Beschreibung

Konzentrierende Solarkraftwerke (Concentrated Solar Power, CSP) können im 21. Jahrhundert eine wichtige Rolle hinsichtlich des Energiemixes zur Versorgung mit elektrischer Energie spielen. Leider haben die Stromgestehungskosten für CSP’s noch nicht den erwarteten Zielwert erreicht - abgesehen von einigen Anlagen in besonders guter Lage.

Viele der heute durchgeführten Forschungsprojekte haben daher die Wirkungsgradsteigerung der Kraftwerksanlage zum Ziel, um damit gleichzeitig die Stromgestehungskosten der superkritischen CO₂-Anlagen zu verringern. Trotzdem bleiben die relativ hohen Umgebungstemperaturen an Orten hoher Sonnenstrahlung die Schwachstelle von superkritischen CO₂-Systemen. Die Ursache dafür ist die starke Wirkungsgradreduktion, wenn die Umgebungstemperatur gleich oder höher als die kritische Temperatur von reinem CO₂ (31°C) ist, weil der Rankine-Kondensationsprozess mit seinem, gegenüber dem geschlossenen Gasturbinenprozess, höheren Wirkungsgrad nicht realisiert werden kann. Der beschriebene Zusammenhang stellt für die Kommerzialisierung rankinebasierter CSP-Anlagen eine kritische Hürde dar, die unter Anwendung der Standardtechnologie kaum gelöst werden kann.

Um dieses Problem zu lösen, beschäftigt sich das vorliegende Projekt mit einem modifizierten Arbeitsmedium, d. h. dass das CO₂ mit entsprechend geeigneten Additiven vermengt wird, um die Kondensationstemperatur auf 60°C anzuheben. Gleichzeitig müssen die Mischungen bei den höchsten Kreisprozesstemperaturen thermisch stabil sein. Diese Entwicklung kann den Durchbruch für den Einsatz der CSP-Technologie bedeuten, weil sich der elektrische Wirkungsgrad von den derzeit erreichbaren 42 % auf mehr als 50% steigern lässt, womit eine starke Reduktion der Stromgestehungskosten einhergeht.

Zwei Forschungsschwerpunkte kennzeichnen dieses Projekt: Der erste beschäftigt sich mit dem Auffinden des optimalen Additives, wodurch sich die Abmessungen des Kraftwerksblocks reduzieren und der Wirkungsgrad steigt. Der zweite Punkt betrifft die Entwicklung entsprechender Wärmetauscher – im Besonderen des Air-Cooled-Condensers, um das innovative Arbeitsmedium im Kraftwerksprozess bestmöglich einsetzen zu können. Beide Beiträge führen zu einer signifikanten Abnahme von CAPEX und OPEX im Vergleich zu konventionellen CSP-Technologien.

Ziele

Das Projekt hat die Entwicklung und Demonstration eines innovativen Kraftwerksprozesses mit CO₂-Additivmischungen für CSP-Anwendungen zum Ziel. Höhere Wirkungsgrade unter Einsatz der Mischungen erlauben die Verwendung des Rankine-Kondensationsprozesses und  aus den höheren Wirkungsgraden resultieren bei gegebener Leistung kleinere Maschinen und damit niedrigere Kosten.

Im SCARABEUS-Projekt soll die Anwendung von CO₂-Additiv-Mischungen demonstriert werden, um CAPEX um 30% und OPEX um 35% zu reduzieren. Das innovative Arbeitsmedium und die neu entwickelten Wärmetauscher (300 kW_th) werden im Rahmen des Projektes für 300h in einer CSP-ähnlichen Umgebung getestet.