Das Projekt "Lebensdaueroptimierter Betrieb von Salzschmelzreceivern" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAN Energy Solutions SE durchgeführt. Solare Turmkraftwerke mit Salzschmelzereceiver sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgradpotentials und der einfachen und kostengünstigen Speichermöglichkeit die derzeit am meisten am Markt nachgefragte CSP-Technologie. Der Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks stellt aufgrund des fluktuierenden Energieeintrags, der unterschiedlichen thermischen Trägheit der Komponenten und der Komplexität der Anlage eine große Herausforderung für Steuerung und Betriebsführung dar. Insbesondere da versucht wird, die kostenintensiven Komponenten aus Effizienzgründen nahe an ihren Betriebsgrenzen zu betreiben. Rohrreceiver mit Salzschmelze sind derzeit die kommerziell am häufigsten eingesetzte Receivertechnologie. Die Rohre werden mit Temperaturen über 600 Grad Celsius und Strahlungsflussdichten bis über 1000 kW/m2 sehr hoch belastet. Die tägliche zyklische Belastung und die starken Temperaturgradienten während des transienten Betriebs, z.B. bei einem Wolkendurchzug, begrenzen die Lebensdauer der metallischen Receiverbauteile. Da die realen Belastungen messtechnisch normalerweise nicht zugänglich sind, werden aus Sicherheitsgründen enge Grenzen für die erlaubten Betriebsparameter (Strahlungsflussdichte, Salztemperatur, Massenstrom) vorgegeben. Diese Betriebsweise steht im Konflikt mit dem Ziel, die thermische Leistung zu maximieren. Ein Austausch von Komponenten deutlich vor Erreichen der tatsächlichen technischen Lebensdauer hat wirtschaftliche Nachteile. Ein Schadensfall aufgrund von Fehleinschätzung der tatsächlichen Restlebensdauer kann andererseits noch deutlich gravierendere Folgen haben.
Das Projekt "Teilvorhaben: Modellprädiktive Regelungsoptimierung von Salzturmreceivern" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAN Energy Solutions SE durchgeführt. Solare Turmkraftwerke mit Salzschmelzereceiver sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgradpotentials und der einfachen und kostengünstigen Speichermöglichkeit die derzeit am meisten am Markt nachgefragte CSP-Technologie. Der Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks stellt aufgrund des fluktuierenden Energieeintrags, der unterschiedlichen thermischen Trägheit der Komponenten und der Komplexität der Anlage eine große Herausforderung für Steuerung und Betriebsführung dar. Insbesondere da versucht wird, die kostenintensiven Komponenten aus Effizienzgründen nahe an ihren Betriebsgrenzen zu betreiben. Rohrreceiver mit Salzschmelze sind derzeit die kommerziell am häufigsten eingesetzte Receivertechnologie. Die Rohre werden mit Temperaturen über 600 Grad Celsius und Strahlungsflussdichten bis über 1000 kW/m2 sehr hoch belastet. Die tägliche zyklische Belastung und die starken Temperaturgradienten während des transienten Betriebs, z.B. bei einem Wolkendurchzug, begrenzen die Lebensdauer der metallischen Receiverbauteile. Da die realen Belastungen messtechnisch normalerweise nicht zugänglich sind, werden aus Sicherheitsgründen enge Grenzen für die erlaubten Betriebsparameter (Strahlungsflussdichte, Salztemperatur, Massenstrom) vorgegeben. Diese Betriebsweise steht im Konflikt mit dem Ziel, die thermische Leistung zu maximieren. Ein Austausch von Komponenten deutlich vor Erreichen der tatsächlichen technischen Lebensdauer hat wirtschaftliche Nachteile. Ein Schadensfall aufgrund von Fehleinschätzung der tatsächlichen Restlebensdauer kann andererseits noch deutlich gravierendere Folgen haben. Zentrales Ziel des Projekts LOBSTeR ist die Entwicklung eines Regelungssystems für Salzschmelzereceiver mit integrierter Lebensdauerüberwachung. Dazu wird ein modell-prädiktives Regelungssystem für das in HPMS-II entwickelte MAN-Salzreceiverkonzept entwickelt. Dieses wird ergänzt um ein Monitoringsystem, das den Lebensdauer-Verbrauch der Receiverkomponenten als Folge der Betriebsweise berechnet.
