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Die magische Rolle von Hochtemperatur-Nickellegierungen und Edelstahl bei der konzentrierten Solarstromerzeugung

Nickelbasislegierungen und nickelhaltiger Edelstahl spielen eine Schlüsselrolle in einer neuen Art erneuerbarer Energie namens solarthermische Stromerzeugung oder konzentrierte Solarenergie (CSP). Der Einsatz dieser Materialien ermöglicht es der Industrie, die Schwierigkeiten im Bereich der Wärmeübertragungs- und Wärmespeichertechnologie zu überwinden und hilft bei Projekten mit einer Auslegungslebensdauer von 40 Jahren oder mehr, Materialdegradation oder Ersatzkosten zu reduzieren.

Die magische Rolle von Hochtemperatur-Nickellegierungen und Edelstahl bei der konzentrierten Solarstromerzeugung

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEO 2017) wird der Verbrauch erneuerbarer Energien (einschließlich CSP) von 2015 bis 2040 jährlich um 2.3 % wachsen. Derzeit gibt es weltweit mehr als 40 solarthermische Kraftwerke, über 20 solcher Kraftwerke befinden sich in Planung oder Bau. Sie befinden sich in der Regel in Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung, wie Spanien, Indien, Südafrika, China, Chile, Australien, Naher Osten und Nordafrika (MENA) und im Süden der USA.

Bereits in den 1980er Jahren wurde das Modellkraftwerk CSP in Betrieb genommen. Seitdem wurden große Fortschritte bei der Energiegewinnung und -speicherung gemacht. Der Solarturm ist eine neu entwickelte Konzentrationstechnologie, bei der als Wärmeträger flüssiges Salz verwendet wird. Die Schmelztemperatur der Nitratmischung beträgt im Allgemeinen 130 °C (268 °F) oder mehr. Sie bleiben in einem isolierten Lagertank bei einer Temperatur von 288°C (550°F) flüssig. Das flüssige Salz wird dann durch Rohre in den Solarreceiver gepumpt und unter Einwirkung konzentrierter Strahlung auf Temperaturen von bis zu 566 °C (1,050 °F) erhitzt. Die Hochtemperaturflüssigkeit wird dann in den Hochtemperaturspeichertank geleitet. Der Hochtemperaturspeicher ist zudem isoliert und kann lange Wärme speichern.

Thermische elektrische Energiespeicher (TES) werden verwendet, um Änderungen der Nachfrage und der Umgebungsbedingungen zu kompensieren. In den Dampferzeuger wird geschmolzenes Salz gepumpt, um bei Bedarf Dampf zum Antrieb konventioneller Turbinen und Generatoren zu erzeugen. Verglichen mit anderen großen erneuerbaren Energiequellen hat TES einzigartige Vorteile. In einigen Fällen wird nicht einmal Ersatzbrennstoff für die Stromerzeugung benötigt. Im Sommer 2013 erzeugte eine Schmelzsalzturmanlage in Spanien 24 Tage lang 36 Stunden am Tag kontinuierlich Strom – das erste Mal in der Geschichte.

Crescent Sand Dune ist ein solches Kraftwerk in Betrieb. Es befindet sich in Tonopah in der Wüste nördlich von Las Vegas, Nevada, mit einer Nettostromerzeugung von 110 MW und einer TES-Zeit von 10 Stunden. Das bedeutet, dass das Kraftwerk bei Spitzenlast bis zu 10 Stunden Strom bei Volllast erzeugen kann. Mehr als 10,000 Heliostaten reflektieren Sonnenlicht und konzentrieren die Energie auf einen Empfänger auf einem 200 Meter hohen Turm. Jeder Heliostat besteht aus einem kleinen Spiegel mit einer Gesamtfläche von 640 Quadratmetern. Die gesamte Lichtsammelfläche beträgt mehr als 115.7 Millionen Quadratmeter (1,245 Millionen Quadratfuß). Seit seiner kommerziellen Anwendung im Jahr 1.2 hat Crescent Dune mehr als 12 Gigawatt Strom erzeugt, was schätzungsweise den Spitzenstrombedarf von 2015 Haushalten decken kann. Der Solarturm und das Schmelzsalz-CSP wurden zur Konstruktionsgrundlage für neue geplante Projekte in Südafrika, Australien und Nevada. Das 173-MW-Projekt Redstone in Südafrika wird den Spitzenstrombedarf von etwa 75,000 Haushalten mit einer TES-Zeit von 100 Stunden decken. Ein neues Großprojekt in Nevada verfügt über 200,000 Solartürme mit einer Erzeugungskapazität von 12 Gigawatt (10 Megawatt).

Der Einsatz von Edelstahl und Nickellegierungen hat Hochtemperaturanlagen möglich gemacht, während in der Vergangenheit der Betrieb mit Salzschmelze ein großes Problem war. Designer und Ingenieure begannen, Nickelbasislegierungen wie UNS N06617, N06625 und N06230 für die Herstellung von Aufnahmerohren zu verwenden, da sie die Hochtemperaturfestigkeit über einen langen Zeitraum aufrechterhalten müssen – diese Eigenschaft wird als Kriechfestigkeit bezeichnet. Diese Legierungen können hauptsächlich aufgrund ihres hohen Nickelgehalts und ihrer Oxidationsbeständigkeit bei der Arbeitstemperatur stabil bleiben. Edelstahl Typ 347H (S34709) wird für Hochtemperatur-Lagertanks verwendet.

Im Jahr 2016 erreichte die weltweit installierte Gesamtkapazität von CSP 4,815 MW. Im Jahr 2017 betrug die in Betrieb genommene installierte Leistung Spaniens 2,300 MW, was fast der Hälfte der weltweiten Gesamtleistung entspricht. Die Vereinigten Staaten haben eine installierte Leistung von 1,740 MW und verfügen über zwei der weltweit größten Projekte: das Ivanpah Solar Power Station (392 MW) und das Mojave Solar Project (354 MW).

Crescent Dune liegt in der Wüste nördlich von Las Vegas, Nevada, mit einer Nettostromerzeugung von 110 MW und einer TES-Zeit von 10 Stunden. Das bedeutet, dass das Kraftwerk bei Spitzenlast bis zu 10 Stunden Strom bei Volllast erzeugen kann.

Solarturm-Konzentrationstechnologie

  • 1. Die Sonne wird von einem großen Heliostat gesammelt und auf den Empfänger auf der Spitze des 195 Meter hohen Turms reflektiert;
  • 2. Das flüssige Salz aus dem kalten Salztank wird in den Auffangbehälter gepumpt und auf 566°C (1050°F) erhitzt;
  • 3. Das Heizsalz im Receiver wird in einem heißen Salztank gespeichert;
  • 4. Das heiße Salz wird durch den Dampferzeuger in den Heißsalztank gepumpt, um Dampf zu bilden, wodurch die Dampfturbine zur Stromerzeugung angetrieben wird;
  • 5.288℃ (550℉) kaltes Salz fließt zurück in den Kaltsalztank;
  • 6. Der kondensierte Dampf aus der Dampfturbine wird wiederholt recycelt.

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