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Regelung von Kristallisationsanlagen

Autoren
Vollmer, Ulrich; Raisch, Jörg

Forschungsbereich
System- und Regelungstheorie
Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme, 39106 Magdeburg

Korrespondierender Autor
Vollmer, Ulrich
E-Mail: Vollmer@mpi-magdeburg.mpg.de

Zusammenfassung
Kristallisationsanlagen dienen zur Herstellung von Feststoffen aus Flüssigkeiten. Sie können kontinuierlich, d.h. mit kontinuierlichem Flüssigkeitszufluss und kontinuierlicher Produktentnahme oder chargenweise betrieben werden. Bei beiden Betriebsarten treten unterschiedliche Schwierigkeiten auf. Bei kontinuierlichem Betrieb lassen sich ungedämpfte Schwingungen der Kristallgrößenverteilung (KGV) und damit der Produktqualität beobachten. Dieses Problem kann durch den Einsatz einer stabilisierenden H-unendlich-Regelung gelöst werden. Bei Chargen-Betrieb hängt die KGV vom Temperaturverlauf ab, der dem Prozess aufgeprägt wird. Es stellt sich also die Frage, welcher Temperaturverlauf eine gewünschte KGV bei Chargenende bewirkt. Dieses Problem wurde mit flachheitsbasierten Methoden der nichtlinearen Regelungstheorie gelöst.

Abstract
In the chemical and pharmaceutical industries, crystallisation is used for the production of solids from liquids. Product quality usually depends heavily on crystal size distribution (CSD), whose dynamics can be described by population balance models. Our group investigates two control problems for crystallisation processes. First, continuously operated crystallisers often exhibit sustained oscillations around the desired operating point, which need to be removed to provide constant product quality. This is achieved by applying H-infinity-feedback techniques. Second, in batch crystallisation, the CSD at the end of a batch-run needs to be shaped according to product specification by selecting a suitable cooling policy. The cooling policy, in turn, is generated using flatness-based methods from nonlinear control theory.

Einführung
In der chemischen und pharmazeutischen Industrie werden Kristallisationsverfahren eingesetzt, um Feststoffe aus Flüssigkeiten zu gewinnen. Die technische Kristallisation ist ein in vielen Herstellungsprozessen eingesetzter Verfahrensschritt, da chemische Reaktionen oft in flüssiger Phase ablaufen, die Zwischen- oder Endprodukte aber häufig Feststoffe sind. Treibende Kraft für die Keimbildung (die Erzeugung neuer Kristalle) und das Kristallwachstum ist die Übersättigung der Lösung. Sie wird durch Abkühlung der Flüssigkeit oder durch Verdampfen von Lösungsmittel erzeugt. Keimbildung und Wachstum dominieren die Dynamik von Kristallisationsprozessen. Daneben können Abrieb, Brechen und Agglomeration von Kristallen von Bedeutung sein.

Da ständig neue Kristalle gebildet werden, die Kristalle aber gleichzeitig wachsen, auseinanderbrechen usw., befinden sich in einer Produktionsanlage stets Partikel von ganz unterschiedlicher Größe. Die Kristallgrößenverteilung (KGV) beschreibt, wie viele Kristalle welcher Größe vorhanden sind. Sie bestimmt ganz wesentlich die Qualität des kristallinen Produktes, beispielsweise Eigenschaften wie Filtrierbarkeit, Auflösungsverhalten und Rieselfähigkeit.

Das zeitliche Verhalten der KGV kann durch eine so genannte Populationsbilanzgleichung beschrieben werden. Hierunter versteht man eine partielle Differentialgleichung, die u.U. zusätzliche Integralterme zur Modellierung von Abrieb, Brechen und Agglomeration enthält. Die partielle Differentialgleichung ist mit einer oder mehreren gewöhnlichen Differentialgleichungen verkoppelt, die sich aus der Stoffmengenbilanz und ggf. der Energiebilanz des Systems ergeben. Mathematische Modelle zur Beschreibung von technischen Kristallisationsanlagen sind also nichtlineare unendlichdimensionale dynamische Systeme.

Kontinuierliche Kristallisation
Zur Herstellung großer Produktmengen werden Kristallisationsanlagen in kontinuierlicher Betriebsweise eingesetzt. Zufluss untersättigter Lösung und Produktentnahme erfolgen kontinuierlich. Um die KGV in gewünschter Weise zu beeinflussen, werden in solchen Anlagen häufig kleine Kristalle abgeschieden und aufgelöst. Diese als Feinkornauflösung bezeichnete Maßnahme „verschiebt“ die KGV in Richtung größerer Kristalle und führt in vielen Fällen zu einer „schmalen“ Verteilung. Allerdings werden diese Vorteile oft mit einer gravierenden Verschlechterung des dynamischen Prozessverhaltens bezahlt: Feinkornauflösung kann zu periodischem Verhalten des Kristallisationsprozesses führen. Die Übersättigung und die KGV schwingen dann um den gewünschten Betriebspunkt. Dies führt zu unakzeptablen Schwankungen der Qualität des erzeugten Produkts.

