Der Betrieb von solarthermischen Turmkraftwerken war bisher sehr aufwendig. Riesige Spiegel konzentrieren das Sonnenlicht auf eine kleine Fläche in einem Turm. Die dort entstehenden Temperaturen von bis zu 1.000 Grad Celsius werden genutzt, um ein Wärmeträgermedium zu erhitzen, das wiederum einen Dampfkreislauf aufrecht erhält. Der Dampf wird für industrielle Zwecke oder zur Stromerzeugung genutzt. Alternativ lässt sich die Wärme auch speichern, um sie zu nutzen, wenn die Sonne nicht scheint.
Bisher manuell gesteuert
Derzeit werden diese Anlagen manuell gesteuert. „Anhand von Wettervorhersagen, aktueller Wetterlage, Zustand der Anlage und benötigter Leistung wird geplant, wann man sie hoch- und runterfährt und wie die Heliostaten ausgerichtet werden, um einen bestimmten Temperaturbereich zu halten“, beschreibt Projektleiterin Inga Miadowicz vom DLR-Institut für Solarforschung das aktuelle Prozedere.
Dabei gelte es, eine Vielzahl an Kontroll-, Kamera- und Messsystemen ständig im Blick zu behalten. „Denn nur so kann man schnell reagieren, wenn sich die Wetterbedingungen ändern“, erklärt Inga Miadowicz. „Das ist wichtig, damit die Zieltemperatur für die Wärmeerzeugung konstant gehalten werden kann. Gleichzeitig müssen die Komponenten der Anlage vor Überhitzung bei besonders intensiver Sonneneinstrahlung oder zu schnellem Abkühlen bei Bewölkung geschützt werden.“
Aufwand minimieren
Um diesen Aufwand zu minimieren, haben Inga Miadowicz und ihr Team ein Gesamtkonzept entwickelt, wie solche Solarturmkraftwerke automatisch gesteuert werden können. „Denn der autonome Betrieb solcher Anlagen hat das Potenzial, diese nicht nur effizienter, sondern auch zuverlässiger und wirtschaftlicher zu machen“, betonen die Wissenschaftler:innen vom DLR.
Vier Ebenen der Steuerung
Das neue Gesamtkonzept zur autonomen Anlagensteuerung verbindet vier Ebenen. Die erste Ebene ist das solarthermische Kraftwerk selbst, einschließlich aller Komponenten. Die zweite Ebene umfasst ein umfangreiches Mess- und Kontrollsystem in Form von Sensoren und Kameras. Die riesigen Mengen an ankommenden Daten werden auf einer digitalen Plattform verarbeitet. Über diese Plattform wird alles vernetzt, die Anlage inklusive aller Betriebszustände und Vorhersagen visualisiert und der gesamte Betrieb überwacht. Ein sogenannter intelligenter Agent plant schließlich auf Grundlage der vorliegenden Daten den Betrieb des Kraftwerks und führt ihn selbstständig, schnell und zuverlässig durch.
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Kein Personal vor Ort notwendig
Das Anlagenpersonal muss nur noch den autonomen Betrieb überwachen. Dazu muss niemand mehr vor Ort sein. Denn dies ist auch aus der Ferne möglich. Dazu geben grafische Oberflächen Einblicke in die wichtigsten Prozesse und Betriebsdaten und ermöglichen das Eingreifen aus der Ferne.
Dadurch wird der Anlagenbetrieb viel effizienter. „Softwarelösungen optimieren den Betrieb kontinuierlich und werten dazu umfassende Messdaten aus“, beschreibt Inga Miadowicz. „So kann für jede Situation der jeweils beste Betriebszustand angefahren werden. Ein Mensch kommt angesichts der großen Datenmenge und komplexen Vorgänge schnell an seine Grenzen“, weiß die Wissenschaftlerin. „Außerdem erfassen eine Vielzahl von Messsystemen den Zustand aller Anlagenteile während des Betriebs sehr detailliert. Intelligente Algorithmen erkennen Fehler oder potenzielle Ausfallrisiken und regeln den Betrieb möglichst effizient und materialschonend.“
Auch für Prozesswärmeanlagen geeignet
Das Konzept eignet sich nicht nur für große solarthermische Kraftwerke zur Stromerzeugung, sondern auch für kleinere Anlagen, die Prozesswärme mit hohen Temperaturen erzeugen. Letztere werden vermehrt von Unternehmen genutzt, um Wärme aus erneuerbaren Quellen verlässlich zu erzeugen. Vor allem hier bieten autonome Systeme den Vorteil, dass sich der Personaleinsatz vor Ort minimieren lässt.
Digitalen Zwilling erstellt
Damit der Kraftwerksbetrieb weitgehend autonom erfolgen kann, hat das Team vom DLR zunächst die ganze Anlage digital nachgebildet und zu einem Gesamtsystem verbunden. Dieser digitale Zwilling decke viele mögliche Komponenten unterschiedlicher Hersteller ab. Er umfasst auch die komplexen Abläufe und die jeweils wetterabhängige Umgebungssituation. „Denn nur mit solch einem digitalen Zwilling lassen sich die Potenziale des automatisierten Betriebs umfassend nutzen“, sagt Miadowicz. „Gleichzeitig war das eine der größten Herausforderungen im Projekt.“
30 Stunden autonom gelaufen
An der Anlage am Forschungszentrum Jülich (FZJ) haben die Forscher:innen das Steuerungskonzept erfolgreich erprobt. Insgesamt 30 Stunden lief das Kraftwerk mit dem Steuerungskonzept des DLR bei unterschiedlichen Wetterbedingungen vollständig autonom. Die Wissenschaftler:innen haben dabei umfassende Daten gesammelt, um das autonome Kraftwerkkonzept zu beurteilen.
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Im nächsten Schritt wollen die Forscher:innen die Effizienzgewinne messen, um das Potenzial ihres Konzepts besser beurteilen und ausbauen zu können. Die Methoden und Lösungsansätze, die das DLR für das Solarturmkraftwerk entwickelt hat, liefern zudem wertvolle Impulse, um autonome Steuerungssysteme für unterschiedliche industrielle Anwendungen voranzutreiben.
