Entwicklung und Simulation einer Wasserstofferzeugungsanlage auf einem Solarturm

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Ziel der Arbeit war, eine Testanlage zur thermochemischen Wasserstofferzeugung auf einem Solarturmsystem zu entwickeln und zu qualifizieren, sowie ein System- und Regelungsmodell und eine Betriebsstrategie dafür zu erstellen und zu validieren. Als erster Teilschritt wurde der Reaktor, das Prozesskontrollsystem und die benötigte Peripherie für eine Wasserstoffproduktion mit dem zweistufigen thermochemischen Kreisprozess ausgelegt und entwickelt. Die komplette Anlage wurde auf einem Solarturm der Plataforma Solar de Almería in Spanien installiert und in Betrieb genommen. Der Reaktor wurde zuerst mit unbeschichteten Parallelkanalmonolithen thermisch qualifiziert. Anschließend wurden dann mit Metalloxid als Funktionskeramik beschichtete Parallelkanalmonolithe zur solaren Erzeugung von Wasserstoff eingesetzt. Verschiedene Ansätze einer Betriebsstrategie wurden erstellt und im Experiment erprobt. Begleitend wurde ein Modell der gesamten Anlage entwickelt, um verschiedene Ansätze zu Betriebsstrategien und Betriebszustände mit hohem Belastungspotential für die Anlage (am Rande des Betriebsbereiches) simulieren zu können. Das Modell besteht aus drei Untermodellen, dem Heliostatfeldmodell, dem Temperaturmodell und dem Reaktionsmodell, die miteinander gekoppelt sind. Das Heliostatfeldmodell simuliert die Flussdichte und daraus resultierend die Solarleistung in der Receiver-Ebene. Das Temperaturmodell berechnet mit der simulierten Leistung die aktuellen Temperaturen an einer Reihe von Schlüsselpositionen im Reaktor, im Besonderen die Temperatur der beschichteten Absorberstrukturen. Das Modell beinhaltet im Wesentlichen alle notwendigen thermodynamischen Gleichungen zur Beschreibung aller relevanten Energieströme. Das Reaktionsmodell nutzt die Temperaturen als zentralen Parameter, um die Wasserstofferzeugungsrate im Reaktionsraum, der Absorberstruktur, zu berechnen. Mit dem Gesamt-Modell kann eine Bewertung des zweistufigen thermochemischen Kreisprozesses in Kombination mit einer Solarturm-Anlage durchgeführt werden. Das Modell wurde zum Abschluss der Arbeit genutzt, um Parameterstudien zur Entwicklung von Betriebsstrategien der Anlage und von Prozess-Regel-Strategien durchzuführen. Dazu wurde eine Regelung in das Gesamt-Modell integriert. Die zentrale Regelgröße der Prozess-Regelung waren die Betriebstemperaturen der beiden Module. Die Regelung funktioniert an Tagen mit einem Verlauf an solarer Direktstrahlung, der hauptsächlich durch den Sonnenstand und kaum durch Wolken beeinflusst wird, sehr gut. Des Weiteren wurden einige Tage mit Störungen durch Wolken simuliert und damit die Grenzen des Prozesses und des Systems ermittelt. Mit diesen Erfahrungen konnte eine Betriebsstrategie ausgewählt und optimiert werden, die neben generellen Aspekten wie Grundparameter des Anlagenbetriebs, besonders die An- und Abfahrprozesse und den regulären Betrieb und die Reaktion auf Störungen adressiert. Mit dieser Betriebs-/Regelungsstrategie kann eine solch komplexe Anlage in einem kommerziellen Maßstab zukünftig weitestgehend automatisiert betrieben werden. Die erzielten Erkenntnisse können außerdem für andere solarchemische Prozesse adaptiert werden.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften » 628 Versorgungs- und Entsorgungstechnik; Umwelttechnik
Stichwörter:
Wasserstofferzeugung, Solarturm, Thermochemischer Kreisprozess, Konzentrierende Solartechnik
Beitragende:
Prof. Dr. rer. nat. Heinzel, Angelika [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr.-Ing. Pitz-Paal, Robert [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
29.08.2012
Promotionsantrag am:
11.07.2006
Dateien geändert am:
09.11.2012
Medientyp:
Text
Rechtliche Vermerke:
keine
Bezug:
01.01.2007 bis 29.08.2012