Dieses Problem kann mithilfe einer Regelung, d.h. der gezielten Veränderung des dynamischen Verhaltens durch negative Rückkopplung, gelöst werden. Eine geeignete Regelung ermöglicht es, Kristallisationsanlagen trotz hoher Feinkornauflösungsraten stabil zu betreiben, ohne die Anlage konstruktiv zu modifizieren. Hierfür muss Online-Messinformation über den Prozess zur Verfügung stehen. Eine mögliche Messgröße ist beispielsweise die Gesamtmasse an Kristallen in der Anlage. Der Eingriff in den Prozess erfolgt durch Veränderung der Feinkornauflösungsrate (Stellgröße). Die zeitliche Veränderung der Stellgröße in Abhängigkeit vom Messsignal wird vom Regler vorgenommen (Abb. 1). Der Regler ist ein dynamisches System, das im Allgemeinen auf der Grundlage eines mathematischen Prozessmodells entworfen wird. Die Synthese geeigneter Regler für Prozesse, die durch Populationsbilanzgleichungen beschrieben werden, stellt eine aktuelle Herausforderung dar. Im Folgenden wird skizziert, wie dieses Problem für eine kontinuierlich betriebene Kristallisationsanlage gelöst werden kann.



Abb. 1: Schematische Darstellung eines Regelkreises für eine kontinuierlich betriebene Kristallisationsanlage.

Ausgangspunkt für unsere Untersuchungen ist ein Populationsmodell, das die Phänomene Wachstum, primäre Keimbildung und Abrieb durch Kristall-Rührer-Kollisionen detailliert beschreibt. Dieses Modell wird zunächst anhand physikalischer Überlegungen vereinfacht, so dass die Ruhelage in Abhängigkeit von den gewählten Betriebsparametern analytisch berechnet werden kann. Anschließend wird um diese Ruhelage linearisiert; man erhält so eine transzendente Übertragungsfunktion, die den Einfluss der Stellgröße auf die Messgröße näherungsweise beschreibt. Dieser Schritt beinhaltet keine Diskretisierung des Modells und bewahrt folglich den unendlichdimensionalen Charakter des Systems.

Da eine linearisierte Version eines bereits vereinfachten Modells verwendet wird, muss beim Reglersyntheseprozess erhöhter Wert auf Robustheit gelegt werden: Es soll ein Regler entworfen werden, der ein hohes Maß an Modellunsicherheit tolerieren kann. Die H∞-Theorie bietet einen Rahmen für die gezielte Synthese robuster Regler. Eine in den letzten Jahren entwickelte Erweiterung dieser Theorie ermöglicht ihre Anwendung auf eine Klasse unendlichdimensionaler Systeme. Da die hergeleitete Übertragungsfunktion zu dieser Klasse gehört, kann die H∞-Theorie zum Reglerentwurf für kontinuierlich betriebene Kristallisationsanlagen eingesetzt werden. Diese Vorgehensweise liefert eine transzendente Reglerübertragungsfunktion, die zur Implementierung durch eine rationale, also endlichdimensionale, Übertragungsfunktion approximiert wird. Dieser Regler stabilisiert die gewünschte Ruhelage des ursprünglichen detaillierten Prozessmodells. Dies lässt sich in Abbildung 2 erkennen. Sie zeigt periodisches Verhalten des ungeregelten Prozesses (linker Teil der Abbildung) sowie eine Simulation des aus Regler und detailliertem Modell bestehenden Regelkreises (rechter Teil).



Abb. 2: Simulationsergebnisse für kontinuierlich betriebene Kristallisationsanlage. Links: Ungeregelter Betrieb führt zu oszillierender Kristallgrößenverteilung. Rechts: Regelung wird bei t=10h eingeschaltet und beseitigt Oszillationen.

Die gewählte Vorgehensweise folgt einer „late lumping“ Philosophie, da erst der entworfene Regler und nicht bereits das vorliegende Prozessmodell durch ein endlichdimensionales System approximiert wird. Dieser Ansatz bietet einen prinzipiellen Vorteil gegenüber „early lumping“ Methoden: Der approximierte Regler kann mit dem optimalen, unendlichdimensionalen Regler verglichen werden; so lässt sich erkennen, wie viel „Regler-Güte“ im Approximationsschritt geopfert wurde. Dies ermöglicht, zwischen Qualität und „Einfachheit“ des Reglers abzuwägen.

Batch-Kristallisation
Bei chargenweise betriebenen Kristallisationsanlagen stellt sich ein gänzlich anderes Problem. In diesem Fall wird der Kristallisationsbehälter zu Anfang mit untersättigter heißer Lösung gefüllt. Außerdem können kleine Impfkristalle zugegeben werden. Durch allmähliches Abkühlen wird die Lösung übersättigt, die vorhandenen Kristalle wachsen, und neue Kristalle werden gebildet. Dadurch sinkt die Konzentration in der Lösung und es muss weiter gekühlt werden um die Lösung übersättigt zu halten. Die am Ende erreichte KGV hängt von dem zeitlichen Temperaturverlauf ab, der dem Prozess aufgeprägt wird. Dies definiert ein Steuerungsproblem: Wie kann ein Temperaturverlauf gefunden werden, der eine gewünschte KGV bewirkt?

Dieses Problem wurde auf Basis eines Standard-Populationsmodells aus der Literatur gelöst. Das Modell erlaubt die Herleitung eines geschlossenen Satzes von gewöhnlichen Differentialgleichungen für eine endliche Anzahl von Momenten der KGV. Die Lösung des Steuerungsproblems nutzt das Konzept der differentiellen Flachheit, das in der nichtlinearen Regelungstheorie in jüngster Zeit beachtliche Bedeutung erlangt hat. Ein dynamisches System wird differentiell flach genannt, wenn ein so genannter „flacher Ausgang“ existiert. Dieser lässt sich als Funktion des Systemzustands und des Eingangs darstellen, und es ist umgekehrt möglich, Zustand und Eingang des Systems als Funktionen des flachen Ausgangs und endlich vieler seiner zeitlichen Ableitungen auszudrücken. Diese Invertierbarkeitseigenschaft erweist sich als überaus nützlich für den Steuerungsentwurf.

