Das Newcline-Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung und Analyse eines neuartigen Speicherkonzepts für solarthermische Kraftwerke (CSP), bei dem die herkömmlichen zwei Tanks mit geschmolzenem Salz durch einen einzigen Thermoklin-Tank mit Füllmaterial ersetzt werden. Ziel war es, die Investitionskosten für die Speicherung thermischer Energie in CSP-Anlagen aufgrund der geringeren Anzahl an Tanks und geschmolzenem Salz zu senken. Der Thermoklinetank, der so konzipiert ist, dass er die Vermischung von heissen und kalten Temperaturen minimiert, enthält einen neuartigen strukturierten Keramikfüllstoff, der das für die gleiche Speicherkapazität erforderliche Salzvolumen erheblich reduziert. Ein geringeres Salzvolumen senkt die Investitions- (CAPEX) und Wartungskosten (OPEX). Die erwarteten Einsparungen bei den Investitionskosten für das Speichersubsystem wurden im Projektvorschlag auf bis zu 40 % geschätzt. Dies würde zu einer Gesamtersparnis bei den Investitionsausgaben für die CSP-Anlage von 5 % bis 10 % führen, je nach Art der verwendeten CSP-Anlage. Im Rahmen des Projekts werden zwei Arten von Solarkraftwerken mit konzentrierender Optik, Central Receiver (CR) und Parabolic Trough Collector (PTC), berücksichtigt.
Das Gesamtprojekt wurde von fünf verschiedenen internationalen Partnern unter dem Dach des CSP-ERANET durchgeführt und umfasste verschiedene Aufgaben, z. B. die Entwicklung von Füllmaterial, die CFD-Charakterisierung von Wärmeübertragungsprozessen, das Versuchslabor und die gross angelegte Thermoklinenanalyse, Strukturanalysen des Thermoklinentanks und transiente Systemsimulationen der gesamten CSP-Anlage. Die spezifischen Beiträge von SPF-OST betrafen die Entwicklung des Simulationsrahmens für die Durchführung dynamischer Simulationen zur Integration dieses neuartigen Speicherkonzepts in CSP-Anlagen. Dieser Simulationsrahmen basiert auf der Simulationsumgebung pytrnsys, einem Open-Source-Rahmen für die Einrichtung, Simulation und Nachbearbeitung dynamischer TRNSYS-Simulationen, der am SPF entwickelt wurde (https://pytrnsys.readthedocs.io/en/latest/index.html).
SPF entwickelte neuartige mathematische Modelle, die das Energieverhalten der Hauptkomponenten von Solarkraftwerken darstellen, sowie vollständige Systemmodelle für die gesamten CR- und PTC-CSP-Anlagen, einschliesslich der Speichertechnologien mit zwei Tanks (als Referenzfall) und Thermoklinenspeichern. Die Entwicklung dieses Simulationsrahmens hatte zwei Hauptziele. Erstens sollte die Energieleistung des Thermoklinen-CSP-Systems mit dem Referenzfall unter Verwendung von zwei konventionellen Salzschmelztankspeichern verglichen werden. Zweitens wurden parametrische Studien durchgeführt, um die Fähigkeiten und Grenzen des Thermoklinensystems für verschiedene Schemata und Grössen zu untersuchen und so seinen Betrieb zu optimieren. Es wurden wirtschaftliche Analysen durchgeführt, insbesondere zur Bewertung der Investitions- und Betriebskosten, um die technisch-wirtschaftliche Machbarkeit der neuen Thermoklinentechnologie im Vergleich zur modernen Zwei-Tank-Technologie zu ermitteln.
Energiesimulationen mit der neuen Pytrnsys-Umgebung zeigen einen direkten Zusammenhang zwischen der Energieeffizienz von CSP-Anlagen und der Steuerungsstrategie für den Betrieb des Thermoklinetanks. Die Steuerungsstrategie der Thermokline unterscheidet sich von der des Zwei-Tank-Systems, da sie nicht nur von der Masse und den Wärmekapazitäten der Materialien und den maximalen und minimalen Betriebstemperaturen abhängt, sondern auch von den Temperaturschwellen, die zur Steuerung der Lade- und Entladevorgänge des Thermoklinetanks verwendet werden. Durch die Änderung dieser Temperaturschwellen ist es möglich, mehr oder weniger Wärmeenergie im Thermoklinetank zu speichern, was einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeenergie hat, die schliesslich in Elektrizität umgewandelt werden könnte.
