Mit Volldampf zu sauberer Energie durch Gas-/Flüssigkeitsabscheider von Eaton

Die Kraft der Sonne für den menschlichen Energiebedarf zu nutzen, ist längst kein Traum mehr, sondern gelebte Realität. Während der Anblick von Photovoltaikmodulen in Solarparks und auf Hausdächern bereits zum Alltag gehört, stellen Solarturmkraftwerke hingegen noch eine Besonderheit dar. In ihnen wird die Wärme der Sonne konzentriert, um mit heißem Dampf Turbinen zur Stromerzeugung anzutreiben. Damit sie sicher und wartungsarm arbeiten, muss der Dampf von Wassertropfen befreit werden – eine Aufgabe für die zuverlässigen Gas-Flüssigkeitsabscheider von Eaton.

Hintergrund: Konzentrierte Sonnenstrahlung für nachhaltigen Strom

Die Nutzung der Energie der Sonne hat Zukunft – darin sind sich die meisten Experten heute einig. Über 400 Gigawatt elektrische Energie werden weltweit bereits aus Solaranlagen gewonnen. Während der Anblick großer Photovoltaikparks und einzelner Photovoltaik-Panels auf Hausdächern bereits normal geworden ist, sind Solarturmkraftwerke hingegen noch Ausnahmeerscheinungen. Mit ihnen wird die Sonneneinstrahlung nicht direkt in elektrische Energie umgewandelt. Stattdessen konzentrieren Zigtausende Spiegel die auf sie einstrahlende Sonne auf einen einzigen Punkt: den Solarturm, der in der Mitte der Spiegel emporragt. Die sogenannten Heliostate erhitzen damit einen Absorber auf Temperaturen um 1.000 Grad Celsius. Diese Wärmeenergie wird an Wasser oder eine Salzlösung abgeführt, die zur Dampferzeugung genutzt wird. Der entstehende Dampf wiederum treibt Turbinen an, die Strom erzeugen – ein Prozess, der in konventionellen Kraftwerken seit mehr als hundert Jahren genutzt wird.

Im Süden Israels nutzt eines der größten Solarturmkraftwerke der Welt auf 300 Hektar Fläche die Kraft der Sonne. Haben Solarturmkraftwerke ohnehin bereits einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad, kommt dieser in der Wüste besonders gut zum Tragen. So kann das Kraftwerk über 100.000 Haushalte mit nachhaltigem Strom versorgen. Weil die Wärme, die zur Dampferzeugung genutzt wird, in einem Flüssigsalz gespeichert wird, muss die Stromproduktion zudem keine Pause machen, sobald die Sonne untergeht: Bis zu 18 Stunden am Tag ist es mit Hilfe des Puffers möglich, Energie zu erzeugen.

Herausforderung: Erosion bedroht die Dampfturbine

Wie in konventionellen Kraftwerken wird auch im Solarturmkraftwerk Dampf genutzt, um thermische Energie mithilfe einer Turbine in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei stellt der Dampf eine besondere Herausforderung für die Standzeit und die Zuverlässigkeit der Anlage. Dieser wird mit einer Betriebstemperatur von 150 Grad Celsius bei 5 bar Druck und einem Durchfluss von 1.800 Kilogramm pro Stunde gefördert. Bei solchen Bedingungen muss sichergestellt sein, dass für die Komponenten im Einsatz keine Gefahren entstehen, die zu einer Unterbrechung der Stromproduktion führen würden.

Ein besonderes Gefährdungspotenzial für die Lebensdauer der Turbine stellt die sogenannte Tropfenerosion dar. Nassdampf, der die Turbine antreibt, enthält naturgemäß Wassertropfen und die damit verbundene Erosion kann sich empfindlich auf die Lebensdauer der Dampfturbine auswirken: Durch sie können winzige Teile der Turbinenschaufeln abgetragen werden, bis die Schaufeln eines Tages irreparabel beschädigt sind und ausgetauscht werden müssen. Für einen langfristig sicheren Betrieb muss dieses Risiko bestmöglich vermindert werden.

Lösung: Wassertropfen sicher abscheiden

Um die aufwendige und kostspielige Gefahr eines Turbinendefekts zu vermindern, kommt im Solarturmkraftwerk ein sogenannter Gas-Flüssigkeitsabscheider von Eaton zum Einsatz. Das Wirkungsprinzip: Der Dampf strömt durch einen Einlass in den Abscheider und wird durch ein speziell entwickeltes Leitblechsystem in eine zentrifugale Bewegung versetzt. Eine Verringerung der Geschwindigkeit bewirkt dabei, dass die Wassertropfen abgeschieden werden. Der Abscheider vom Typ 31L entfernt bis zu 99 Prozent aller Flüssigkeitspartikel, die größer als 10 Mikrometer sind – automatisch, wartungsfrei und ohne sich bewegende Bauteile. Die Gefahr eines Turbinenschadens wird also effektiv gebannt, da die Schaufeln vor Wassereintritt geschützt werden. Die Vorteile dieser Separation machen sich auch Betreiber in vielen anderen Bereichen zunutze: Gas-Flüssigkeitsabscheider werden außer in Dampfturbinen und -trommeln verschiedener Branchen auch in Erdgas-Bohrtürmen und Unterwasser-Bohrlöchern genutzt, bei der Ölförderung, in der chemischen Industrie, in Systemen mit Gaswäschern oder bei Verdampfern.