Das Projekt "TubeMon - Neuartige Online-Flussdichte- und Temperaturmesssysteme zur Überwachung und Betriebsoptimierung von externen Rohrreceivern" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Institut für Solarforschung (SF), Standort Köln durchgeführt. Konzentrierende solarthermische Anlagen (CSP) bündeln das Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln und können Wärme, Strom und Brennstoffe liefern. Solartürme bieten das größte Kostensenkungspotenzial im CSP-Bereich. Das Hauptziel bei der Weiterentwicklung der CSP-Technologie ist die Senkung der Erzeugungskosten bei der Bereitstellung von Wärme, Strom und zukünftig Brennstoffen. Dies kann insbesondere durch eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Receivers oder durch eine Verlängerung der Lebensdauer des Receivers erreicht werden. Dazu müssen die Flussdichte (flächenbezogene Strahlungsleistung) und die Temperaturverteilung an der Absorberoberfläche geregelt werden. Die zulässigen Grenzen von Temperatur und Flussdichte müssen eingehalten werden, um den Receiver zu schonen. Darüber hinaus können die Verteilungen von Flussdichte und Temperatur für einen effizienten Betrieb optimiert werden. Voraussetzung dafür ist die Fähigkeit, Flussdichte und Temperatur während des Betriebs des Solarturms kontinuierlich mitlaufend ('online'), schnell, präzise und kostengünstig zu messen. An dieser Stelle setzt das Projekt TubeMon an. TubeMon bringt die Flussdichte- und Temperaturmessung auf ein neues Niveau. Das Projekt verfolgt die vielversprechendsten Messverfahren und wendet sie auf externe Rohrreceiver im industriellen Maßstab an, um den Weg für eine Kommerzialisierung zu ebnen. Die Verbesserungen der Messtechnik werden von Weiterentwicklungen in den Bereichen Raytracing, Receivermodellierung und Regelung der Flussdichteverteilung flankiert. Die Flussdichtemessung ermöglicht nicht nur die Überwachung und Betriebsoptimierung, sondern zusätzlich die getrennte Bestimmung der Wirkungsgrade von Heliostatfeld und Receiver und erlaubt damit neue Abnahmetests von Solarturmkraftwerken. Dies gestattet eine separate Bewertung der Qualitäten von Solarfeld und Receiver und schafft damit die Grundlage, diese Gewerke von unabhängigen Unternehmen anbieten und erstellen zu lassen (= größer als Kostensenkung).
Das Projekt "Teilvorhaben: Komponententest, Wasserstoffkontrolle und Wiederaufbereitung des Wärmeträgermediums" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Institut für Solarforschung (SF), Standort Köln durchgeführt. Das SIMON-Projekt knüpft an das erfolgreiche SITEF-Projekt an. In SITEF wurde die Anwendbarkeit des silicon-basierten Wärmeträgerfluids (SHTF) HELISOL® 5A im Zusammenspiel mit den für den Betrieb erforderlichen Komponenten (vor allem Receiver und Rotation and Expansion Performing Assembly, REPA) in der Größenordnung eines Parabolrinnen-Loops bei Temperaturen von 425 °C demonstriert. Während das SITEF-Projekt auf die Demonstration der Machbarkeit ausgerichtet war, zielt das SIMON-Projekt auf die Unterstützung und Beschleunigung der Markteinführung durch die Absenkung identifizierter Hindernisse. SIMON demonstriert neben der Fluidstabilität des neu entwickeltem SHTFs HELISOL® XA auch die Langzeitstabilität von Komponenten wie REPAs mittels zyklischer Lebensdauertests in einem spezifischen REPA-Teststand sowie der von Receiver Rohren und Pumpe im technischen Maßstab mit der PROMETEO Anlage (auf der Plataforma Solar de Almería, Spanien). Ferner werden für den Betrieb der Fluide erforderliche Pflege- und Aufarbeitungskonzepte demonstriert, um einerseits einen Betrieb über 25 Jahre bei begrenztem Anstieg der Viskosität von HELISOL® 5A und HELISOL® XA bei 425 °C zu ermöglichen. Andererseits soll eine für die silicon-basierten Wärmeträger geeignete Leichtsiederabtrennung entwickelt und demonstriert werden, um die sich langsam bildenden unerwünschten Zersetzungsprodukte wie Wasserstoff, Methan und alkylierte Silane in geeigneter Form abzutrennen. Im Rahmen von SIMON sollen die neuen Fluide weitergehend charakterisiert und die Untersuchungsmöglichkeiten der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Wärmeträger bei hohen Temperaturen erweitert werden. Für die Wärmeleitfähigkeitsmessung bei hohen Temperaturen soll ein Laborgerät und für die Viskosität eine Sonde weiterentwickelt werden, die auch zum Monitoring des Alterungsverhaltens eingesetzt werden könnte. Ziel ist jeweils die Bereitstellung zuverlässiger Daten, die zur Auslegung von Kraftwerken und zur wirtschaftlichen Optimierung benötigt werden.
