Solarenergie beansprucht Rohre

Technik | Werkstoffe und Halbzeuge

Herzstück des Gemasolar-Kraftwerks bei Sevilla ist der 140 m hohe Solarturm. Die Rohre in seinem Inneren sind nicht nur besonderen Hitze- und Druckbelastungen , sondern auch starker Korrosivität ausgesetzt.

26. November 2013

Ein Solarturm von 140 Meter Höhe, 2650 bewegliche Spiegel, von denen jeder aus 110 Quadratmetern Silber besteht, 15 Kilometer nahtlose Rohre, Tanks für 8500 Tonnen Flüssigkeiten und all das auf einer Fläche von 18 Hektar: Das solarthermische Großkraftwerk Gemasolar wartet mit einer Reihe Superlative auf. Die Anlage ist zudem die erste ihrer Art, die Flüssigsalz als Wärmespeicher benutzt.

Die Sonneneinstrahlung, die auf den Absorber am Ende des Turms einwirkt, entspricht der von 1000 Sonnen. Mit dieser enormen Energie werden Nitrate auf über 565 °C erhitzt und zur Erzeugung von Dampf eingesetzt, der wiederum die Turbinen des Kraftwerks antreibt. Die Speicherkapazität von 15 Stunden hat wegweisende Auswirkungen für die regenerative Stromversorgung: Gemasolar liefert nicht nur zu Sonnenzeiten Strom, sondern bedarfsweise auch nachts oder bei bewölktem Himmel; kurz: rund um die Uhr. Und dabei entstehen nicht die hohen Kosten, die bei einer Batteriespeicherung anfallen würden.

Die hohen Temperaturen und Drücke treiben die Turbinen 24 Stunden am Tag. Mit einer Nennleistung von 19,9 MW kann das Kraftwerk Strom für über 27500 Haushalte erzeugen. Es hat schon im ersten Betriebsjahr alle Erwartungen übertroffen. Ein weiterer Aspekt, der die positiven Umwelteffekte unterstreicht, sind die jährlich eingesparten 30000 t CO2-Emissionen.

Generalunternehmer und Betreiber des Gemasolar-Großkraftwerks ist der internationale Anlagenbauer Sener. Gemeinsam mit Masdar, einem auf regenerierbare Energien spezialisierten Unternehmen aus Abu Dhabi, hat Sener den Bau der Solarenergie-Anlage im Jahr 2008 begonnen. Sener hat auch die Schlüsseltechnologien für diese innovative Einrichtung geliefert.

Die Projektentwicklung begann 2006, als Sener eine Versuchseinrichtung in der Platforma Solar de Almeria (PSA), einer der weltweit größten Einrichtungen zur Erforschung und Entwicklung von Solartechnik, aufbaute. 2006 und 2007 konnten damit die von Sener patentierte Konstruktion und Funktion des Solarturmes und des Flüssigsalzsystems validiert werden. Die Gründung von Torresol Energy durch Sener und Masdar markierte den Beginn der kommerziellen Projektphase.

Als erstes Solarkraftwerk seiner Art stellt Gemasolar hohe Ansprüche. Es benötigt viele maßgeschneiderte Technologien und für alle Bauteile besonders hochwertige, robuste und belastbare Materialien. So sind die Rohre im 140 m hohen Solarturm, die die geschmolzenen Nitrate leiten, extremen Hitzebelastungen in der sehr korrosiven Umgebung ausgesetzt. Sie müssen Temperaturen von 565 °C Stand halten – 24 Stunden am Tag, sieben Tage in der Woche.

Sener hatte denn auch sehr genaue Anforderungen an die Qualität der Rohre. Das Pflichtenheft war umfangreich und detailliert. »Der zentrale Solarturm ist die wichtigste Komponente solcher Anlagen. Die Rohre für den Transport der heißen Gase unter sehr hohem Druck mussten von höchster Qualität sein. Der Lieferant der Rohre hatte also den Nachweis zu erbringen, dass diese auch unter extremen Bedingungen und während der gesamten Lebenszeit der Anlage ohne Einbußen funktionieren«, erläutert Santiago Arias, Technischer Direktor Betrieb und Management von Torresol.

Sener erhielt mehrere Angebote von Rohrherstellern für dieses Projekt. Das von Fine Tubes aus Plymouth, Hersteller von Präzisionsrohren, überzeugte, weil die Engländer alle Anforderungen, insbesondere diejenigen hinsichtlich der Qualität, für diese Art Rohre nicht nur erfüllten, sondern sogar übertrafen. »Die durch und durch zufriedenstellenden Resultate und die Erfahrungen, die wir vorher bei den Tests der Solarsegel für PSA mit Rohren von Fine Tubes gemacht hatten, bestätigten uns zudem darin, das Unternehmen als exklusiven Rohrlieferanten für die Herstellung der Flügel für den Solarturm zu wählen«, ergänzt Arias.