"Auch wenn unsere Technologie nicht zum ersten Mal in einem Solarturmkraftwerk eingesetzt wird, ist es dennoch nicht alltäglich", bestätigt Stefan Kuhn, Sales Engineer in der Filtration Division von Eaton, der das Projekt betreut hat. "Schließlich kommen unsere Separatoren vor allem in der Gaserzeugung und in Chemiewerken zum Einsatz." Umso mehr freut er sich, mit der Lösung zur nachhaltigen, umweltfreundlichen Erzeugung von elektrischer Energie beizutragen. Für Kuhn liegt der besondere Charme dieser Anwendung gerade darin, dass die etablierte Technologie der Stromerzeugung per Dampfturbine mit einer erneuerbaren Primärenergiequelle kombiniert wird.

Verlässliche Partnerschaft mit Erfolg

Dass die Turbine im Solarturmkraftwerk ausgerechnet durch Gas-Flüssigkeitsabscheider von Eaton vor Beschädigungen geschützt wird, ist kein Zufall. "Das Skid, also die Komponente der Anlage, die unsere Abscheider beinhaltet, wurde von Hesch Industrietechnik geplant und gebaut", erklärt Kuhn. Die Beziehung des Anlagenbauers mit dem Filtrationsspezialisten fußt auf Erfahrungen aus mehreren vorangegangenen Projekten und vertiefte sich im Laufe der Jahre. "Hesch hat bereits Teile für ein anderes Solarturmkraftwerk produziert, das zuvor in Südkorea gebaut wurde", erinnert sich Kuhn. Auch bei diesem Projekt waren es Gas-/Flüssigkeitsabscheider von Eaton, die für den Einsatz im Sperr- und Leckdampfsystem ausgewählt wurden.

"Bei Hesch wussten die Projektverantwortlichen sehr genau, was sie wollten und was sie von uns bekommen können", sagt Kuhn. "Die Spezifikationen waren exakt ausgeführt – das hat uns die Auslegung natürlich erleichtert." In vielen anderen Projekten müssen Kuhn und seine Kollegen den Kunden ausführlich beraten, um sicherzustellen, dass sie die richtige Lösung erhalten. Denn da das Verhalten von Gasen – anders als bei Flüssigkeiten – stark vom individuell in der Anwendung gegebenen Druck abhängt, ist die Auslegung anspruchsvoll und kann zu ganz unterschiedlichen Anforderungen führen. Deshalb führt Eaton eine Vielzahl unterschiedlicher Gas-Flüssigkeitsabscheider im Programm. "Wir wollen sicherstellen, dass jeder Kunde die bestmögliche Lösung bekommt, um den sicheren, ordnungsgemäßen Betrieb seiner Anlage zu gewährleisten", betont Kuhn, "und unser breites Portfolio erfüllt die Anforderungen der meisten Kunden optimal."

Für den Typ 31L, der im Solarturmkraftwerk zum Einsatz kommt, sprechen nicht nur seine hohe Zuverlässigkeit und die wartungsfreie Ausführung. Durch das geringe Gewicht und die kompakte Bauweise kann der Abscheider zudem von der Leitung, in die er eingebaut wird, getragen werden, ohne dass umständliche und teure Stützen erforderlich sind. Seine starke Wirkungsfähigkeit entfaltet er durch die exklusive Vortex Containment Plate (VCP). Sie besteht aus einer Reihe von genau platzierten Ringen und Platten, die die abgeschiedene Flüssigkeit von der Wirbelbewegung innerhalb des Abscheiders abschirmt. Das Eaton-spezifische Design stellt sicher, dass einmal abgeschiedene Wassertropfen nicht erneut vom Gasstrom aufgenommen werden. All diese Eigenschaften stellen im Kraftwerk somit einen sorgenfreien Betrieb sicher, bei dem nur der getrocknete Dampf zur Turbine gelangt, um sie sicher und effizient anzutreiben.

Ergebnis: Bis zu 100.000 Tonnen Treibhausgase vermieden

"Im Rahmen unserer Zusammenarbeit in Südkorea haben wir uns von der Zuverlässigkeit der Separatoren von Eaton bereits eindrücklich überzeugen können", freut sich Hans Peter Schwarz, Senior Project Manager bei Hesch Industrietechnik. "Daher war für uns auch beim jüngsten Solarturmkraftwerk in Israel klar, dass wir erneut auf die Abscheider unseres Partners setzen. Die neuerliche Erfahrung im aktuellen Projekt hat bestätigt, dass das die richtige Entscheidung war", so Schwarz weiter.

Seit das Kraftwerk ans Netz ging, speist es die erzeugte elektrische Energie umweltfreundlich und zuverlässig ein. Etwa 100.000 Tonnen Treibhausgasemissionen werden so Jahr für Jahr eingespart. Für den störungsarmen Betrieb sorgen auch die insgesamt fünf Gas-Flüssigkeitsabscheider von Eaton, indem sie Wassertropfen aus dem Dampf abscheiden. Sie tragen zur zukunftsfähigen, nachhaltigen Energieerzeugung bei, die die Kraft der Sonne für den menschlichen Energiebedarf nutzt.