Ziele bei der Entwicklung von solarthermischen Kraftwerken Von

Ziele bei der Entwicklung von solarthermischen Kraftwerken Von Robert Pitz-Paal Bernhard Hoffschmidt 67. Physikertagung Hannover 2003 Arbeitskreis Energie in der Deutschen Physikalischen Gesellschaft Quellenangabe am 24. -28. März 2003 Bad Honnef Solarforschung 1

Übersicht 4 Einkopplung von Solarenergie in konventionelle Kraftwerke 4 Kostensenkung durch Effizienzsteigerung h Direktverdampfung (Parabolrinnen) h Einkopplung in Gasturbinenkraftwerke (Turmkraftwerke) 4 Steigerung von Erlösen durch thermische Energiespeicher h Betonspeicher (Parabolrinnen) h Sandspeicher (Turmkraftwerke) Quellenangabe 4 Zusammenfassung und Ausblick Solarforschung: 2

Einkopplung in Kraftwerke Fuel Saver Solar-only Speicher Quellenangabe Dampfkreislauf Kreislaufwirkungsgrad Solarforschung: fossil & solar 35 -42% 6 18 24 Solar Anteil 30% - 50% 6 Tageszeit 12 18 24 Solar Anteil 100% Tageszeit 6 18 24 Solar Anteil 100% 6 Tageszeit 12 18 24 3

Einkopplung in Kraftwerke Dampfturbine im Gu. D (ISCCS) Kreislaufwirkungsgrad fossil 55%; solar 35 -45% Solar Anteil 1% - 12% Quellenangabe 5 Solarforschung: Tageszeit 10 15 20 4

Einkopplung in Kraftwerke Gasturbine in Gu. D Kreislaufwirkungsgrad solar & fossil 45 -55% Solar Anteil 30% - 80% 5 10 15 20 Quellenangabe Tageszeit Solarforschung: 5

Parabolrinnen Status Quo 800 [°C] Frischdampf Parameter 370°C 100 bar Kreislaufwirkungsgrad 37% Backup Optionen: Thermischer Energiespeicher Ölheizug Zusatzkessel Brennstoffe Ergas Heizöl Technologie Status 354 MW kommerziell betrieben in der Mojave Wüste (US) 700 600 500 400 300 200 100 Quellenangabe Lieferanten: Abengoa, Bechtel, Fichtner, Pilkington Solar, Solel, Schott Solarforschung: Rohrglas Kosten heute 12 -14 Euro cents/k. Wh 0 Achievable Steam Temperature Thermoöl 390° C Sekundärkreislaufmedium: 1 SEGS Konzept 100 6

Turmkraftwerke Status Quo Erzielbare Frischdampfparameter: PHOEBUS Konzept 730° C Sekundärkreislauf Medium: Luft (1 bar) Receiver Heißluft 730º Dampferzeuger 600°C 150 bar Speicher Kosten heute 18 -20 Euro cents /k. Wh Kreislaufwirkungsgrad 42% Backup Optionen: Thermischer Energiespeicher Kanalbrenner ~ S Heliostate Kaltluft 110º Brennstoffe: Erdgas Heizöl Technologie Status Quellenangabe 3 MWt System-Demonstration auf der Plataforma Solar Generalunternehmer: Abengoa L & C Steinmüller Gmb. H Solarforschung: 7

Märkte Die Märkte für solarthermischen Strom 4 Direktstrahlung >= 5 k. Wh/m²d 4 am besten geeignet für Mittellast oder Spitzenlast durch hybrid Betrieb oder Speicher (Vergleich mit Wind oder PV) 4 Schnell wachsender Bedarf an Elektrizität in Entwicklungsländern 4 Potential für solarthermischen Strom > 600 GW weltweit in den nächsten 20 Jahren 4 3 -6 Euro cents/k. Wh Erzeugungskosten von Mittellaststrom (konventionell) Quellenangabe 4 Nischenmärkte (hohe Brennstoffkosten) 6 -8 Euro cents/k. Wh Solarforschung: 8

Märkte Hindernisse Technisch 8 Hohe Investitionskosten 8 Hohe Betriebs- und Wartungskosten 8 Kostenunsicherheit 8 Technisches Risiko Quellenangabe Nicht-Technisch 4 abwartende Industrie 4 unsichere Marktsituation 4 unsichere Genehmigungssituation 4 nachteilige Steuergesetzgebung Solarforschung: 9

