Solarbetriebenes Erzeugungssystem zur Rückgewinnung von Kälteenergie für Strom und Wärme
Der stetig steigende Strombedarf, die immer knapper werdenden fossilen Brennstoffreserven sowie Umweltprobleme haben den Umstieg auf erneuerbare Energiequellen in Gang gesetzt. Eines der größten Probleme mit Technologien für erneuerbare Energien, wie z. B. der Solarenergie, besteht jedoch darin, dass die Energie nur zu Zeiten des Sonnenscheins erzeugt wird. Nachts und bei bedecktem Himmel kann die Versorgung unterbrochen werden. Außerdem hat die solare Strahlungsenergie eine geringe Energiedichte, sodass für ihre Nutzung in der Praxis großflächige Solarkollektoren erforderlich sind.
Integriertes System zur Lösung von Problemen hinsichtlich Intermittenz und Effizienz
Parabolrinnen, eine Art von solarthermischen Kollektoren, gehören heute zu den kostengünstigsten Anlagen zur Stromerzeugung aus Sonneneinstrahlung. Sie können effektiv Nutzwärme bei Temperaturen zwischen 50 und 400 Grad Celsius abgeben. Diese thermische Energie kann mit einem der vielseitigsten und effizientesten Leistungszyklen in Strom umgewandelt werden: dem Rankine-Kreislauf mit organischem Fluidum (organic Rankine cycle, ORC). Dieser geschlossene thermodynamische Kreislauf bietet in Verbindung mit solaren Parabolrinnen und thermischen Energiespeichern die nötige Flexibilität, um den wechselhaften Charakter der Solarenergie auszugleichen. „Im Rahmen des Projekts SO-LNG-ORC haben wir die optimale Auslegung und den Betrieb eines ORC-Systems in Kombination mit solarthermischen Kollektoren und sensiblen Wärmespeichern untersucht, um die Schwankungen der Solarenergie abzufedern“, erklärt Haoshui Yu, ein an SO-LNG-ORC beteiligter Forscher. Das Projekt wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert. „Wir haben ein integriertes ORC-System konzipiert, das sowohl Solarenergie als auch in Flüssigerdgas gespeicherte Kälteenergie nutzt. Kryogene Wärmesenken wie Flüssigerdgas können die ORC-Effizienz weiter verbessern, indem sie die kalte Energie nutzen, die sonst bei der Wiederverdampfung verschwendet wird", erläutert Yu.
Rationalisierung der Systemleistung durch Simulationen
Die Forschungsgruppe führte Simulationen durch, um das optimale Design des Zwei-Tank-Wärmespeichersystems und die am besten geeigneten Temperaturen der Wärme- und Kältespeicher zu ermitteln. Darüber hinaus untersuchten sie die optimalen Massenströmungsraten der Wärmeträgerflüssigkeit, die sowohl die Temperatur der zirkulierenden Flüssigkeit als auch die vom solarthermischen Kollektor absorbierte Wärme bestimmen. Es wurden auch Tests durchgeführt, um die Wärmeträgerflüssigkeiten zu identifizieren, die für die Kälterückgewinnung aus Flüssigerdgas am besten geeignet sind. „Wenn das ORC-System gleichzeitig Solarenergie und kalte Energie aus Flüssigerdgas nutzt, kann sich die optimale Wärmeträgerflüssigkeit der beiden unterscheiden. Zudem kann die Systemkonfiguration komplizierter werden und Kaskaden- oder Parallelzyklen beinhalten“, bemerkt Yu. Das mit Solarenergie betriebene ORC-System erzeugt rund um die Uhr eine stabile Stromleistung. „Durch simulationsbasierte Optimierung konnte der Systemwirkungsgrad des vorgeschlagenen ORC-Kraftwerks mit Toluol als Wärmeträgerflüssigkeit von 17,9 % auf 24,8 % gesteigert werden“, so Yu. Die ORC-Anlage, die Abwärme (kalte Energie) zurückgewinnt, zeigte eine bessere Leistung als die standardmäßige ORC-Anlage. „Wir waren die Ersten, die die Synergie zwischen einer ORC-Anlage mit Solarenergie und in Erdflüssiggas gespeicherter kalter Energie analysiert haben“, betont Yu. „Die Projektergebnisse werden den Weg für Energiesysteme ebnen, die hocheffizient und rentabel sind, dabei aber ein geringes Risiko darstellen und die Umwelt nur geringfügig belasten.“ Das vorgeschlagene System wird in dem Artikel „Optimal design and operation of an Organic Rankine Cycle (ORC) system driven by solar energy with sensible thermal energy storage“ beschrieben, der in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Energy Conversion and Management“ veröffentlicht wurde. Darüber hinaus wurden im Konferenzbeitrag aus dem Jahr 2021 unter dem Titel „Performance comparison of organic Rankine cycle (ORC) and CO2 cycle for simultaneous utilization of liquefied natural gas (LNG) cold energy and solar energy“ die Leistungen des Rankine-Kreislauf mit organischem Fluidum und die des CO2-Kreislaufs bei der Nutzung von Kälteenergie aus Flüssigerdgas und Solarenergie verglichen.
Schlüsselbegriffe
SO-LNG-ORC, Flüssigerdgas, Kälteenergie, Solarenergie, Wärmeträgerflüssigkeit, Elektrizität, Intermittenz, Rankine-Kreislauf mit organischem Fluidum