Dazu gehören auch die Sonnenflügel für den Solarturm, die Fine Tubes gemeinsam mit Sener entwickelt hat. Fine Tubes produzierte in der Folge alle Rohre, aus denen der Gemasolar-Turm besteht. Hier kam das gesammelte Wissen der Spezialisten für Präzisionsrohre zum Tragen. Fine Tubes lieferte 15 km nahtlos kalt gezogene Stahlrohre, die exakt auf die hohen Belastungen ausgelegt sind.

Die Rohre aus der korrosionsfreien Nickel-Chrom-Legierung 625 haben 25 mm Durchmesser, sind extrem hitzebeständig und überdurchschnittlich standfest. Zudem steuerte Fine Tubes 300 m Rohre aus der gleichen Nickel-Chrom-Legierung für die Wärmetauscher bei. Bei 19 mm Durchmesser besitzen diese eine höhere Wanddicke (2,64 mm statt 1,22 mm), um dem extremen Druck in den Dampfgeneratoren standzuhalten. Hier kommt die lange Erfahrung der Experten aus Plymouth zum Tragen, die sowohl hinsichtlich der Legierung als auch der Verarbeitung die Vorstellungen der Anlagenbetreiber übertreffen konnten.

Insbesondere bieten diese Rohre eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber thermo-mechanischer Materialermüdung und eine hohe Qualität im Produktionsprozess. »Beides ist wichtig, um eine lange Lebensdauer und geringe Wartungsintensität zu garantieren, weil der Solarturm konstant verfügbar sein muss. Gleichzeitig muss der Turm eine enorm hohe Energiedichte von über 1000 Sonnen absorbieren, die extrem variabel durch die wechselnde Bewölkung ist«, kommentiert Jesús Lata, Leiter Konstruktion bei Sener. »Sener schätzt den Beitrag von Fine Tubes zu diesem Projekt sehr hoch ein.

Die Betriebsbedingungen für die Komponenten verlangen hochwertige und sehr verlässliche Produkte. Diese Anforderung wurden vorbildlich erfüllt«, bewerten rückblickend Santiago Arias, Technischer Direktor für Betrieb und Wartung bei Torresol Energy, und Peru Arribalzaga, Projektmanager von Sener, unisono. »Positiv hervorheben möchten wir zudem das Einhalten von Terminen und den ständigen Kommunikationsprozess während der Herstellung der Komponenten. Diese beiden Aspekte waren sehr wichtig für den erfolgreichen Projektfortschritt«, ergänzen sie.

Ziele erreicht – Erwartungen übertroffen

Für die Qualitätssicherung während des laufenden Betriebs ist das Service- und Support-Team von Torresol zuständig. »In den ersten beiden Jahren, seitdem Gemasolar Strom liefert, hat dieses Team alle Erwartungen übertroffen. Die Anlage hat bewiesen, dass die Robustheit der von Sener konzipierten Architektur die für sie gemachten Vorhersagen übertrifft und alle Produktionsziele erreicht.

Um dahin zu gelangen, haben die beteiligten Techniker und Ingenieure einen erfolgreichen Lernprozess für die Anlage und ihren Betrieb hinter sich gebracht. Die Betriebsstunden nehmen erheblich zu und die hochempfindlichen von Sener für die Energiegewinnung entwickelten zentralen Komponenten bringen die erwartete Leistung. Dabei ist der Automatisierungsgrad sehr viel höher als bei anderen aktiven Thermosolar-Anlagen«, bemerkt abschließend Santiago Arias.

Diesen Sommer produzierte Gemasolar 36 Tage lang rund um die Uhr Energie nur mit Sonnenkraft. Die geplante Energieeinspeisung ins Stromnetz wurde so erreicht. Kein anderes Solarkraftwerk hat bisher eine vergleichbare Leistung geliefert. Die jährliche Nettostromproduktion steigt auf 110 GWh, was einem Gesamtbetrieb von insgesamt 6450 h bei voller Leistung entspricht. Für Innovation und Nachhaltigkeit dieses Projektes hat Sener bereits einige Auszeichnungen erhalten, so den Innovationspreis und den Preis für Nachhaltigkeit bei den ›European Business Awards‹.

Das in der Anlage verwendete Material, insbesondere das von Fine Tubes, weist bisher sehr geringe Verschleißerscheinungen auf und ermöglicht seit der Inbetriebnahme auch unter der extremen Belastung eine exzellente Leistung. Das Flüssigsalz muss auf eine Höhe von 145 m gepumpt werden; dabei ›erlebt‹ es Temperaturschwankungen zwischen 290 ºC im kalten und 565 ºC im heißen Salztank und sogar noch mehr im Receiver.

Der sich über einen Monat erstreckende Dauerbetrieb im Sommer 2013 belegt, dass dies in allen Bereichen der Anlage funktioniert.

Erschienen in Ausgabe: 07/2013