Das Projekt "Teilvorhaben: Modellierung, Simulation und Betriebsoptimierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Institut für Solarforschung (SF), Standort Köln durchgeführt. Ziel des Projekts ist es, den transienten Betrieb von Solarthermischen Turmkraftwerken mit Flüssigsalz als Wärmeträgermedium mit Hilfe von modellbasierten Regelungs- und Betriebsführungsmethoden zu verbessern. Dazu sollen für den Betrieb des befüllten Receivers eine Modellprädiktive Regelung (MPR) und für den Betrieb des Übergangs zwischen unbefülltem und befülltem Receiver ein Betriebsassistenzsystems (BAS) eingesetzt werden. Aufbauend auf den Ergebnissen des Vorläuferprojekts DynaSalt (BMWi, 2014-2016) werden numerische Modelle für den ein- und zweiphasigen Betrieb eines Rohrreceivers mit Salzschmelze entwickelt. Daraus abgeleitet werden reduzierte echtzeitfähige Modelle für die MPR und das BAS. Die Validierung erfolgt stets an den detaillierten Modellen sowie an den Ergebnissen und Messdaten aus dem Vorgängerprojekt DynaSalt. MPR und BAS werden implementiert in das professionelle Software-Framework Intexc vom Projektpartner LeiKon.
Das Projekt "Teilvorhaben: Regelung des transienten einphasigen Betriebs von Salzschmelzereceivern" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik durchgeführt. Ziel dieses Teilvorhabens ist es, eine modellbasierte prädiktive Regelung für den transienten, einphasigen Betrieb von Salzschmelzereceivern zu entwickeln und in der Simulation zu erproben. Aufgabe dieser Regelung ist die Effizienzsteigerung beim Betrieb von Salzschmelzreceivern durch Reduktion der Abschaltzeiten und eine vorrausschauende Betriebsweise, wie beispielsweise bei Wolkendurchgang. Die Herausforderung der Receiver-Regelung besteht darin, zulässige Grenztemperaturen der Salzschmelze am Austritt des Receivers sowie materialbedingte Betriebsgrenzen des Receivers einzuhalten, während die Auslasstemperatur zwecks optimalem Wirkungsgrad jedoch möglichst hoch ausfallen soll. Die Überschreitung solcher Grenzwerte ist in dynamischen Vorgängen, d.h. bei stark wechselnder Strahlungsleistung, häufig die Ursache für Anlagenstopps. Aufgrund der auftretenden, sicherheitsbedingten Anlagenstopps werden die vorhandenen Energiepotentiale zwangsläufig nicht optimal ausgeschöpft. Die in diesem Vorhaben zu entwickelnde Regelung soll genau dieses Potential durch eine vorrausschauende Betriebsweise und eine direkte Berücksichtigung der Betriebsgrenzen mittels Modellwissen ausschöpfen.
Das Projekt "Teilvorhaben: Dynamische Modellierung und Betriebsassistenzsystem für Salzschmelze-Receiver" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fachhochschule Aachen, Solar-Institut Jülich durchgeführt. Ziel des Projektes ist es, den transienten Betrieb von Solarthermischen Turmkraftwerken mit Flüssigsalz als Wärmeträgermedium mit Hilfe von modellbasierten Regelungs- und Betriebsführungsmethoden zu verbessern. Dazu entwickelt das Solar-Institut Jülich gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie eine Modellprädiktive Regelung (MPR) für den Betrieb des gefüllten Receivers sowie ein Betriebsassistenzsystem (BAS) für den Betrieb des Übergangs zwischen ungefülltem und gefülltem Receiver. Um das dynamische Verhalten des Receivers abzubilden, werden die in den Projekten DynaSalt und HPMS entwickelten Fluid- und Komponentenmodelle weiterentwickelt. Für die MPR und das BAS werden zudem vereinfachte Modelle erstellt, die es ermöglichen, im laufenden Betrieb eine modellbasierte Prozessprädiktion durchzuführen. Letztlich wird das im Projekt SiBops eingesetzte SWFramework weiterentwickelt und dort die MPR sowie das BAS implementiert und getestet.
