Mehr Effizienz für Solarthermische Kraftwerke dank neuem Simulationstool von BASF

Erneuerbare Energien liefern einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz. Insbesondere Solarenergie hat hier eine große Bedeutung: ihre Verbreitung hat in den vergangenen Jahren durch Photovoltaik zugenommen, Bislang bietet diese Technologie jedoch keine effiziente Speichermöglichkeit. Eine Alternativ ist die Energieerzeugung in Solarthermischen Kraftwerken (Concentrated Solar Power, CSP), denn hier wird Wärme gespeichert und auch ohne Sonneneinstrahlung Strom erzeugt. Trotz Fortschritten in dieser Technologie sind die Investitionskosten für den Bau einer CSP-Anlage immer noch sehr hoch. Umso entscheidender ist es, die Kraftwerke inklusive der Wärmespeicher so effizient, wirtschaftlich und lange wie möglich zu betreiben. BASF hat eine neue Software entwickelt, um bei den Herausforderungen in diesem Bereich zu helfen. Das Simulationstool konzentriert sich auf die Stabilität des Speichermediums (d.h. der Salzschmelze), einschließlich der Simulation von Gasemissionen, Gerätekorrosion und der Schätzung der Lebensdauer der Anlage.

Für die CSP-Industrie spielt BASF eine zentrale Rolle: Der deutsche Chemiekonzern stellt anorganische Salze her, die in den Sonnenwärmekraftwerken als Speichermedium dienen. So ist das Unternehmen beim derzeit größten Solarprojekt Noor Energy 1 in Dubai ein Lieferant für Natriumnitrat. Als langjähriger Salzproduzent hat sich die BASF durch intensive Forschung Know-how angeeignet und kann mit diesem Wissen die Planung, den Bau und den Betrieb von CSP-Anlagen unterstützen. „BASF hat sich in den letzten Jahren intensiv mit den chemischen Reaktionen und Gleichgewichten der Salzschmelzen bei hohen Temperaturen beschäftigt. Dieses Wissen haben wir nun in einer Software gebündelt, um es der CSP-Industrie zur Verfügung stellen zu können“, sagt Christian Schütz, Research Engineer in der Prozessentwicklung von BASF. „Wir kennen uns mit Salzchemie im Temperaturbereich über 400 Grad Celsius durch umfangreiche Forschungen sehr gut aus.“ Dies ist insbesondere für CSP-Turmanlagen, die mit bis zu 565 Grad Celsius betrieben werden, von großer Bedeutung.

Eine Herausforderung sind dabei die hohen Temperaturen in den CSP-Kraftwerken: Auf über 400 Grad Celsius wird das Salz mit Hilfe stark gebündelter Sonnenstrahlung aufgeheizt und gibt dann die Wärmeenergie bei Bedarf über einen Dampferzeuger wieder ab. Der Vorteil der hohen Temperaturen: Das Salz kann bei gleichem Volumen mehr Energie aufnehmen, außerdem steigt mit der Temperatur auch der Wirkungsgrad des Kreislaufprozesses bei der Dampfverstromung. Das bedeutet, je höher die Temperatur, desto mehr Wärme wird gespeichert und desto mehr Energie wird erzeugt. „Allerdings zeigen sich oberhalb von 400 Grad verschiedene Reaktionen im Salz“, erklärt Schütz. Beispielsweise verschiebt sich das Gleichgewicht von Natriumnitrat und Natriumnitrit, da einzelne Bestandteile des Salzes bei höheren Temperaturen zersetzt und dadurch verschiedene Gase frei werden. Die Freisetzung von Gasen führt zu einem Salzverlust. „Dies ist besonders beim ersten Aufheizprozess der Anlage und dem Beginn der Salzschmelze zu beobachten, hier entsteht für den Anlagenbetreiber der größte Massenverlust.“ Dieser Masseverlust muss regelmäßig aufgefüllt werden, wenn dem nicht entgegengewirkt wird.

Das neue Simulationstool von BASF bietet die Möglichkeit, den Masseverlust vorherzusagen und ihm – durch Anpassen der Parameter wie Temperatur oder Additive – entgegenzuwirken. „Das haben wir über Gleichungen genauestens berechnet“, sagt Schütz. Nicht weniger als sechs Jahre Forschungsarbeit sind ihm zufolge in die Software eingeflossen. So wurde durchgespielt, wie sich das Salzgemisch unter verschiedensten Temperatur- oder Druckbedingungen verhält und wie sich das ständige Aufheizen und Herunterkühlen auf die Langzeitstabilität auswirkt. Diese Langzeitveränderungen, also wie das Salz über die Jahre „altert“, lässt sich mit Hilfe der Software ebenfalls simulieren. Eine weitere Funktion ist die Berechnung der Korrosionsrate in den einzelnen Kraftwerkskomponenten, denn das Salz greift bei hohen Temperaturen das Metall an. Da die Korrosionsrate einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer der Anlage hat, kann das Tool auch verwendet werden, um Aussagen zur voraussichtlichen Lebensdauer der Anlage bereitzustellen. Mit dem Tool haben die Betreiber also den Verschleiß und die Wirtschaftlichkeit ihres Kraftwerks hinsichtlich des Salzkreislaufes selbst im Blick – und in der Hand: Für jedes einzelne Modul des Kraftwerks sind im Programm voreingestellte Parameter hinterlegt, die individuell auf einzelne Kraftwerke angepasst werden können. „Unser Simulationstool soll dabei helfen, die Salzstabilität so zu steuern, dass die Anlage effizient und möglichst lange laufen“, betont Erik Wiegert, Digitalexperte im Bereich Inorganics bei BASF.

Die Software ist ab sofort als voll funktionsfähiger Prototyp erhältlich. Bei entsprechendem Interesse seitens der Branche will BASF dem Programm später weitere Funktionen hinzufügen und zusätzlich zu Ihrem Salzgeschäft vermarkten. Mehrwert biete das Tool nicht nur bei bereits in Betrieb befindlichen Anlagen, es könne auch genutzt werden, um ein neues Kraftwerk optimal zu konstruieren, sagt Erik Wiegert. „Über das Tool geben wir unser Know-how in Sachen Salz an die Betreiber weiter.“