Salzschmelzespeicher

Relevante Energieformen

Gespeicherte Energieform:

Thermische Energie (Kälte > 0 °C bzw. Wärme < 100 °C*) * Grenzen zwischen beiden Formen liegt bei 20 °C

Kurzbeschreibung

Physikalisches Prinzip:
Veränderung der fühlbaren Temperatur beim Lade- oder Entladevorgang (Wärmeaufnahme oder -abgabe)

Prozessablauf:
Salzschmelzespeicher werden in solarthermischen Kraftwerken verwendet. Wie Wärmeaufnahme bzw. -abgabe erfolgt in einem indirekten Zwei-Tank-System. Dabei ist zu beachten, dass die Temperatur der Salzschmelze über dem Schmelzpunkt gehalten wird.
Bei der Beladung wird die im kalten Salztank (296 °C) befindliche Salzschmelze mit Hilfe einer Fördervorrichtung und unter Durchströmung einer Wärmeübertragungsvorrichtung mittels des Wärmeträgers Thermoöl aufgewärmt und in den heißen Salztank (380 °C) gepumpt. Die Entladung beginnt, sobald die Sonne nicht mehr scheint, wobei die Salzschmelze in umgekehrter Richtung vom heißen Tank in den kalten Salztank zurückgepumpt. Dabei wird die zuvor gespeicherte Energie an den Dampf/Wasserkreislauf des Kraftwerkes abgegeben.

Speichermedium:
Salzschmelze (Solarsalze: Mischung aus Natrium- und Kaliumnitrat, 60 % NaNO₃ und 40 % KNO₃)

Wärmeträger:
Thermoöl

Funktionsskizzen

Solarthermisches Kraftwerk mit Salzschmelzesspeicher

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

$Nutzungsgrad \; eines \; Speichers =\frac{Speicherentladung}{dem \; Speicher \; zugef\"{u}hrte \; Energie}$

Nutzungsgrad bis 0,9

Betriebs-Charakteristika

Bauart

Salzschmelzespeicher als indirekter Zwei-Tank-Speicher

Typische Be- und Entladeleistungen

Indirektspeicher:

$\.{Q}_{BES} = \.{m} *\.{c}_p * (T_{Fluid,ein} - T_{Fluid,aus})$

Beladeleistung: ca. 136 MW
Entladeleistung: ca. 120 MW (begrenzter Massenstrom des Wärmeträgers Thermoöl)

Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Alters des Speichers

Die Verlustleistung ist nicht abhängig vom Alter des Speichers

Energetische Kennwerte

Bauart	Salzschmelzespeicher als indirekter Zwei-Tank-Speicher
Verfügbare Leistungsklassen (kW)	von: 100kW bis: 150 MW
Verfügbare Kapazitäten (kWh)	von: bis: 1.200 MWh
Volumetrische Speicherdichte	Spezifische Wärmekapazität cp = 1,45 kJ/(kg K) Volumetrische Wärmekapazität cp‘= 1.970 bis 1.725 kJ/(m³ K) Volumetrische Speicherdichte= (Speicherkapazität in kJ)/(Volumen des Speichers in m³) c‘ * ΔT mit volumenspezifische Wärmekapazität (Salzschmelze) c‘: 1.970 bis 1.725 kJ/ (m³ K)
Gravimetrische Speicherdichte	Gravimetrische Speicherdichte= (Speicherkapazität in kJ)/(Masse des Speichers in kg) c * ΔT mit gewichtsspezifische Wärmekapazität (Salzschmelze) c: 1,45 kJ/(kg K)
Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit der Kapazität	Ja
Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Ladezustandes	Ja begrenzter Massenstrom des Wärmeträgers Thermoöl führt zu Verlusten zwischen der Be- und der Entladung
Verfügbare Energieniveaus	Salzschmelze erstarrt bei 238 °C und ist bis zu 600 °C stabil Temperaturbereich des Speichers: kalter Tank (296 °C) heißer Tank (380 °C) (Beispiel: Andasol-Kraftwerk)

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart	Salzschmelzespeicher als indirekter Zwei-Tank-Speicher
Nutzenergiekosten / kWh	2,70 €/kWh
Laufende Kosten p.a./kW	k.A.
Investkosten / kW	15–40 €/kWh bzw. 80–130 €/kW
Platzbedarf / kWh	Salzinventar im Zwei-Tank-Speicher des Andasol-Kraftwerks: insgesamt 28.000 t max. 15.000 m³ je Tank mit je 1200 MWh → 0,0125 m³/kWh
Typische Lebensdauer in Jahre	k.A.

Technologische Kennwerte

Bauart	Salzschmelzespeicher als indirekter Zwei-Tank-Speicher
Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen)	hierzu wurden keine Informationen in der Literatur gefunden
Gefährdungspotenzial	überschaubares Gefährdungspotenzial (thermische Aggressivität der Salze in Kombination mit hohen Temperaturen und mechanischen Beanspruchungen)
Systemkomplexität	robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
	Umrüstaufwand und Integration	Umrüstaufwand zur nachträglichen Integration	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig ,Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Spezifische Speicherkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig , Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Spezifische Platzbedarf	Wie groß ist die volumetrische Speicherdichte (Grün = Hoch, Gelb = Mittel, Rot = Niedrig)
		Speicherverluste	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)

Entwicklungstendenz

Entwicklungspotenzial im Hinblick auf:

weitere Salzschmelze mit höheren Einsatztemperaturen
höhere Speicherkapazität über Mehrtanksysteme

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

geringe Viskosität
hohe Wärmekapazität
gute Wärmeübertragungseigenschaften bei drucklosen Betrieb
preiswert
hohe Dauerstandfestigkeit → langzeitstabil

Nachteile

korrosiv → die korrosive Wirkung steigt mit der Temperatur und erfordert hochwertige Materialien

Anwendungsbeispiele

Zur Überbrückung des Tag-Nacht-Zyklus

Anwendungsbeispiele:

Andasol-Kraftwerk in Guadix, Spanien

Literaturverzeichnis

Ewert, Markus (2011): Flexibilität durch Wärmespeicherung in konzentrierenden Solarkraftwerken
Chemie.de (2013): Extrembelastung durch Salzschmelzen, zuletzt geprüft am 01.08.2019
Gawlik, Wolfgang (2013): Speicher für die Energiewende
Oertel, Dagmar (2008): Energiespeicher – Stand und Perspektive
Vogel, Alexander (2016): Konzepte für Speicher in thermischen Solarkraftwerken

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht