. Mit detaillierten Untersuchungen bei Wärme- und Stofftransport, Thermomechanik und Materialverträglichkeit wollen die Wissenschaftler diese Fragestellungen angehen. Die Größe des Testspeichers erlaubt die Skalierung, Modellvalidierung und Systemintegration von innovativen Flüssigsalzspeichern. Im Vergleich zu marktverfügbaren Systemen hat das Einspeicher-Konzept das Potential die Kapitalkosten deutlich zu senken. Nach Ansicht der Wissenschaftler liegt das Kostensenkungspotenzial im zweistelligen Prozentbereich.