Salzschmelzespeicher · The Last Codex

Ein Salzschmelzespeicher bewahrt die Wärme eines Solarkraftwerks in großen, gedämmten Tanks mit geschmolzenem Nitratsalz auf, damit das Kraftwerk auch nach Sonnenuntergang oder unter Wolken Dampf und Strom erzeugen kann. Kaltes Salz mit etwa 290 °C wird im Receiver auf etwa 565 °C erhitzt und in einem heißen Tank gehalten, bis es gebraucht wird. Der französische Solarturm Thémis, 1983 ans Netz angeschlossen, nutzte Salzschmelze, um seine Wärme zu transportieren und zu speichern.

Was es ist

Ein solarthermisches Kraftwerk sammelt nur Wärme, solange die Sonne scheint, aber Strom wird zu jeder Stunde gebraucht. Der Salzschmelzespeicher trennt beides. Tagsüber erhitzt das Kraftwerk mehr Salz, als seine Turbine gerade braucht, und hebt den Überschuss in einem Tank auf. Am Abend oder wenn Wolken vorbeiziehen, greift es auf dieses heiße Salz zurück und erzeugt weiter Dampf für die Dampfturbine.

Das Salz ist ein Gemisch aus Natrium- und Kaliumnitrat. Es brennt nicht und gibt auch sehr heiß kaum Dampf ab, sodass man es in großen Tanks bei Atmosphärendruck lagern kann statt in Druckbehältern. Sein Nachteil: Um 240 °C bilden sich die ersten Kristalle, um 220 °C ist es ganz fest, deshalb muss es in den Rohren stets über diesem Bereich bleiben.

Wie es funktioniert

Ein Schnitt durch Wand und Boden eines großen Speichertanks: ein Stahlmantel, eine dicke Dämmschicht darum unter einer dünnen Blechverkleidung und darunter ein Fundament aus Feuerleichtsteinen auf Beton Der heiße Tank ist ein Stahlmantel in einer Dämmhülle auf einem gedämmten Fundament.

Die übliche Anordnung hat zwei Tanks. Salz aus dem kalten Tank wird mit etwa 290 °C zum Receiver gepumpt, dort auf etwa 565 °C erhitzt und fließt in den heißen Tank. Braucht das Kraftwerk Leistung, wird heißes Salz durch einen Dampferzeuger gepumpt, wo es Wasser verdampft, und fließt abgekühlt wieder in den kalten Tank. Wärmesammlung und Stromerzeugung können dann verschiedenen Fahrplänen folgen. Weil das Salz die Wärme vom Receiver selbst transportiert und auch speichert, spricht man von einem direkten System.

Die beiden Tanks bestehen aus verschiedenen Metallen. Heißes Nitratsalz greift gewöhnlichen Stahl an, daher ist der heiße Tank aus Edelstahl; der kalte Tank kann bei der niedrigeren Temperatur aus billigerem Kohlenstoffstahl sein. Beide sind dick gedämmt. Wird das Salz lange deutlich über den 565 °C des heißen Tanks gehalten, zersetzt sich das Nitrat allmählich, gibt Sauerstoff ab und wird teilweise zu Nitrit; das legt die obere Grenze des Speichers fest.

Das Erstarren ist das größte Betriebsrisiko. Ein Pfropfen aus festem Salz kann ein Rohr oder ein Receiverrohr verstopfen. Rohre, Ventile und Receiver müssen deshalb mit elektrischen Heizungen über dem Beginn der Kristallbildung gehalten oder entleert werden, wenn sie nicht in Gebrauch sind.

So geht’s

Zwei Thermosflaschen nebeneinander auf einem Tisch, die eine mit einem roten, die andere mit einem blauen Band markiert, in jedem Stopfen ein Thermometer, daneben ein Krug mit Wasser Zwei Thermosflaschen mit warmem und kühlem Wasser zeigen, wie ein gedämmter Tank seine Wärme hält.

Zwei Thermosflaschen und zwei Thermometer zeigen, wie ein gut gedämmter Speicher seine Wärme hält. Markieren Sie eine Flasche mit rotem Klebeband als heißen Tank und die andere mit blauem als kalten Tank. Füllen Sie die rote mit warmem und die blaue mit kühlem Leitungswasser, verschließen Sie beide mit einem Stopfen, durch den ein Thermometer führt, und notieren Sie die beiden Temperaturen. Füllen Sie eine offene Tasse mit demselben warmen Wasser und stellen Sie ein Thermometer hinein.

Lesen Sie die drei Thermometer einen Nachmittag lang bis in den Abend hinein jede halbe Stunde ab. Das Wasser in der offenen Tasse kühlt schnell ab, während das warme Wasser in der roten Flasche stundenlang warm bleibt, so wie das heiße Salz in seinem gedämmten Tank. Die blaue Flasche bleibt ebenso lange kühl, denn die Dämmung bremst den Wärmefluss in beide Richtungen.

Sicherheitshinweis. Verwenden Sie nur warmes Leitungswasser, nie kochendes, damit sich niemand verbrüht, und prüfen Sie, dass die Flaschen unbeschädigt sind und so stehen, dass sie nicht umgestoßen werden können. Versuchen Sie nie, Nitrate oder ein anderes Salz zu Hause zu schmelzen: Salzschmelze verursacht schwere Verbrennungen, und Nitrate sind starke Oxidationsmittel, die Holz, Papier oder Kleidung heftig brennen lassen können.

Geschichte und Entwicklung

Ein rundes Feld kleiner Spiegel um einen zentralen Turm, schräg von hoch oben gesehen, mit zwei runden Speichertanks und einem Kraftwerksblock am Fuß des Turms Ein Turmkraftwerk mit Speicher von oben: das Spiegelfeld, der Turm und daneben die beiden Salztanks.

In den USA entwarfen Ingenieure des Solarprogramms Zentralreceiver-Kraftwerke, die ihre Wärme in geschmolzenem Nitratsalz transportieren und speichern sollten. In der Central Receiver Test Facility in Albuquerque, New Mexico, wurde ein Versuchsspeicher mit einem kalten und einem heißen Tank gebaut und erprobt, und die Versuche zeigten, dass das Konzept funktionierte. Dieselben beiden Tanks dienten danach dem Molten Salt Electric Experiment, einem kleinen vollständigen Kraftwerk auf dem Gelände, das 1984 und 1985 getestet wurde und mit einem Monat Stromerzeugung endete.

In Frankreich wurde der Solarturm Thémis bei Targassonne in den Pyrenäen 1983 ans Netz angeschlossen. Dort trug Salzschmelze die Wärme vom Receiver zum Dampferzeuger und diente zugleich als Wärmespeicher des Kraftwerks.

Solar Two, in Kalifornien auf dem Gelände des früheren Turms Solar One errichtet, lief Ende der 1990er-Jahre mit einem Salzschmelze-Receiver und zwei Speichertanks. Die Anlage zeigte, dass ein Turmkraftwerk tagsüber Wärme sammeln und bei Wolken und nach Sonnenuntergang Strom liefern kann.

Gemasolar bei Sevilla in Spanien ging 2011 in Betrieb, mit einem Salzreceiver auf dem Turm und Tanks, die groß genug sind, um die Turbine etwa 15 Stunden ohne Sonne laufen zu lassen. Schon im ersten Sommer lieferte die Anlage einen ganzen Tag und eine ganze Nacht lang ohne Unterbrechung Strom.