Eine Sensitivitätsanalyse hat gezeigt, dass Thermokline-CSP-Systeme im Vergleich zu herkömmlichen Zwei-Tank-Systemen zwischen 70 % und 100 % des Stroms erzeugen, je nach vorheriger Lade- und Entladetemperaturschwelle bei gleicher Nennkapazität, die je nach Definition der Nennbedingungen unterschiedlich sein kann. Konkret erzeugt die Thermokline-CR-CSP-Anlage bei dem in dieser Studie gewählten Temperaturgrenzwert 12,8 % weniger Strom als eine herkömmliche CR-Anlage mit zwei Tanks, während ein PTC-System im Vergleich zum herkömmlichen System mit zwei Tanks 3,1 % weniger Strom erzeugt. In Bezug auf den Kapazitätsfaktor der CR-CSP-Anlage bedeutet dies eine Reduzierung des Kapazitätsfaktors von 71 % für die herkömmliche Zwei-Tank-Salzschmelze auf 62 % für den Thermoklin-Tank und für die PT-CSP von 45 % auf 43 %. Daher wird erwartet, dass Thermoklin-Systeme, die im Vergleich zu Zwei-Tank-Systemen mit der gleichen Energiekapazität dimensioniert sind, im Vergleich zu Zwei-Tank-Systemen etwas weniger Strom erzeugen. Um die gleiche Menge an planbarem Strom zu erzeugen, sollte ein Thermoklinenspeicher daher so konzipiert werden, dass er unter Nennbedingungen mehr (von 5 % bis 25 %) Energie speichert als Zwei-Tank-Systeme, da die Energieeffizienz aufgrund des Fehlens eines perfekt geschichteten Thermoklinenspeichers geringer ist und die Schwellenwerte für die Lade- und Entladetemperatur berücksichtigt werden.
Die oben erwähnten erwarteten Einsparungen bei den Investitionskosten durch die Reduzierung der Anzahl der Tanks um zwei wurden aufgrund der erhöhten Komplexität und Kosten der Tankkonstruktion, die für die Bewältigung grösserer Gewichte und thermischer Belastungen erforderlich ist, nicht vollständig erreicht. Darüber hinaus bleiben die wirtschaftlichen Bewertungen der Kosten für Thermoklinentanks trotz eingehender struktureller Analysen unsicher, insbesondere was die Endkosten des strukturierten Füllstoffs, seine Montage im Inneren des Gefässes und die strukturellen Kosten des Tanks betrifft. Diese Unsicherheiten in der strukturellen Gestaltung und im Füllmaterial wirken sich auf die TES-Investition und damit auf die Gesamt-CAPEX-Einsparungen der Anlage aus. Von den erwarteten 5 % bis 10 % liegen die tatsächlichen geschätzten Einsparungen in der gesamten CSP-Anlage im Bereich von 3 % bis -10 % für CR-Anlagen und von 7 % bis -9 % für PTC-Anlagen. Negative Werte zeigen an, dass die Newcline-Systeme zu höheren CAPEX-Kosten führen als herkömmliche Zwei-Tank-Systeme. Die Spanne ergibt sich aus mehreren Kostenannahmen und Unsicherheiten.
Der entscheidende Faktor zur Reduzierung von Unsicherheiten ist die Minimierung der Unsicherheit sowohl bei der Herstellung der Füllziegel als auch bei der Montage. Während des gesamten Projekts wurden verschiedene Ziegelmodelle und chemische Zusammensetzungen auf ihre thermische Leistung sowie chemische Stabilität und Kompatibilität hin untersucht. Die mit der Massenproduktion von Ziegeln verbundenen Kosten wurden jedoch nicht vollständig untersucht. Ausserdem wurde das aktuelle Ziegelmodell für die Produktion in einer Pilotanlage entwickelt, die einen manuellen Prozess verwendet. Eine Skalierung auf eine kommerzielle Anlage würde eine grosse Anzahl von Ziegeln erfordern, was durch ein neues, wahrscheinlich grösseres Ziegelmodell verbessert werden könnte, das speziell auf den kommerziellen Einsatz zugeschnitten ist. Dies würde den Montageaufwand reduzieren und zu einer kostengünstigeren Produktion führen. Folglich wären die Entwicklung eines neuen Ziegelmodells und die Bewertung seiner Massenproduktionskosten die nächsten Schritte, um Unsicherheiten weiter zu reduzieren.
