Hur kan CRS-teknik (koncentrerad solenergi med speglar) revolutionera solenergiindustrin?

Inom den koncentrerade solenergiindustrin (CSP) har de senaste framstegen inom koncentrerad solenergi med spegelsystem (CRS) med termisk energilagring (TES) visat stor potential för att öka effektiviteten och minska kostnaderna för solenergi. Soltornssystem, som använder speglar för att koncentrera solens strålar på en central mottagare, erbjuder en intressant lösning på de utmaningar som solenergi står inför när det gäller intermittens och lagring.

En fördel med en begränsad TES-lösning är dess förmåga att minska tryck- och temperaturfluktuationer i ångturbinerna, vilket leder till bättre termisk stresskontroll och snabbare uppstart, särskilt vid nattens nedstängning. En nyligen genomförd studie visade att denna teknik kan öka den dagliga energiutvinningen med upp till 10 %, vilket kan vara avgörande för anläggningar som använder högtrycksånga med ångtryck på över 2 000 psia. För dessa anläggningar, där långsamma temperaturförändringar leder till förlorad kapacitet, kan effektiv TES-lagring göra stor skillnad.

Några framstående exempel på CSP-anläggningar med paraboliska speglar och smält salt TES inkluderar Solana i Arizona (280 MW) och Andasol 1 i Spanien (150 MW). Trots att utvecklingen av denna teknologi är relativt ny, finns det redan några soltorn med smält salt i drift. Dessa inkluderar Solar Two i Kalifornien (10 MWe med 3 timmars TES), Gemasolar i Spanien (20 MWe med 15 timmars TES), och Crescent Dunes i Nevada (110 MWe med 10 timmars TES). Crescent Dunes-projektet har dock haft problem med läckage i smältsaltbehållare och stängdes tillfälligt ner, vilket pekar på vikten av att noggrant överväga driftssäkerheten i de tekniska lösningarna.

När det gäller den kommersiella mognaden av soltornsteknologin är Solar Two och Gemasolar nära att uppnå fullskalig drift, och enligt US Department of Energy’s TRL (Technology Readiness Level)-skala kan dessa system betraktas som en teknik på nivå 9 – fullt driftsklar. Trots detta finns det fortfarande många utmaningar för att uppnå en större skalbarhet, särskilt när det gäller att optimera användningen av smält salt som värmeöverföringsvätska (HTF).

En viktig aspekt av den tekniska utvecklingen är frågan om skalbarhet, särskilt när det gäller stora anläggningar. Exempelvis har Crescent Dunes och andra stora soltorn inte alltid uppnått de förväntade kapaciteterna, och tekniska problem som dålig drift, designutmaningar och läckage har hindrat dessa projekt från att nå den fulla potentialen. Denna erfarenhet visar att även om grundläggande system för ångproduktion och kraftgenerering är väl etablerade, kan nyare komponenter som smält salt-tankar och deras drift vid stora skalor medföra oväntade tekniska utmaningar.

De tekniska komponenterna i CRS-systemet är i huvudsak:

1. Heliostater som reflekterar solens strålar mot en central mottagare, som placeras på toppen av ett torn.

2. En solar receiver som fångar solenergin och omvandlar den till värme genom att använda en värmeöverföringsvätska, ofta smält salt.

3. Ånggeneratorn, en värmeväxlare som överför energi från den uppvärmda smält saltet till vatten för att producera ånga.

4. En ångturbin som genererar elektricitet genom att omvandla den producerade ångan.

5. En tvåtankig smält saltsystem för att lagra energi och användas vid behov.

När det gäller säkerheten är kontrollsystemen för heliostaterna en nyckelkomponent. Varje heliostat kräver ett eget kontrollsystem för att spåra solen under hela dagen och optimera solens flöde till mottagaren. De olika typerna av mottagare, som använder antingen smält salt eller direkt ångproduktion, kräver specifika designparametrar för att undvika överhettning och säkerställa optimal energikonversion.

Hur fungerar lagring av termisk energi med smält salt och vad bör beaktas?

