Flexible Wärmespeicherkraftwerke zur sicheren und erneuerbaren Deckung der Residuallast

Zur Deckung der Residuallast werden thermische Kraftwerke mit fünf Schlüsselkomponenten gemäß Abb. 2 vorgeschlagen [3]:

• eine zyklische erneuerbare Stromquelle bestehend aus einer großen Photovoltaikanlage;
• eine Speicherbeheizung bestehend aus Elektroheizer, Zufeuerung und Rekuperator;
• ein Wärmespeicher bestehend aus Flüssigsalztanks mit Lade- und Entladepumpen;
• ein Dampfkraftwerk mit Dampferzeuger, Generator, Kondensator und Speisewasserpumpe;
• eine Spitzenlastgasturbine mit Wärmerückgewinnung in den Wärmespeicher.

Eine Dampfturbine mit Flüssigsalz-Wärmespeicher und der Möglichkeit der Zufeuerung mit Brennstoff sorgt auch während Dunkelflauten für jederzeit sichere Leistung. Der Wärmespeicher wird über einen Elektroheizer mit regelmäßigen erneuerbaren Energieüberschüssen aus einer gegenüber der Dampfturbine stark überdimensionierten Photovoltaikanlage und aus Netzüberschüssen beladen. Die maximale Temperatur des Flüssigsalzspeichers von 560°C stimmt dabei gut mit der Frischdampftemperatur eines typischen Dampfkraftprozesses überein [4]. Alternativ zu den kommerziell verfügbaren Salzspeichern wird seit einigen Jahren auch an Feststoffspeicherkonzepten geforscht [5]. Lastspitzen oberhalb der Nennleistung der Dampfturbine können mit einer Gasturbine abgedeckt werden, deren Abwärme über einen Rekuperator im Wärmespeicher zurückgewonnen werden kann. Ein Teil des Photovoltaikstroms kann immer dann direkt an die Verbraucher durchgeleitet werden, wenn Angebot und Bedarf zeitlich übereinstimmen. Ein solches Kraftwerk kann verschiedene Betriebsmodi aufweisen, die zur Deckung zukünftiger, stark schwankender Residuallasten gebraucht werden:

• Strom einer großen PV-Anlage fließt vorrangig zu den Verbrauchern, während Überschüsse zusammen mit Überschüssen aus dem Netz über einen Elektroheizer in den Wärmespeicher geleitet werden. In diesem Fall geht die Dampfturbine außer Betrieb oder in Standby.
• Reicht der Solarstrom allein nicht zur Deckung der Last aus, wird die Dampfturbine zugeschaltet und zunächst aus dem Wärmespeicher heraus angetrieben.
• Reicht die Energie im Speicher nicht mehr zum Antrieb der Dampfturbine aus, wird der Wärmespeicher zusätzlich mit Brennstoff beheizt. Aufgrund der indirekten Anbindung wird kein hoher Anspruch an die Qualität des Brennstoffs und an die Flexibilität der Feuerung gestellt.
• Reicht die volle Leistung der Dampfturbine für höhere Lastspitzen nicht aus, wird eine Gasturbine zugeschaltet und ihre Abwärme über den Rekuperator an den Wärmespeicher abgegeben.

Die volle Leistung des Kraftwerks (Gas- und Dampfturbine) kann jederzeit sicher und sehr flexibel garantiert werden, wobei infolge der Direktdurchleitung des Solarstroms und des Speicherbetriebs der Dampfturbine große Mengen an Brennstoff eingespart werden. Werden Holz für die Zufeuerung im Wärmespeicher und Biogas, Wasserstoff oder synthetisches erneuerbares Methan für die Gasturbinen als Zusatzbrennstoffe verwendet, arbeitet ein solches Kraftwerk weitgehend CO₂-neutral und verbraucht trotzdem nur relativ geringe Mengen Brennstoff (Tab. 1). Alternativ zur Zufeuerung mit Biomasse können die Kraftwerke mit Erdgas über Gasturbine und Rekuperator ähnlich wie ein GuD-Kraftwerk betrieben werden.