Die Momentengleichungen, die aus der ursprünglichen partiellen Differentialgleichung hergeleitet wurden, stellen zwar kein flaches System dar, sie können aber durch eine zustandsabhängige Zeitskalierung in ein flaches System transformiert werden. Solche Systeme werden orbitell flach genannt. Wendet man die selbe Zeitskalierung auf die partielle Differentialgleichung an, erhält man eine einfache Transportgleichung. Unter Ausnutzung dieser beiden Eigenschaften - orbitelle Flachheit der Momentengleichungen und einfache Struktur der zeittransformierten partiellen Differentialgleichung - kann das Steuerungsproblem auf sehr elegante Weise gelöst werden.

Man kann zunächst überprüfen, ob eine gewünschte KGV für das betrachtete Modell erzielt werden kann. Ist dies der Fall, so lässt sich der zugehörige Temperaturverlauf analytisch berechnen. Auf Basis dieser Ergebnisse können darüber hinaus Temperaturverläufe bestimmt werden, die die KGV des Produkts hinsichtlich bestimmter Kriterien optimieren. Die gewählte Vorgehensweise transformiert das ursprünglich dynamische Optimierungsproblem in ein „statisches“, von den Modell-Differentialgleichungen nicht mehr explizit abhängendes Optimierungsproblem. Letzteres lässt sich numerisch sehr viel effizienter und zuverlässiger lösen. Ein typisches Optimierungskriterium ist die Maximierung des Quotienten aus Masse an gewachsenen Impfkristallen und Masse der aus Keimbildung entstandenen Kristalle. Dies spiegelt den Wunsch wider, möglichst nur die Impfkristalle wachsen zu lassen und Keimbildung weitgehend zu verhindern. Abbildungen 3 und 4 zeigen die Entwicklung der KGV bei linearem bzw. optimiertem Temperaturverlauf. Lineare Kühlung führt zur Produktion einer großen Anzahl von Kristallen durch Keimbildung. Die optimierte Verfahrensweise erzielt mehr Wachstum bei gleichzeitig weniger Keimbildung.



Abb. 3: Simulation der zeitlichen Entwicklung der Kristallgrößenverteilung in einer Batch-Kristallisationsanlage bei linearem Temperaturverlauf.



Abb. 4: Simulation der zeitlichen Entwicklung der Kristallgrößenverteilung in einer Batch-Kristallisationsanlage bei optimiertem Temperaturverlauf.

Vision vom Stromlieferanten
Workshop liefert Ideen für Energieerzeugung und Beschäftigung im großen Stil

von Stefan Fischer




Die Grafik verdeutlicht das Prinzip des
Solar-Aufwind-Kraftwerks: Von außen
dringt Luft ins Gewächshaus, die sich
durch Sonneneinstrahlung erwärmt. Sie
wird in einen riesigen Schlot
kanalisiert und treibt dort Turbinen zur
Energieerzeugung an. Obst- und
Gemüseproduktion sowie
Meerwasserentsalzung sind weitere
Vorteile der Anlage.
Ein so genanntes Solar-Aufwind-Kraftwerk
mit Treibhaus könnte Namibias Energieprobleme
lösen und soll zudem tausende Arbeitplätze im
Gemüseanbau schaffen. Das 5,6-Milliarden-Dollar-
Projekt, das bei Arandis gebaut werden soll,
wurde jetzt offiziell vorgestellt.

Windhoek - Das Projekt mit der Bezeichnung GreenTower basiert auf dem Prinzip der Naturgesetze. So soll es funktionieren: Ein großes Treibhaus (37,5 Quadratkilometer Grundfläche, 10 bis 16 Meter hoch) dient als Kollektor, indem sich die Luft unter dem Glas durch die Sonne erwärmt. Da warme Luft nach oben steigt, wird sie in einen riesigen, 1500 Meter hohen Schlot kanalisiert, an dessen Fuß sich 32 Turbinen befinden. Diese werden durch die Luftströmung bewegt und erzeugen Energie. Bis zu 400 MW Strom könnten bei dieser Dimension der Anlage produziert werden, was etwa dem derzeitigen Gesamtverbrauch des Landes (außer Skorpion-Zinkmine) entspricht. Damit nicht genug: In dem riesigen Gewächshaus sind Obst- und Gemüseanbau möglich, was rund 25000 Menschen einen Job verspricht. Aufgrund der klimatischen Bedingungen in dem Treibhaus bildet sich natürlicher Humus, zur Bewässerung wird das Wasser genutzt, das bei der Meerwasser-Entsalzung anfällt.

,,Namibia hat das Potenzial, ein in Afrika führender Energieversorger zu werden", sagte Wolf-Walter Stinnes, Geschäftsführer von GreenTower Ltd., bei der Präsentation des Projekts während eines Workshops mit rund 100 Teilnehmern am vergangenen Freitag in Windhoek. Das Unternehmen aus La Montagne (Südafrika), das federführend bei diesem Vorhaben ist, arbeitet bereits seit einigen Jahren mit der Universität Stellenbosch sowie weiteren Hochschulen in Deutschland daran. ,,Wir nutzen eine geprüfte Technologie, nur in einer neuen Kombination", führte der Physiker aus. Grundlage für Forschung und Planung bilden die Erfahrungen eines Solar-Aufwind-Kraftwerks viel kleinerer Dimension in Manzanares (Spanien). Diese Testanlage hatte einen 192 Meter hohen Schlot und produzierte von 1982 bis 1989 rund 50 kW Strom - bis der Turm infolge von Pfusch am Bau bei einem schweren Sturm umfiel.

