Projekt 26868/01

Fresnel-Kollektor zur Dampferzeugung für industrielle Prozesswärme

Projektdurchführung

PSE AG
Emmy-Noether-Str. 2
79110 Freiburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel dieses Projekts war es, solare Direktverdampfung in einem linearen Fresnel-Kollektor bei niedrigen Drücken für Prozessdampfanwendungen zu testen, ggf. notwendige Systemkomponenten zu identifizieren und Regelstrategien zu entwickeln. Die bisher verwirklichten Prozesswärmekollektoren der PSE AG wurden allesamt zur Druckwassererwärmung genutzt. Viele Prozesswärmesysteme in der Industrie verwenden jedoch Dampfnetze zur Verteilung der Wärme von einem zentralen Kessel an die einzelnen Prozessschritte. Die Möglichkeit solar erzeugten Dampf in ein Dampfnetz einzuspeisen erweitert daher nicht nur die Zahl möglicher industrieller Prozesswärmeanwendungen für den Fresnelkollektor, sondern senkt gleichzeitig die Investitionshürden für die Nachrüstung bereits bestehender Prozessdampfanlagen mit Solarkollektoren.
Zusätzlich sollte in diesem Projekt die Kollektortechnologie weiterentwickelt werden. So sollte für die Produktion eine Qualitätskontrolle entwickelt werden sowie die Spiegelnachführung sowohl im Antrieb als auch in der Sensorik verbessert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Laufe des Projekts wurde zunächst im Rahmen einer Diplomarbeit die Auslegung einer Testanlage zur solaren Direktverdampfung vorgenommen und mögliche Betriebspunkte einer solchen Anlage berechnet. Notwendige Systemkomponenten (Dampfabscheider, Teilentleerung, Überströmventil, Dampfmassenstrommessung, Verdränger im Absorberrohr, kontinuierliche Einspeisung) wurden identifiziert.
Auf Grundlage der daran anschließenden Detailauslegung wurde eine Demoanlage mit einem linearen Fresnelkollektor (Aperturfläche 132m²), die sowohl für Direktverdampfung als auch zur Druckwassererwärmung genutzt werden kann, in Freiburg-Hochdorf geplant und aufgebaut.
Nach Fertigstellung wurden Tests bei unterschiedlichen Betriebsdrücken bzw. -temperaturen durchgeführt und die Ergebnisse interpretiert.

Für die Qualitätskontrolle in der Produktion der Primärspiegel wurde ein Prüfstand entwickelt und erfolgreich in der Produktion zweier Kollektoren zur stichprobenhaften Qualitätskontrolle eingesetzt.
Solarsensoren wurden zur Überprüfung der Wärmebelastung mit Temperatursensoren ausgestattet und damit im Betrieb dauerhaft überwacht. Gleichzeitig wurde mit Lichtwellenleitern ein alternatives Sensorkonzept zur Kalibrierung der Antriebe eingebaut.
Zur Verbesserung des Antriebskonzepts wurde ein Antrieb mit integrierter Neigungsmessung im Betrieb getestet. Die Winkelmessung wurde auf CAN-Bus umgestellt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Auslegung der Anlage, die Berechnung der Betriebspunkte sowie die Identifizierung und Detailauslegung der notwendigen Systemkomponenten konnte im Führjahr 2009 abgeschlossen werden. Neben einer Dampftrommel mit integriertem Lamellenabscheider und einem Verdränger im Absorberrohr zur Vermeidung kritischer Schichtströmungen wurden ein Überströmventil zur Einstellung des Betriebsdrucks, ein Magnetventil zur Teilentleerung der Trommel bei einsetzender Verdampfung, ein Messgerät zur Messung des Dampfmassenstroms, eine Speisepumpe, die mittels FU bei kleinen Volumenströmen und großen Druckdifferenzen regelbar ist, sowie zusätzliche Temperatur- und Drucksensoren benötigt.
Nach Verzögerungen in der Planung, die insbesondere durch den Ausstieg des Kooperationspartners IMTECH verursacht worden war, wurde der Bau der Anlage im Frühjahr und Sommer 2009 vorgenommen, so dass der erste solar erzeugte Dampf im Oktober 2009 gesehen werden konnte. Messungen bei unterschiedlichen Betriebsdrücken wurden seither durchgeführt.
Die Solarsensoren, die zur Kalibrierung der Antriebe eingesetzt werden, wurden mit Temperatursensoren ausgestattet, so dass die Temperaturbelastung bei konzentrierter Bestrahlung im Betrieb nachvollzogen werden kann. Gleichzeitig kamen erstmals Lichtwellenleiter als alternatives Sensorkonzept zum Einsatz. Im Antrieb wurde ein Antrieb mit integrierter Winkelmessung getestet und die bisherigen Potentiometer auf CAN-Bus umgestellt.
Die Qualität bei der Produktion der Primärspiegel ist entscheidend für die Effizienz des linearen Fresnel-Kollektors. Zur Bestimmung der Qualität wurde ein Prüfstand aufgebaut und die Software zur Auswertung der Messung entwickelt. Dieser Prüfstand wurde 2009 bei der Produktion zweier Kollektoren stichprobenhaft eingesetzt.


Fazit

Mit der Direktverdampfung als Alternative zu Druckwasser und Thermoöl steigt für den Fresnel Prozesswärmekollektor die Zahl möglicher Anwendungen und damit auch Kunden. Da die Auslegung und Regelung eines solaren Systems zur Direktverdampfung jedoch ungleich komplexer und im Druckbereich unter 30 bar kaum erforscht ist, war es notwendig, eine Demoanlage zu bauen und daran Tests durchzuführen.
In diesem Projekt konnten erste wertvolle Erfahrungen im Betrieb mit Direktverdampfung bei niedrigen Drücken gesammelt werden. Auch in den Bereichen Antrieb, Sensorik und Produktion konnten deutliche Fortschritte erzielt werden.