Das Projekt "Teilvorhaben: Operative Betriebsassistenz für Solarthermische Kraftwerke" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von LeiKon GmbH durchgeführt. Ziel des Projekts ist es, den transienten Betrieb von Solarthermischen Turmkraftwerken mit Flüssigsalz als Wärmeträgermedium mit Hilfe von modellbasierten Regelungs- und Betriebsführungsmethoden zu verbessern. Dazu sollen für den Betrieb des befüllten Receivers eine Modellprädiktive Regelung (MPR) und für den Betrieb des Übergangs zwischen unbefülltem und befülltem Receiver ein Betriebsassistenzsystem (BAS) eingesetzt werden. In dem hier beschriebenen Teilvorhaben sollen, basierend auf methodischen Arbeiten der Partner DLR, SIJ und der RWTH Aachen, Betriebsassistenzfunktionen und deren prototypische Umsetzung entweder an einer realen Anlage oder auf Basis einer Emulation des Systemverhaltens eines Salzturmkraftwerks entwickelt werden. Die prototypische Umsetzung soll unter Beachtung industrieller Anforderungen an die Prozessstabilität, Systemrobustheit und an die Usability von Benutzeroberflächen erfolgen. Das Betriebsassistenzsystem soll zukunftsgerichtet unter Beachtung von Methoden und Kernkonzepten einer Industrie 4.0 Systemarchitektur entwickelt werden.
Das Projekt "Teilvorhaben: Integration des Streifenkollektors in Fassaden mit WDVS und deren Realisierung in Demonstratoren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Amphibolin-Werke von Robert Murjahn Stiftung & Co. KG durchgeführt. Ein großes Problem für eine erfolgreiche solarthermische, architektonisch hochwertige Fassadenintegration ist die mangelnde Flexibilität der marktüblichen Kollektoren. Oft muss auf kostspielige individuell gefertigte Lösungen zurückgegriffen werden. Für die Hersteller wiederum stellt die individuell zu fertigende Hydraulik ein Hindernis dar. Ziel dieses Projekts ist es, zwei flexibel einsetzbare Fassadenkollektoren zu entwickeln, die Heat-Pipes zur Wärmeübertragung zwischen Absorber und Sammelkanal einsetzen. Die Verwendung von Heat-Pipes ermöglicht eine einfache Fertigung und Verschaltung unterschiedlich langer Kollektorstränge, womit die Kollektoren optimal an die Bedürfnisse der Architekten bzw. der Lochfassaden von Bestandsgebäuden angepasst werden können. Innerhalb des Projektes soll ein modularer Aufbau mit trockener Anbindung der Heat-Pipes an den Sammelkanal realisiert werden, der eine einfache Installation und somit reduzierte Installationskosten ermöglicht. DAW ist hierbei für die Gestaltung, Integration und den Bauablauf der neuen Fassadenelemente zuständig. Dabei kann auf vorhandene Prozessen zurückgegriffen werden. Im Rahmen der Arbeiten werden außerdem Kleinprüfkörper sowie eine Testwand hergestellt und getestet sowie ein Großdemonstrator aufgebaut.
Das Projekt "Teilvorhaben: Projektleitung, Entwicklung der Teilkomponenten und Simulation" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme durchgeführt. Ein großes Problem für eine erfolgreiche solarthermische, architektonisch hochwertige Fassadenintegration ist die mangelnde Flexibilität der Hersteller. Oft muss auf kostspielige individuell gefertigte Lösungen zurückgegriffen werden. Für die Hersteller wiederum stellt die individuell zu fertigende Hydraulik ein Hindernis dar. Ziel dieses Projekts ist es, zwei flexibel einsetzbare Fassadenkollektoren zu entwickeln, die Heat-Pipes zur Wärmeübertragung zwischen Absorber und Sammelkanal einsetzen. Die Verwendung von Heat-Pipes ermöglicht eine einfache Fertigung und Verschaltung unterschiedlich langer Kollektorstränge, womit die Kollektoren optimal an die Bedürfnisse der Architekten bzw. der Lochfassaden von Bestandsgebäuden angepasst werden können. Der modulare Aufbau und die trockene Anbindung der Heat-Pipes an den Sammelkanal ermöglichen zudem eine einfache Installation und somit reduzierte Installationskosten. Die erste Produktidee besteht aus streifenförmigen Kollektoren beliebiger Länge, die sich flexibel anbringen lassen. Die beliebig großen Zwischenräume können vom Architekten frei anderweitig gefüllt werden. Die zweite Produktidee ist eine solarthermische Jalousie, die neben weiteren Vorteilen erstmals ein schaltbares Energiemanagement ermöglicht.
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