Die Anlage könne ,,saubere Solarenergie" liefern, sagte Fritz Jeske, Chef der Firma Bicon, die als namibischer Partner von GreenTower Ltd. auftritt. Der Strom sei ,,ökonomisch und wettbewerbsfähig", führte er aus und warnte vor Minimierungsgedanken. ,,Das System ist nur in dieser Größe wirtschaftlich. Die Halbierung der Anlage würde nur ein Sechzehntel des Ertrags bringen", so Jeske. Nicht zuletzt habe der errechnete Energie-Abgabepreis in Höhe von 0,015 Euro (ca. N$ 0,14) pro Kilowattstunde auch den Stromversorger NamPower hellhörig gemacht, der dieses Projekt befürwortet. Man gebe die ,,volle Unterstützung", sagte NamPower-Geschäftsführer Paulinus Shilamba während des Workshops. Entscheidend sei, dass das Vorhaben technologisch und finanziell möglich sei und man sich den Strom leisten könne. ,,All diese Ansprüche erfüllt das Projekt", so Shilamba, der sich wünschte: ,,Wir brauchen eine klare und gemeinsame Verpflichtung für dieses Vorhaben."

,,Der Ball liegt nun bei NamPower", skizzierte Jeske im AZ-Gespräch den Weg nach vorn und räumte ein: ,,Auch die Regierung ist sehr daran interessiert, zweifelt aber an der Realisierbarkeit." Und Stinnes ergänzte: ,,Wir müssen sie davon überzeugen, dass es funktioniert - das haben wir heute bei diesem Workshop gezeigt." Wie er weiter erklärte, gebe es für die veranschlagten Kosten in Höhe von 600 Mio. Euro (ca. N$ 5,6 Mrd.) bereits Finanzierungspartner. Wenn sich alle Beteiligten einig seien, könnte die Anlage frühestens im Jahr 2013/14 ihren Betrieb aufnehmen.

HANDELSBLATT, Freitag, 9. März 2007, 15:05 Uhr
Deutsches Vorzeigeobjekt in den USA.

Solarfirmen punkten in den USA....für Acciona

Selbst vom Weltraum aus dürften die langen Reihen von Parabolspiegeln mühelos zu sehen sein. Das nagelneue Solarkraftwerk Nevada Solar One in Boulder City ist für deutsche Firmen das Vorzeigeobjekt in den USA für ihre Leistungsfähigkeit bei klimafreundlichen Techniken.



18 Kilometer Parabolspiegel werden ab
April Las Vegas mit Energie versorgen.
je/tho BOULDER CITY. Das neue Solarkraftwerk Nevada Solar One in Boulder City wird die nicht weit entfernte Spielermetropole Las Vegas ab Ende April mit Energie versorgen. Das solarthermische Kraftwerk hat eine Leistung von 64 Megawatt und ist seit über 15 Jahren das erste neue Sonnenkraftanlage, die in den USA ans Netz geht. Bauträger und Betreiber von Nevada Solar One ist Acciona Solar Power, eine Tochter des spanischen Baukonzerns Acciona. Die Finanzierung der bis zu 250 Mill. Dollar teuren Anlage übernahmen zum größten Teil europäische Banken, die Schlüsseltechnologien kommen überwiegend aus Deutschland.

So liefert Siemens die Dampfturbine. Die hochpräzisen Parabolspiegel aus beschichtetem Glas, die das Sonnenlicht auf die Röhren zur Durchlauferhitzung konzentrieren, kommen von der Flabeg GmbH in Fürth. Schott schließlich produzierte die Röhrenelemente, die aus einer Außenhaut aus besonders lichtdurchlässigem gezogenen Glas und einem von einem Vakuum umgebenen schwarz beschichteten Absorbierrohr aus Stahl bestehen. Gegenüber älteren Anlagen sind diese Röhren der größte technische Fortschritt, denn sie sind deutlich effizienter und langlebiger als ältere Versionen.

Im Nordwesten machte die Bonner Solarworld AG vor einer Woche ein einmaliges Schnäppchen. Für 30 Mill. Euro übernahm die Firma in Oregon ein voll ausgebautes Werk für Silizium-Wafer. Die japanische Komatsu-Gruppe hatte die 1998 fertig gestellte Anlage in Hillsboro, einem Vorort von Portland, für über 500 Mill. Dollar gebaut, aber wegen drohender Überkapazität auf dem Weltmarkt für Computerchips nie in Betrieb genommen.

Solarworld will nach eigenen Angaben weitere 300 Mill. Euro in das Werk investieren und bereits in diesem Sommer die Produktion von Solarsilizium-Wafer und Solarzellen aufnehmen. Ab 2009 will der Konzern in Hillsboro photovoltaische Komponenten mit einer Gesamtkapazität von 500 Megawatt pro Jahr produzieren. Gleichzeitig will Solarworld die Kapazität ihres Solarmodul-Werkes in Camarillo, Kalifornien, auf 100 Megawatt pro Jahr verdoppeln.

Die Voraussetzungen für die wirtschaftliche Gewinnung von Solarenergie sind in den südwestlichen Bundesstaaten Kalifornien, Nevada, Arizona und New Mexiko sehr günstig. Die Sonne scheint fast das ganze Jahr über, Land ist billig, das Leitungsnetz ist gut ausgebaut und die Nachfrage nach zusätzlichen Kapazitäten sehr hoch.

In ihren dünn besiedelten Wüstengebieten verfügen diese vier Bundesstaaten nach Angaben des National Renewable Energy Laboratory über Flächen, die den Bau von solarthermischen Kraftwerken mit einer Gesamt-Jahresleistung von 200 000 Megawatt erlauben würden. Zum Vergleich: In Kalifornien werden bisher neun Solarwärmekraftwerke mit einer Gesamtkapazität von 354 Megawatt betrieben.

