Betriebsassistenz für solarthermische Kraftwerke zur Effizienzsteigerung auf Basis regelungstechnischer Methoden

Nolteernsting, Felix; Abel, Dirk (Thesis advisor); Pitz-Paal, Robert (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Concentrating Solar Power (CSP)-Kraftwerke konzentrieren das Sonnenlicht, um es in Strom umzuwandeln. Dabei können in CSP-Kraftwerken thermische Speicher eine effiziente Möglichkeit zur Speicherung erneuerbarer Energie in Form von Wärme bieten. Durch die Verwendung von thermischen Speichern gewinnt die Prozessführung im CSP-Kraftwerk an Komplexität. Der optimale Betrieb der CSP-Kraftwerke wird zusätzlich durch ihre geringe Verbreitung und den resultierenden prototypischen Charakter erschwert. Die Erfahrung von Anlagenbedienern ist daher von enormer Wichtigkeit für den erfolgreichen Betrieb der CSP-Kraftwerke. In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept für ein Betriebsassistenzsystem in CSP-Kraftwerken entworfen. Das Assistenzsystem basiert auf regelungstechnischen Methoden und dient der Effizienzsteigerung beim Kraftwerksbetrieb. Das Assistenzkonzept besteht aus vier aufeinander aufbauenden Stufen unterschiedlichen Automatisierungsgrads. Die meiste Verantwortung behält der Anlagenbediener im Prädiktionsmodus, dem ersten Automatisierungsgrad. Er dient der Prädiktion des zukünftigen Zustands des Kraftwerks bei unveränderlichen Stellgrößen. Der Prädiktionsmodus wird im Rahmen dieser Arbeit für den Zustand des thermischen Festbettspeichers des Solarturm Jülich implementiert. Weiterhin wird eine prototypische Umsetzung des Prädiktionsmodus im Kraftwerk präsentiert. Für die Umsetzung des Prädiktionsmodus wird ein Zustandsschätzer für den thermischen Speicher entworfen und an Messdaten validiert. Eine vollständige Automatisierung des Kraftwerkprozesses erfolgt im vierten Automatisierungsgrad. Die Stellgrößen werden durch eine Optimierung innerhalb einer ökonomischen Modellprädiktiven Regelung ermittelt. Der elektrische Output des Kraftwerks wird maximiert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird dieses Verfahren für den Betrieb des Kraftwerks simulativ am Szenario eines starken Strahlungseinbruchs erprobt. Die Ergebnisse der Simulation werden präsentiert und diskutiert. Auch der zweite und dritte Automatisierungsgrad des Betriebsassistenzsystems für CSP-Kraftwerke werden eingeführt und motiviert. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist ein Konzept, das im komplexen prototypischen Prozess des CSP-Kraftwerks die Möglichkeit eröffnet, mit regelungstechnischen Methoden die Effizienz zu steigern und gleichzeitig die Erfahrung eines Anlagenbedieners einzubeziehen.

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