Die Energieträger Wind und Sonne werden in der Stromerzeugung der Zukunft eine Schlüsselrolle spielen. Bei allen Vorteilen haben die Energiequellen Wind und Sonne allerdings auch einen großen Nachteil: Ihre Verfügbarkeit schwankt. Bisher schlossen hierzulande mit fossilen Energieträgern betriebene Kraftwerke die Lücken in der Stromversorgung. Künftig müssen jedoch andere Wege gefunden werden, um die nötige Netzstabilität zu gewährleisten. Speichersysteme sind nur ein Teil der Lösung, denn der in Deutschland erzeugte Strom aus Erneuerbaren Energien reicht laut Studien des Öko-Instituts nicht aus, um den heimischen Bedarf zu decken.
Solarthermische Kraftwerke produzieren regelbaren Strom
Ohne den Import von Strom aus regenerativen Quellen wird es daher nicht gehen. In diesem Zusammenhang lohnt sich der Blick auf eine bislang wenig verbreitete Form der Stromproduktion aus Sonnenenergie: Solarthermische Kraftwerke. Diese Anlagen zählen zu den konzentrierten Solarenergiesystemen (Concentrated Solar Power) und werden bevorzugt in sonnenreichen Ländern errichtet. Dazu rechnet das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR e.V.) in einer Studie aus dem Jahr 2021 neben den USA, Marokko, Südafrika und China auch die europäischen Staaten Spanien und Griechenland. Diese Länder eignen sich wegen ihrer geografischen Nähe besonders für den Export von Strom aus solarthermischen Kraftwerken nach Deutschland.
Wärmespeicher spielen eine Schlüsselrolle
Solarthermische Kraftwerke gibt es in verschiedenen Ausführungen, deren Funktionsweise sich grundsätzlich ähnelt. Die Anlagen konzentrieren mithilfe von Spiegeln Sonnenlicht und erzeugen somit Wärme, die zur Dampfproduktion genutzt wird. Mit dem Dampf wird eine Turbine angetrieben, die wiederum mit einem Generator verbunden ist, der die Bewegungsenergie des Generators schließlich in elektrischen Strom umwandelt.
Eine zentrale Komponente in solarthermischen Kraftwerken ist der Wärmespeicher. Flüssige Trägermedien konservieren die thermische Energie so lange, bis sie entweder über einen Wärmetauscher oder direkt in einen Dampferzeuger geleitet wird. Als Speichermedium kommt in der Regel Flüssigsalz zum Einsatz. Damit die Wärmespeicherung beziehungsweise -übertragung reibungslos funktioniert, muss der Zustand der Salzschmelze kontinuierlich überwacht werden. Das Flüssigsalz erstarrt nämlich unterhalb von 270 °C langsam und verwandelt sich ab einer Temperatur von weniger als 250 °C in Keramikblöcke, die den Kraftwerkskreislauf stoppen.
Massedruckmessumformer überwachen die Salzschmelze
Für die ständige Kontrolle der Salzschmelze eignen sich zum Beispiel die Hochtemperatur-Drucksensoren KE SIL2 von Gefran. Die Schmelzedruckmessumformer der Serie K messen Mediendrücke in Umgebungen mit Temperaturen von bis zu 538 °C (entspricht 1000 °F) an der Membran. Das Funktionsprinzip basiert auf hydraulischer Druck- und mechanischer Spannungsübertragung.
Die Erfassung des Drucks erfolgt über ein hydraulisches System, das aus einer Kapillare mit einem Innendurchmesser von 0,1 mm besteht. In dieser Kapillare befindet sich eine nicht-komprimierbare Übertragungsflüssigkeit (NaK, Natrium/Kalium), die den Druck der heißen Salzschmelze auf eine Messmembran überträgt. Ein an dieser Membran befestigter Dehnungsmessstreifen (DMS) wandelt die physikalische Größe „Druck“ in ein elektrisches Signal um. Dieses wird dann an ein Datenerfassungssystem gesendet.
Signalschwankungen werden automatisch kompensiert
Damit der Druckmessumformer auch Drücke in Übertragungsflüssigkeiten mit einer Temperatur von bis zu 538 °C messen kann, liefert Gefran den Sensor mit einer Membran aus Inconel 718 mit GTP+-Beschichtung. Für die Messung von Drücken in Flüssigkeiten mit Temperaturen von bis zu 400 °C beziehungsweise 300 °C stehen Membranen aus 15-5 PH mit GTP+-Beschichtung und aus Hastelloy C276 zur Verfügung.
Der Hochtemperatur-Druckmessumformer KE SIL2 besitzt nicht nur eine Autozero-Funktion, mit der sämtliche im drucklosen Zustand erfassten Offset-Signale eliminiert werden können. Er kann zudem die durch die Variation der Massetemperatur verursachte Schwankung des Drucksignals mittels einer automatischen internen Kompensation unwirksam machen. Sollte sich also die Temperatur der im Kraftwerkskreislauf zirkulierenden Salzschmelze ändern und damit auch die Temperatur des Füllmediums NaK im Sensor, hat dies keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit, mit der der Sensor den in der Salzschmelze herrschenden Druck erfasst.
Sensoren überwachen solarthermische Kraftwerke
Die Massedruckmessumformer KE SIL2 von sind langzeitstabil und können dank ihrer SIL2-Zertifizierung (IEC/EN 62061/ IEC 61508) auch für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Funktionale Sicherheit eingesetzt werden. KE SIL2-Hochtemperatur-Drucksensoren bieten Messbereiche von 0..17 bis 0..1000 bar beziehungsweise 0..250 bis 0..15000 psi und weisen ein sehr geringes Signalrauschen von < 0.025 Prozent vom Endwert auf. Die Sensoren besitzen einen Stromausgang mit 4...20 mA und verfügen über einen Verpolungs- und Kurzschlussschutz sowie einen kompensierten Temperaturbereich von 0 ...+85 °C. Als Zubehör ist ein Prozessflanschadapter erhältlich, über den die Sensoren auch an Anwendungen in der Kunststoff-Industrie angeschlossen werden können. Die KE SIL2-Massedruckumformer sind sowohl mit analogem Ausgang als auch mit digitaler HART-Schnittstelle lieferbar.
Solarenergiesysteme auch in Deutschland relevant
Mit den hier vorgestellten Sensoren lassen sich solarthermische Kraftwerke also sicher und energieeffizient betreiben. Diese Anlagen sind zwar bislang noch nicht sehr weit verbreitet, könnten aber in sonnenreichen Ländern beim Umstieg von fossilen auf regenerative Energiesysteme künftig eine wichtige Rolle spielen. Da Deutschland zur Erreichung seiner Klimaziele auf den Import von Strom aus erneuerbaren Quellen angewiesen ist, wird man sich sicher auch hierzulande über kurz oder lang noch intensiver mit dem regelbare Solarstrom aus solarthermischen Kraftwerken beschäftigen.