Zudem haben die westlichen Bundesstaaten den Übergang zu erneuerbarer Energie gesetzlich festgeschrieben. In Kalifornien soll der Anteil bis 2010 auf ein Fünftel steigen. Nevada strebt diese Quote bis 2015 an und Solar One-Kunde Nevada Power Co. muss ab 2013 mindestens 5 Prozent des Bedarfs aus Sonnenenergie decken.

Technologische Verbesserungen, die Solar One um ein Fünftel effizienter machen als ältere solarthermische Anlagen, sowie höhere Öl- und Gaspreise haben Sonnenenergie wettbewerbsfähig gemacht. Experten rechnen für Solar One mit einem Einstandspreis von 15 bis 17 Cents pro Kilowatt-Stunde. Bei größeren Anlagen könnte er bis 2020 auf fünf bis acht Cents sinken, heißt es. „Investoren merken langsam, dass Sonnenenergie in den USA ein gutes Geschäft sein kann“, sagt der örtliche Acciona-Chef Gilbert Cohen.

Herzlich Willkommen bei TREC
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Die Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC) ist eine Initiative des Club of Rome, des Hamburger Klimaschutz-Fonds und des Jordanischen Nationalen Energieforschungszentrums (NERC) auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien.
TREC wurde im September 2003 gegründet und hat das DESERTEC Konzept zur Energie-, Wasser- und Klimasicherheit in EUropa, dem Nahen Osten (the Middle-East) und Nord-Afrika (EU-MENA) entwickelt. TREC hat es sich zur Aufgabe gemacht, dieses Konzept nun zusammen mit Vertretern aus Politik, Industrie und Finanzwelt umzusetzen.



Skizze einer möglichen Infrastruktur für eine nachhaltige
Stromversorgung in Europa, dem Nahen Osten und Nord-Afrika

Das DESERTEC Konzept sieht vor, in MENA mit Hilfe von Solarthermischen Kraftwerken und Windparks die Wasserentsalzung und Stromerzeugung voranzutreiben und den sauberen Strom dann mittels HVDC-Hochspannungs-Gleichstromleitungen in diese Länder und ab 2020 (mit insgesamt nur 10-15% Übertragungsverlust) bis nach Europa zu leiten.
Alle benötigten Technologien für die Realisierung dieses Konzeptes sind bereits vollständig entwickelt und seit Jahrzehnten im Einsatz. Satellitengestützte Daten und mehrere Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) bestätigen das überreichliche Angebot an Solarenergie sowie die Notwendigkeit, dieses Konzept zügig zu verwirklichen.

In gut 15 Jahren kommt Strom aus der Wüste...

Um Klimaziele zu erreichen wird Solar-Strom wichtig
Ab 2020 wird Solar-Strom kostengünstigste Option

In gut 15 Jahren dürfte nach Einschätzung von Experten der erste Solar-Strom aus Nordafrikas Wüsten nach Deutschland fließen. "Technisch ist das kein Problem", meinte Hans Müller-Steinhagen, der Direktor des Instituts für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart. Noch sei der Strom aus der Wüste zwar im Vergleich zu Gas, Öl oder Kohle zu teuer.

"Wenn wir die Klimaziele erreichen wollen und die Endlichkeit der fossilen Energieträger bedenken, wird uns aber gar nichts anderes übrig bleiben, als auf diesen Solar-Strom zu setzen", sagte der Energieexperte.

Ab 2020 Solar-Strom kostengünstigste Option
Ab 2020 werde der Solar-Strom sogar zur kostengünstigsten Option, da er im Zuge des Ausbaus immer billiger werde. Bis 2050, so schätzt der Professor, könnten etwa 15 Prozent des gesamten deutschen Strombedarfs mit Importstrom aus Nordafrika gedeckt werden. Beim künftigen Energiemix werde der Strom aus der Wüste deshalb einen substanziellen Beitrag leisten, weil er hohe Versorgungssicherheit und Verfügbarkeit biete - auch in Zeiten des maximalen Stromverbrauchs. "Wir bräuchten theoretisch nur ein Promille der Wüstenfläche, um den gesamten Strombedarf der Welt zu decken."

Wertschöpfung von 1,7 Mrd. Euro
Damit der Strom auch fließen könne, müsse in Kraftwerke und Leitungen investiert werden. Die deutsche Industrie sei bei solarthermischen Kraftwerken schon jetzt führend. Eine größere Investition in diese Technologie könnte nach Schätzung des Wissenschaftlers für die deutsche Industrie im Jahr 2025 eine Wertschöpfung von 1,7 Milliarden Euro pro Jahr schaffen.

Hochspannungstrassen notwendig
Um die drei- bis viertausend Kilometer lange Strecke von Afrikas sonnenreichen Zonen bis ins regenreichere Europa zu überbrücken, seien neue Hochspannungstrassen nötig. Solche Höchstspannungs- Gleichstromleitungen seien bereits eine etablierte Technologie mit derzeit 600 Kilovolt Spannung. Die nächste Generation werde 800 Kilovolt und noch geringere Verluste und Kosten als heute haben. Die Leitungsverluste werden für die gesamte Strecke nur auf etwa zehn Prozent geschätzt.

