Ultimate Trough Test Loop

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Aufgabenstellung

Im Gegensatz zu fast allen anderen Erneuerbaren Energie Systemen wie Wind und Photovoltaik liefern Solarthermische Kraftwerke speicherbare regenerative Energie rund um die Uhr und sollen das Potential Solarenergie zu rentablen Kosten zum benötigten Zeitpunkt zu liefern. Ziel des Vorhabens „Ultimate Trough“ war die Entwicklung eines Designs und die Umsetzung für eine neue kostengünstigere Generation von Parabolrinnenkollektoren zur solaren Stromerzeugung. Der neue Kollektor sollte alle technischen und wirtschaftlichen Anforderungen für den Einsatz in Solarfeldern für thermische Kraftwerke mit einer Leistungskapazität von 250 Megawatt elektrischer Leistung und darüber hinaus erfüllen. Er sollte, im Vergleich zu dem momentanen Standard-Parabolrinnenkollektor, dem Eurotrough, um 25 Prozent kosteneffizienter sein durch Senkung der spezifischen Kosten (Euro/m²) und Steigerung der Leistung. Ein Loop bestehend aus zwei Kollektoreinheiten (SCAs) à 240 m Einzellänge sollte in ein Kraftwerk in Kalifornien integriert werden. Ziel des Projektes ist der Nachweis der geplanten Fertigungsund Montageverfahren sowie deren erwarteten Kosten. Die Messung der Leistungsfähigkeit unter Kraftwerksbedingungen soll die Planungssicherheit für anstehende Kraftwerksprojekte erhöhen.

Lösungsweg

Die reflektierende Oberfläche einer einachsig parabolisch gekrümmten Spiegelfläche konzentriert das Sonnenlicht auf ein entlang der Brennlinie des Spiegels angebrachtes Absorberrohr. Eine Kollektoreinheit wird im Verlauf eines Tages um seine Längsachse rotiert und so der Sonne nachgeführt.

Die horizontalen Windbelastungen gekoppelt mit den extrem geringen zulässigen Verformungen sind für den Entwurf einer geeigneten Kollektorstruktur maßgeblich. Als torsionssteife Tragstruktur wurde ein aufgelöster Kastenquerschnitt mit Abmessungen von etwa 1,85 x 1,85 m und einer Länge von 24 m gewählt. Dieser Kasten wird aus vier Fachwerkscheiben aus Winkelprofilen gebildet, die jeweils an den Gurten kraftschlüssig verbunden sind. Die Aussteifung des Querschnitts wird über Diagonalstäbe und Endschotte erzielt. An den Kastenseitenwänden sind auf jeder Seite 24 auskragende Fachwerkarme aus Hohlprofilen vorhanden, die die Auflagerpunkte für die 48 ca. 2,0 x 2.0 m großen Spiegel bilden.

Glas und Stahl sind die hauptsächlichen Baustoffe für den Ultimate Trough Kollektor. In kommerziellen Kraftwerken kommen mehrere tausend Tonnen Stahl zum Einsatz. Dabei hat ein zurzeit typisches Kraftwerk eine elektrische Leistung von 50 MW und einen thermischen Speicher zum unterbrechungsfreien Betrieb von bis zu acht Stunden nach Sonnenuntergang. Für die Kosten des Kollektors ist die Wahl der verwendeten Stahlprofile von großer Bedeutung. Mit der Maßgabe einen Kollektor zu entwickeln, der kosteneffizient und weltweit fertigbar ist, wurden daher global käufliche Standardprofile in Standardgüten (z.B.: Walzprofile und Hohlprofile der Güte S235) mit normalen Fertigungstoleranzen gewählt. Die Herstellung der Stahlstrukturen ist bezüglich der Fertigungsmethoden anpassbar auf die lokalen Möglichkeiten. Vollautomatische roboterunterstützte Fertigung oder einfache manueller Fertigung – durch diese Flexibilität lässt sich das Wertschöpfungspotential im Aufstellungsland maximieren.

Durch die Verwendung hochpräziser Montagevorrichtungen können trotz geringer Toleranzanforderungen an die einzelnen Stahlbauteile die hohen geometrischen Anforderungen erreicht werden. Eine neue Fügetechnik, welche ohne Verbindungsmittel auskommt, erleichtert zusätzlich die Montage der Bauteile. Erstmalig wird beim Ultimate Trough die Clinching-Technolgie zum Fügen der Konzentratorteile verwendet. Bei dieser Fügetechnik aus dem Serienautomobilbau werden Bleche durch lokales Kaltverformen durch einen Stempel mit Matrize kraft- und formschlüssig verbunden.