Användning av smält salt som ett medium för termisk energilagring (TES) har blivit en lovande lösning för att optimera prestanda i solenergisystem och andra energilagringsapplikationer. Smält salt kan lagra stora mängder energi vid höga temperaturer och är särskilt användbart i koncentrerade solkraftsystem (CSP) där energi lagras för senare användning.

Smält salt, när det är i sin flytande form, kan fungera över ett temperaturintervall från cirka 260°C upp till 621°C, även om stabiliteten hos vissa saltblandningar inte är helt bekräftad över 565°C. När temperaturen sänks börjar saltet kristallisera vid 238°C och stelnar helt vid 220°C. Smältning av saltet kräver en betydande mängd energi, med ett smältvärde på 161 kJ/kg. Dessutom innebär volymförändringen vid smältning en ökning på cirka 4.6% av den fasta volymen.

För att säkerställa att systemet fungerar effektivt krävs noggrant val av material och tekniska specifikationer för lagringstankarna. Vid 400°C har smält salt följande genomsnittliga termiska och fluidiska egenskaper: densitet på 1834 kg/m³, specifik värmekapacitet på 1.516 kJ/kg-K, dynamisk viskositet på 0.0018 kg/m-s och termisk ledningsförmåga på 0.5198 W/m-K. Specifik värmekapacitet som funktion av temperatur ges av formeln:

En av de största utmaningarna vid drift av smält saltsystem är den höga fryspunkten hos de typiska salterna som används för energilagring. För att förhindra att saltet fryser, särskilt under längre driftstopp, krävs ytterligare åtgärder. Vanligtvis installeras elektriska nedsänkta värmare (immersion heaters) i lagringstankarna för att kompensera för värmeförlusten under dessa perioder. Dessa värmare håller temperaturen minst 20°C över fryspunkten för att förhindra att saltet stelnar. Alternativt kan naturgas- eller LPG-värmare användas för att bibehålla temperaturen, även om dessa kräver miljötillstånd och inte är lämpliga för frekventa start- och stoppcykler, vilket leder till ineffektivitet.

Den optimala storleken på lagringstankarna beräknas genom att ta hänsyn till det nödvändiga volymbehovet och de tekniska parametrarna för att rymma den erforderliga mängden smält salt. För att förenkla produktionen av tankarna används standardiserade metallskärningar som leder till att dimensionerna för tankarna beräknas efter dessa standarder. Vanligtvis används två tankpar för att tillgodose lagringsbehovet, vilket håller kostnaderna för installationen så låga som möjligt.

En annan viktig aspekt är den parasitära kraftförbrukningen, särskilt för nedsänkta värmare och saltpumpar. I vissa system kan denna förbrukning uppgå till 12-16% av den totala genererade effekten, beroende på årstid. Detta innebär att den totala effektiviteten hos systemet kan minska avsevärt under perioder med högt värmebehov eller kalla temperaturer.

För att effektivt kunna använda lagringen av smält salt har flera innovativa system konstruerats, inklusive integrationen av smält salt TES med gas-turbinkombinerade cykler (GTCC), där överskottsvärme från gasen används för att hetta upp smält salt. Under urladdningsfasen används det heta smält saltet för att generera ånga i en panna, vilket i sin tur driver en ångturbin för att producera elektricitet. Detta gör att man kan använda lagringen för att effektivisera elproduktionen och kompensera för perioder av lågt solens tillgång.

Utöver de tekniska och designmässiga övervägandena måste man även beakta den långsiktiga hållbarheten och driftseffektiviteten hos smält saltbaserade energilagringssystem. För att maximera effektiviteten måste anläggningarna optimeras för att hantera de termiska fluktuationerna och förhindra onödiga förluster under drift, samtidigt som underhåll och eventuella störningar minimeras. Teknologin och metoderna för termisk energilagring med smält salt ger stor potential för att förbättra övergången till hållbara energilösningar och kan spela en viktig roll i att hantera intermittens i förnybara energikällor.