Kraftwerke bauen
"Als erstes müssen nun in Afrika solarthermische Kraftwerke gebaut werden", sagte Müller-Steinhagen, der mit seinem Institut seit mehr als 20 Jahren an diesem Thema forscht. Bei solchen Kraftwerken fokussieren große gebogene Parabolspiegel die Sonnenstrahlen, leiten die Wärme durch ein Rohr, in dem ein 400 Grad Celsius heißer Dampf mit etwa 50 bis 100 Bar Druck erzeugt wird. Dieser wird in ein konventionelles Dampfkraftwerk eingespeist, das die Wärme in Strom umwandelt.

"In Kalifornien gibt es schon seit 20 Jahren solarthermische Kraftwerke", weiß Müller-Steinhagen. Auch in Spanien seien derzeit mehrere in Bau. "Stehen erst einmal viele solcher Kraftwerke, ist der Strom nicht teurer als aus Kohlekraftwerken."

Speicherung von Strom ein Problem
"Die Speicherung von Strom ist generell noch ein Problem", räumte Müller-Steinhagen ein. In dem Fall sei dies aber unerheblich, weil nicht Strom, sondern Wärme gespeichert werde.

(apa/red)

http://www.networld.at/index.html?/articles/0711/15/167252.s…

Antwort auf Beitrag Nr.: 28.346.414 von bossi1 am 17.03.07 19:05:20Hi Bossi,
einen tollen Thread hast Du da eröffnet, von derem Existenz ich die ganze Zeit gar nichts gewußt habe.

Das Solarmundo-Projekt: Solarthermische Kraftwerke zur wirtschaftlichen Stromproduktion

Solarenergie ersetzt fossile Brennstoffe: Das ist die Vision der belgischen Solarmundo NV. Die Aktiengesellschaft entwickelt die Parabolrinnen-Kollektortechnik seit Jahren weiter. Ihr Ziel ist, im großen Umfang Solarstrom zu produzieren, der im Wettbewerb mit konventionell erzeugter Elektrizität mithalten kann.

Sonne statt Öl, Kohle oder Erdgas

Solarthermische Kraftwerke wandeln die Sonnenenergie nicht direkt in Strom um: Mit den Kollektoren wird zunächst eine Flüssigkeit erhitzt und Dampf erzeugt. Dieser wird zu Turbinen und Generatoren geleitet, welche Strom produzieren. Zur Deckung des Elektrizitätsbedarfs sonnenreicher Länder können thermische Solarkraftwerke effektiv beitragen; zur Verteilung muss aber ein Stromnetz vorhanden sein. Die bisher getesteten Pilotanlagen liegen im Leistungsbereich von einem bis zehn Megawatt (MW). Theoretisch können solarthermische Kraftwerke bis zu 400 Megawatt leisten: Ein beachtliches Potenzial für den Mittelmeerraum oder Afrika.

Mit vereinfachter Technik und geringen Betriebskosten sollen Solarmundo-Kraftwerke eine Alternative zu Kohle-, Gas- und Atomkraftwerken werden. Nach der erfolgreichen Erprobung einer Pilotanlage in Liége (Belgien) ist das Unternehmen nun bestrebt, solare Großkraftwerke mit Kapazitäten von bis zu 400 Megawatt zu bauen - im "Sonnengürtel" der Erde, beispielsweise in Nordafrika. Aber auch in den Ländern Südeuropas mit hoher durchschnittlicher Sonneneinstrahlung könnte diese Technik zum Einsatz kommen.

Hohe Leistung - geringe Kosten - Strom für 15 Pfennig / kWh

Mit ihrem einfachen modularen System, standardisierten Komponenten, kostengünstigen Materialien und dem Einstieg in eine Massenproduktion könnte der Solarmundo-Vision auch wirtschaftlicher Erfolg beschieden sein. Die Verbesserungen gegenüber den herkömmlichen "Solar Electric Generating Systems" (SEGS) mit Parabolrinnen-Kollektoren sollen zu einer Kostensenkung von mindestens 50 % führen. Namhafte Partner sorgen dafür, dass solche Berechnungen Hand und Fuß haben. Mit am Solarmundo Projekt arbeiten das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE), die Bayer AG, die Battenfeld GmbH und die Chinesische Akademie für Raumfahrt-Technologie (CAST).

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) führte eine Projektstudie für Solarmundo aus: Die Wissenschaftler des DLR berechneten für ein Ranking der möglichen Standorte unter anderem die Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit von der Bewölkung, Aerosolen, Wasserdampf, Ozon und anderen Störfaktoren. In die Berechnung der Stromerzeugungskosten flossen neben der Sonneneinstrahlung (in Nordafrika bis zu rund 2.500 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr) auch die Kosten für die Infrastruktur ein.

Die Ergebnisse sind beeindruckend: Ein Solarmundo-Kraftwerk in Ägypten (2.782 kWh/m2/Jahr) mit einer Kapazität von 50 Megawatt könnte eine Kilowattstunde Strom für 7,5 Eurocent (zirka 15 Pfennige) erzeugen. Herkömmliche Solar-Dampfkraftwerke in dieser Größe kämen am selben Standort auf 10 Eurocent. Doch auch mit konventionellen fossilen Kraftwerken soll die Solarmundo-Technologie mithalten können: Ein Kraftwerk in Ägypten mit einer Leistung von 200 Megawatt könnte für 5,0 Eurocent eine Kilowattstunde erzeugen, die ein konventionelles Kraftwerk zu den gegenwärtigen Energiepreisen für 5,9 Eurocent liefern würde.

http://www.solarserver.de/solarmagazin/anlageaugust2001.html

http://www.solar-power-group.de/cms/front_content.php?idcat=…

Antwort auf Beitrag Nr.: 28.348.668 von XDA am 18.03.07 04:03:43Hi XDA,
ich war noch nicht dazu gekommen Deine Links und viele meiner Daten hier zu verwerten. Im Abengoa Hauptthread gehen diese Infos in der Masse der Daten und Postings leider unter. Deshalb auch die Datenthreads zu den einzelnen ABG Aktien und hier zum Thema der Solarkraftwerke.