Untersucht man die Unterschiede zwischen den Investitionskosten von CR- und PTC-Systemen, so hängt der Vorteil der Salzreduzierung beim Thermoklinenkonzept mit Füllmaterialien vom Anteil der Kosten für geschmolzenes Salz an den Gesamtinvestitionen der Anlage ab. Das relative Gewicht der Salzkosten hängt weitgehend von der maximalen und minimalen Betriebstemperatur des Systems ab. Bei gleicher nomineller Speicherkapazität benötigen Systeme mit geringerer Temperaturdifferenz, wie z. B. PTC (95 K), mehr Salzmasse als Systeme wie CR mit höherer Temperaturdifferenz (265 K). Folglich profitieren Systeme mit geringerer Temperaturdifferenz wie PTC oder industrielle Anwendungen eher vom Newcline-Thermoklinenkonzept. Thermoklinensysteme weisen auch eine konstante Kosteneffizienz bei den Betriebskosten (OPEX) auf, da die Reduzierung der Anzahl der Tanks die Wartungskosten senkt.
In Bezug auf die LCOE können PTC-Systeme im Vergleich zu herkömmlichen Zwei-Tank-Systemen bis zu 6 % günstiger sein, wenn man den niedrigsten Kostenwert für beide Technologien zugrunde legt. Allerdings kann das Thermoklinensystem auch eine um 10 % höhere LCOE aufweisen, wenn man die höheren Kostenannahmen beider Technologien zugrunde legt, was durch die höheren Unsicherheiten beeinflusst wird, die in hohem Masse mit dem Füllmaterial zusammenhängen. Für CR-Anlagen und die in diesem Projekt angenommenen Kosten bietet die Implementierung von Thermoklinenspeichern keinen wirtschaftlichen Vorteil in Bezug auf die LCOE. Die Hauptgründe dafür sind die geringere Menge an Salzen, die im Zwei-Tank-System verwendet werden, sowie die geringere Stromerzeugung durch das Thermokline-Konzept. Letzteres könnte durch eine Vergrösserung des Thermoklinenspeichers ausgeglichen werden, aber dieser Fall wurde im Rahmen des Projekts nicht untersucht.
Insgesamt könnte das neuartige Thermoklinenspeichersystem, das im Rahmen des Newcline-Projekts entwickelt wurde, für Systeme von Vorteil sein, bei denen die Kosten für Salzschmelze einen erheblichen Teil der Gesamtinvestition ausmachen, wie z. B. bei PTC-CSP-Anlagen. Ausserdem wird erwartet, dass es für kleinere Mengen, wie hier analysiert, kostengünstiger ist. Dies erweitert die potenziellen Anwendungen von Thermoklinenkonzepten über CSP-Anlagen hinaus auf industrielle Prozesse, bei denen Hochtemperaturspeicher dazu beitragen könnten, Flexibilität zu bieten oder den Einsatz zu erweitern, wenn intermittierende Quellen wie konzentrierende Solartechnologien die wichtigste erneuerbare Quelle sind. Obwohl der Kostenvorteil bei Anwendungen, die kleiner als CSP-Anlagen sind, nachgewiesen und quantifiziert werden muss, wurden mehrere industrielle Prozesse identifiziert, die von einer solchen Speicherung profitieren könnten: Lebensmittelverarbeitung (Backen oder Kurzzeiterhitzung (HTST) bei hohen Temperaturen, Pasteurisierung und Trocknungsprozesse), chemische Industrie (Polymerisations- oder Destillationsprozesse), pharmazeutische Industrie (Sterilisations- und Trocknungsprozesse), Textilindustrie (Färben und Trocknen), Papierindustrie und Automobilindustrie u. a.