Um eine signifikante Kostenreduktion für die Kollektorkonstruktion zu erreichen, wurde eine erhebliche Vergrößerung der Einzelkollektoren geplant. Der Kostenvorteil entsteht durch Reduzierung der Gesamtzahl der Kollektoren und aller damit verbundenen Kraftwerkskomponenten. Der Ultimate Trough ist damit derzeit der weltweit größte Parabolrinnenkollektor.

Parallel mit der Vergrößerung gehen überproportionale Laststeigerungen auf den Kollektor einher. Um zu einem hocheffizienten Materialeinsatz zu kommen, wurden im Windkanal Möglichkeiten zur Reduktionen der Windlasten untersucht. Der Ultimate Trough besitzt daher erstmalig keine geschlossene Spiegeloberfläche, sondern hat Druckentlastungsschlitze in Längsrichtung, die die Windlasten um bis zu 30% reduzieren.

Weiterhin wurde die Fixierung der Spiegel modifiziert, um Toleranzen des Stahlbaus auszugleichen. Ein dreidimensionaler Toleranzausgleich in einer Klebefügestelle ermöglicht eine präzisere Parabolform als bisher, und damit einen sehr hohen optischen Wirkungsgrad.

Die besondere Ingenieurleistung liegt im integralen Ansatz der Konstruktionsoptimierung. Werden zum Beispiel die Kosten des Kollektors isoliert optimiert, führt dies zu kleinen Kollektorkonzepten, wie von anderen Entwicklern verfolgt. Wird, wie hier, ein integraler techno-ökonomischer Ansatz gewählt, der interdisziplinär alle Kostenfaktoren und Kraftwerksprozesse des Solarkraftwerks berücksichtigt, so liegt das Optimum bei großen Kollektorkonzepten, denn die etwas höheren Kollektorkosten werden durch erhebliche Einsparungen in anderen Bereichen überkompensiert. Bei der Entwicklung des Ultimate Trough wurden von Anfang an die Auswirkungen auf den Kraftwerkswirkungsgrad sowie die Kosten für zum Beispiel Verkabelung, Fundamente, Montage, Betrieb und Wartung usw. verfolgt, und die Auswirkung direkt auf die Stromgestehungskosten berücksichtigt.

Dieser interdisziplinäre und integrale Ansatz kann nur auf Basis langjähriger Erfahrung und einer breiten personellen interdisziplinären Aufstellung in allen Ingenieurdisziplinen gelingen. Der angewandte Ansatz zur Entwicklung von Solarkollektoren erfordert Erfahrung und Wissen unter anderem im Bauwesen, Maschinenbau und Automobilbau.

Zusammenfassung

Weltweit wird der Durchbruch der solaren Kraftwerkstechnologien behindert durch die immer noch zu hohen Stromgestehungskosten und die unzuverlässige zeitliche Verfügbarkeit im Vergleich zur Verfügbarkeit fossiler Energieträger.

Solarthermische Kraftwerke wie Parabolrinnenkraftwerke eliminieren diesen Nachteil durch die Möglichkeit speicherbare Energie ohne Preisaufschlag der Stromgestehungskosten zur Verfügung stellen zu können. Somit sichern solarthermische Kraftwerke im Gegensatz zu fast allen anderen erneuerbaren Energiesystemen die Versorgungssicherheit.

Die Entwicklung des Ultimate Trough setzt an beiden Punkten an und ermöglicht durch seinen integralen Optimierungsansatz einen substantiellen Schritt in Richtung Gesamtkostenreduzierung und damit in Richtung Unabhängigkeit der Solartechnologie von Subventionen und schwankender politischer Unterstützung. Die Entwicklung des UltimateTrough zielt auf die wirtschaftliche Erstellung von Großkraftwerken, die global einen substantiellen Beitrag zur regenerativen Energieversorgung, Schonung fossiler Ressourcen und Reduzierung von Treibhausgasen führt.

Erläuterungsbericht von Markus Balz und Axel Schweitzer der schlaich bergermann und partner sbp sonne gmbh zur Einreichung beim Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015