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DLR-Projekt HYDROSOL mit Descartes Preis ausgezeichnet
8. März 2007



Der Sonnenofen des DLR in Köln-Porz Im Rahmen des Projekts HYDROSOL war es Wissenschaftlern aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) erstmals gelungen, Wasser mittels Solarenergie in Wasserstoff und Sauerstoff - und damit ohne Kohlendioxid-Emissionen - thermisch zu spalten. Für diese wegweisenden Arbeiten wurde das Team am 7. März 2007 in Brüssel mit dem angesehenen Descartes Preis für Forschung der Europäischen Kommission ausgezeichnet.

Der Descartes Preis für Forschung der Europäischen Kommission wird seit dem Jahr 2000 jährlich verliehen. Er wird an Teams vergeben, die durch internationale Kooperation herausragende wissenschaftliche oder technologische Ergebnisse erzielen und zeichnet damit die erfolgreichsten europäischen Forschungsprojekte aus. Das kann auf den Gebieten der Natur-, Wirtschafts-, Sozial-, oder Geisteswissenschaften geschehen. Der Preis ist mit insgesamt 1,15 Millionen Euro dotiert.

Im so genannten Sonnenofen des DLR in Köln-Porz (einer Versuchsanlage, in der die Konzentration des Sonnenlichts zu Forschungszwecken eingesetzt wird) war es den Wissenschaftlern aus dem DLR-Institut für Technische Thermodynamik erstmals gelungen, Wasser in einem geschlossenen thermochemischen Kreisprozess mittels Solarenergie in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Das neuartige Verfahren nutzt im Gegensatz zur direkten thermischen Wasserspaltung, die erst bei einigen Tausend Grad Celsius erfolgt, die Kombinationen verschiedener chemischer Reaktionen. Diese laufen bei Temperaturen von unter 1400 Grad Celsius ab und sind daher materialtechnisch beherrschbar. Den Wissenschaftlern gelingt es bei diesen Reaktionen alle verwendeten Chemikalien – bis auf das eingesetzte Wasser und den produzierten Gasen Sauerstoff und Wasserstoff – zurück zu gewinnen und erneut einzusetzen.



Hydrosol-Reaktor im DLR-Sonnenofen Thermochemische Kreisprozesse laufen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 50 Prozent besonders effizient ab. Somit können die Forschungsarbeiten aus dem Projekt HYDROSOL die Grundlage für eine zukünftige, erneuerbare Wasserstoffwirtschaft darstellen. Es scheint nun möglich, dass Wasserstoff als ein Energieträger der Zukunft ohne klimaschädliche Emissionen von Kohlendioxid im großtechnischen Maßstab erzeugt werden kann. Zu diesem Zweck werden die Arbeiten derzeit im Folgeprojekt HYDROSOL 2 von den Partnern zusammen mit der staatlichen spanischen Energieforschungseinrichtung CIEMAT fortgeführt. Koordiniert wird das Projekt vom griechischen Forschungszentrum CERTH/CPERI in Thessaloniki. Weitere Partner sind neben dem DLR das britische Unternehmen Johnson Matthey Fuel Cells sowie die Firma Stobbe Tech aus Dänemark. Das Ziel ist der Bau einer etwa zwanzig Mal größeren Pilotanlage im Vergleich zum DLR-Sonnenofen. Mit einer Leistung von zweimal 100 kWth soll diese auf der Plataforma Solar de Almería getestet werden.

Die Preise wurden am 7. März 2007 in Brüssel von EU-Kommissar Janez Potocnik sowie Bundesforschungsministerin Dr. Annette Schavan unter dem Beisein von Prinz Philippe von Belgien verliehen. Der Descartes Preis ist bereits die dritte und bislang renommierteste Auszeichnung für das Projekt HYDROSOL nach dem Technical Achievement Award 2006 der International Partnership for the Hydrogen Economy IPHE und dem Global Eco-TeCh Award der EXPO 2005 in Japan.

Das DLR-Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart mit seinen weiteren Standorten in Köln-Porz und Alméria/Spanien arbeitet daran, hocheffiziente und innovative Energiewandlungstechniken zu entwickeln und die Nutzung erneuerbarer Energien voranzutreiben.

http://www.dlr.de/desktopdefault.aspx/tabid-13/135_read-7971…

Antwort auf Beitrag Nr.: 28.348.668 von XDA am 18.03.07 04:03:43Solarthermische Kraftwerke aus Deutschland



Funktionsprinzip einer Solarschüssel
Mit solarthermischen Kraftwerken ist es möglich, die Kraft der Sonne großtechnisch zur Stromerzeugung zu nutzen. Dabei wird die in Wärme umgewandelte Solarstrahlung der Sonne genutzt.

In Parabolrinnen- und Sonnenturm- Kraftwerken wird durch Konzentration des Sonnenlichts ein Temperaturniveau erreicht, das die Nutzung von angeschlossenen Kraftwerksturbinen ermöglicht.

Die konzentrierenden Kollektorsysteme können Nutztemperaturen bis 1000 °C erreichen und sind erforderlich, da übliche Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren ohne hohe Konzentration das erforderliche Temperaturniveau nicht erreichen. Die weitere Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie entspricht der herkömmlicher Dampf- oder Gasturbinenkraftwerke.

