SolarFuelNow - effiziente Regelung solarer Kraftstoffproduktion mit DNI Nowcasts

Abstract

Gegenstand des Projektes war die Regelung von solar-thermochemischen Brennstofferzeugungsanlagen mit einem Solarreceiver bestehend aus mehreren Batchreaktoren. Stand der Technik zu Projektbeginn war die weitestgehend manuelle Steuerung in bisherigen Prototypenanlagen. Zentrales Ziel war die Entwicklung und experimentelle Erprobung einer modellprädiktiven Heliostatfeld- und Prozessregelung für mehrere Reaktoren unter Einbindung eines Wolkendetektionssystems zur Vorhersage der solaren Einstrahlung, um eine entsprechende Anlage effizient und sicher zu betreiben. Dazu wurde ein Anlagenmodell aus Heliostatfeld und Reaktoren erstellt und daraus geeignete reduzierte Modelle für die Entwicklung einer Modellprädiktiven Regelung (MPR) abgeleitet. Das Nowcastingsystem zur Vorhersage der solaren Einstrahlung wurde für die Einbindung in die MPR weiterentwickelt, das heißt dessen zeitliche Auflösung wurde erhöht und es wurden probabilistische Vorhersagen hinzugefügt. Final wurden alle Systeme am Solarturm Jülich integriert und die MPR an vier neu konstruierten und am Solarturm installierten Reaktorattrappen mit hinterlegten virtuellen Reaktoren erfolgreich demonstriert. Die Plausibilität der simulierten Messwerte dieser Reaktorattrappen wurde durch den Vergleich mit Messdaten eines realen Reaktors gezeigt. Es wurde gezeigt, dass mit der entwickelten MPR Aufheizraten und Temperaturgrenzen der betrachteten solarchemischen Reaktoren weitestgehend eingehalten werden können, insbesondere auch an Stellen, die messtechnisch kaum zu erfassen sind (z.B. Absorberfront), was einen deutlichen Mehrwert gegenüber dem Stand der Technik darstellt. Eine weitere Neuheit ist die automatisierte Regelung mehrerer Reaktoren. Das Verhalten der Mehrgrößen-MPR wird entscheidend durch eine Heuristik zum Umschalten der Reaktionsphasen bestimmt, deren Verwendung aufgrund der Komplexität der Problemstellung nötig war. Die Nutzung der Informationen des verbesserten Nowcastingsystems in der MPR führt zudem zu einem höheren Ertrag an Wasserstoff. Hier wird allerdings noch deutlich mehr Potential gesehen, da aus Zeitgründen lediglich ein Quantil der probabilistischen Daten verwendet wurde. Die erstellte Simulationsumgebung mit den entwickelten und verknüpften Systemen inklusive ihrer Kommunikationsschnittstellen repräsentiert die reale Anlage, sodass sich damit in Zukunft verbesserte Regelungsstrategien und Betriebsweisen im Voraus untersuchen lassen.

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