de.wedoany.com-Bericht: Forscher schlagen den Einsatz von unterirdischer saisonaler Kältespeicherung vor, um das Problem der Überhitzung der Kondensatoren eines 10-MW-Solarthermiekraftwerks in Dunhuang, China, im Sommer zu lösen. Simulationsstudien zeigen, dass dieser Ansatz die Stromerzeugungseffizienz steigern und knappe Wasserressourcen schonen kann.
In Dunhuang, Provinz Gansu, steht ein solarthermisches Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren vor einer besonderen Kühlungsherausforderung. Die hohen Sommertemperaturen verringern die Effizienz der trockenen Luftkondensatoren, während Wasserkühlung aufgrund extremer Wasserknappheit nicht in Frage kommt. Die Region ist durch strenge Winter und heiße Sommer mit extremen saisonalen Temperaturunterschieden gekennzeichnet. Das Forschungsteam stellte sich vor, die Kälte des Winters im Untergrund zu speichern, um sie im Sommer zur Kühlung der Kondensatoren zu nutzen.
Kernelement dieses Ansatzes ist der Erdwärmesonden-Wärmetauscher (Borehole Heat Exchanger, BHE) – vertikale, in den Boden gebohrte Rohre, in denen ein Fluid zirkuliert und Wärme mit dem umgebenden Gestein austauscht. Im Winter kühlt die kalte Luft das Fluid ab, und die Kälte wird im Erdreich gespeichert; im Sommer fließt heißes Wasser aus dem Kondensator durch dieselbe Sondengruppe, der Boden nimmt Wärme auf, das gekühlte Wasser kehrt zum Kondensator zurück – ohne Verbrauch von Süßwasser.
Zur Überprüfung der Machbarkeit führten die Forscher mit der Software TRNSYS dynamische Simulationen auf Basis typischer meteorologischer Jahresdaten von Dunhuang durch. Dabei wurden die zeitliche Entwicklung der Bodentemperatur sowie die gespeicherte und entnommene Kältemenge stündlich verfolgt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das saisonale Kältespeichersystem die Effizienz des Kraftwerks im Vergleich zu herkömmlichen wassergekühlten Kondensatoren um bis zu 1,54 % steigern kann; im Vergleich zu trockenen Luftkondensatoren beträgt die Effizienzsteigerung bis zu 2,74 %. Bei einer Leistung von 10 MW bedeutet eine Effizienzsteigerung von 1 % bis 2 % eine beträchtliche zusätzliche Stromerzeugung. Gleichzeitig kann der Ansatz den Süßwasserverbrauch für Verdunstungskühlung drastisch reduzieren, was für Trockengebiete von entscheidender Bedeutung ist.
Die technisch-wirtschaftliche Bewertung umfasste Kapitalkosten, Wartung, Betriebskosten und Amortisationszeit. Obwohl die anfänglichen Bohrkosten für das Erdwärmesondensystem hoch sind, sind die Betriebskosten niedrig, sodass das Projekt über seinen gesamten Lebenszyklus wirtschaftlich tragfähig ist. Die Forscher weisen darauf hin, dass die aktuelle Analyse auf Simulationen beruht; die tatsächliche Leistung hängt von den geologischen Bedingungen des Untergrunds ab und muss durch Feldversuche validiert werden.
Vollständige Zitierung der Studie: Abbas, Z., Li, Y. & Wang, R. Numerical simulation of underground seasonal cold energy storage for a 10 MW solar thermal power plant in north-western China using TRNSYS. Front. Energy 15, 328–344 (2021). https://doi.org/10.1007/s11708-020-0676-1