Typen von solarthermischen Kraftwerken


Funktionsprinzip Sonnenturm


Funktionsprinzip Parabolrinnenkollektor

Die höchsten Temperaturen entstehen im Solarturm-Kraftwerk: Über ein Feld nachgeführter Spiegel wird direkte Sonnenstrahlung auf einen Absorber konzentriert, der die Strahlung in Hochtemperaturwärme umwandelt. Solche Kraftwerke wurden bisher nur als Forschungsprojekte umgesetzt.

Parabolrinnen-Kraftwerke erhitzen durch parabolisch gekrümmte Spiegel ein in der Fokallinie befindliches Absorberrohr. Mit den 6 Metern breiten und einigen hundert Metern langen Parabolrinnen werden Temperaturen von etwa 400 °C erreicht. Diese Technologie ist im kommerziellen Betrieb in neun bestehenden Anlagen mit insgesamt 354 MW seit bis zu 20 Jahren in Kalifornien erfolgreich in Betrieb und hat über 10 TWh Solarstrom erzeugt.



Eine weitere Variante sind Dish-Stirling Maschinen. Sie liefern elektrische Energie mit Hilfe eines der Sonne nachgeführten Parabolspiegels, ebenfalls mit Temperaturen von bis zu 1.000 °C. In dessen Brennpunkt ist ein Stirlingmotor montiert, der die durch mehrhundertfach konzentrierte Sonnenenergie erhitzte Luft in einem Generator in Strom umwandelt.

In Aufwindkraftwerken heizt die Sonne unter einer viele tausend Quadratmeter großen, überdachten Fläche Luft auf, die in einem hohen Kamin nach oben steigt. Im Fuß des Kamins wird der entstehende Sog zum Antrieb einer Windturbine genutzt.

Solarthermische Kraftwerke - Technik der Zukunft
Solarthermische Kraftwerke werden zukünftig eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung spielen. Während sich Dish-Stirling-Systeme in der Leistungsklasse von einigen 10 kW hervorragend für Stand-alone-Systeme eignen, können Parabolrinnen-Kraftwerke mit Einheiten von 50-200 MW schon heute wirtschaftlich zur Spitzenlastversorgung in Stromnetzen eingesetzt werden. Um die Kosten für solarthermische Kraftwerke zu reduzieren und somit den Markt für die Grundversorgung zu erschließen, sieht die internationale "Global Market Initiative for Concentrating Solar Power" (GMI) bis 2015 einen Ausbau der solarthermischen Kraftwerkskapazität auf 5.000 Megawatt vor.

Im Spanien laufen gerade die Vorbereitungen für das erste europäische Parabolrinnen-Kraftwerk, das Anfang 2007 ans Netz gehen wird. Sowohl Projektentwicklung, Ingenieurdienstleistungen als auch Komponentenlieferung und die anteilige Projektfinanzierung werden von deutschen Unternehmen erbracht.

Weitere Kraftwerksprojekte sind in Nevada/USA, Indien und Marokko geplant. In diesen Anlagen kommt die Spitzentechnologie deutscher Firmen zum Einsatz. Experten schätzen, dass ab 2015 ein Zubau von jährlich 4.500 MW Leistung möglich ist.

Bei der Nutzung der Sonnenenergie sind solarthermische Kraftwerke eine viel versprechende Variante. In Verbindung mit einem Wärmespeicher lassen sich solarthermische Kraftwerke rund um die Uhr nutzen. Auch ist ein Hybridbetrieb in Kopplung mit konventionellen Energieträgern möglich. Ein wirtschaftlicher Einsatz ist in Gebieten im Sonnengürtel der Erde, zwischen 40° nördlicher und südlicher Breite, heute schon realisierbar. Die Einstrahlungsintensität liegt in diesem Gebiet zwischen 1.700 und 2.800 kWh/Jahr und Quadratmeter. Dadurch ist in diesen Regionen die kostengünstigste Erzeugung von Solarstrom möglich. Steigende Energiepreise und ein erhöhter Energiebedarf in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung werden in Zukunft für den verstärkten Einsatz dieser sauberen Technologie sorgen.

Deutschland weltweit führend
In Solarthermieanlagen anfallende Stromkosten in Abhängigkeit zur steigenden installierten Leistung
SEGS steht für 9 Parabolrinnenkraftwerke, die zwischen 1984 und 1991 in der kalifornischen Wüste gebaut wurden.
Gesamtleistung: 354 MWe
Deutschland ist bei der Forschung und Entwicklung dieser Technologie weltweit führend. Mit Blick auf die mit dem Potenzial dieser Technologie verbundenen Chancen fördert die Bundesregierung seit mehreren Jahren deren Entwicklung. Deutsche Unternehmen können hier umfassendes Know-how anbieten, das auch maßgeblich in die Entwicklung einer zukunftsweisenden Parabolrinne („SKAL-ET“) einfloss. Diese weist im Rahmen eines Demonstrationsprojektes seit 2003 erfolgreich in den bestehenden Kraftwerken in Kramer Junction/Kalifornien einen um 10% höheren Wirkungsgrad auf und wird auch bei den in Andalusien/Spanien geplanten 50 MW Parabolrinnen-Kraftwerken zum Einsatz kommen.

Alle wesentlichen Komponenten der in den letzten Jahren entwickelten Spitzentechnologien zur solarthermischen Stromerzeugung sowie die Ingenieurleistungen zur Auslegung, zum Bau und zum Betrieb der Kraftwerke können aus Deutschland geliefert werden.


Ich konnte auf die Daten der großen Grafik nicht
zugreifen, da die Daten unsicher waren (Pishing)

Seitenlink
http://www.renewables-made-in-germany.com/de/solarthermische…

PSA Link (kannte ich schon)
http://www.psa.es/