Märkte Gelegenheiten Standort Quellenangabe Spanien Ägypten Indien Mexiko Marokko Solarforschung: Kreislauf Dampf Gu. D Solare Technologie Gesamtkapazität Solare Kapazität MWe 10 15 100 135 140 312 150 MWe 10 15 100 35 35 40 30 -50 Turm Luft Turm Salz Öl-Rinne entscheidet Investor 10

Effizienzsteigerung Kostensenkung durch Effizienzsteigerung Quellenangabe 4 Direktverdampfung (Parabolrinnen) Kostensenkung durch Vermeidung des teueren Thermoöls und der entsprechenden Wärmetauscher h Höhere Wirkungsgrade durch die Möglichkeit höhere Dampfzustände zu erreichen h Geringere Pumpenergie h Kostensenkung bis zu 25% !! Solarforschung: 11

Parabolrinnen Direktverdampfung 4 Konzept? 4 Thermohydraulik? 4 Regelung? 4 Komponenten? Quellenangabe 4 2500 m² Testkollektor in Almeria 4 3100 h Testbetrieb Solarforschung: 12

Parabolrinnen Direktverdampfung in horizontalen Kollektoren funktioniert !!! 4 Konzept Rezirkulation! 4 Regelung ok! Tset 1 Quellenangabe Tset 2 4 Thermohydraulik ok; max delta T = 20 K ! Solarforschung: 13

Effizienzsteigerung Kostensenkung durch Effizienzsteigerung Quellenangabe 4 Direktverdampfung (Parabolrinnen) Kostensenkung durch Vermeidung des teueren Thermoöls und der entsprechenden Wärmetauscher h Höhere Wirkungsgrade durch die Möglichkeit höhere Dampfzustände zu erreichen h Geringere Pumpenergie h Kostensenkung bis zu 25% !! 4 Einkopplung in Gasturbinenkraftwerke (Turmkraftwerke) h Solarenergie mit Wirkungsgraden von Gu. D Kraftwerken umwandeln h Optimal zur Kombination mit Erdgas h Kostensenkung bis zu 25% Solarforschung: 14

Einkopplung in die GT serielle / parallele Verbindung der Module Betrieb bei unterschiedlichen Temperatur-Niveaus NT Modul (300°C bis 530°C) MT Modul (530°C bis 780°C) Quellenangabe HT Modul (780°C bis 1000°C) Solarforschung: 15

Einkopplung in die GT kostengünstige Bauweise 16 spiralförmig gebogene Inconelrohre, 28 x 2. 3 mm Quellenangabe HT-Modul MT-Modul Solarforschung: NT-Modul 16

Einkopplung in die GT Inbetriebnahme des Testsystems Datum: 28. 1. 2003 Aufbau des Testsystems: Herbst 2002 Test bei 600°C erste solar-hybride Tests am 15. 12. 2002 sehr gute Solarbedingungen bisher 11 Testtage mit 22 h Solarbetrieb Testzeit: > 6 h max. 31 Heliostate vorläufige Auswertung 14: 49 4 Inputleistung: 451 k. Wsolar + 518 k. Wfuel 4 Leistung elektrisch: 127 k. W ( = 13%) 4 Druckverlust Receiver: 92 mbar 4 Receiverwirkungsgrad: 86% 4 Temperaturen NT / MT / HT: Quellenangabe 263°C 383°C 469°C 590°C Solarforschung: 17

Thermische Energiespeicher Steigerung von Erlösen durch thermische Energiespeicher • Pufferspeicher • Abgabe-Management • Erhöhung des Kapazitätsfaktors • Reduzierter Teillastbetrieb => Verbesserter Wirkungsgrad => Niedrigere Stromgestehungskosten (LEC) => Reduktion der CO 2 -Emissionen Quellenangabe • Größerer Solaranteil Energiespeicher sind unbedingt erforderlich für die erfolgreiche Markteinführung solarthermischer Kraftwerke Effiziente Speichertechnologie mit hohe Lebensdauer und niedrigen spezifischen Kosten Solarforschung: 18

Thermische Energiespeicher Quellenangabe Einfluß von Speichergöße und Speicherkosten auf die Stromgestehungskosten Solarforschung: (für 50 MWel Parabolrinnenkraftwerk - Mittelmeerstandort) 19

Thermische Energiespeicher Speicherkonzepte für Parabolrinnen Nutzbare Temperaturdifferenz im Speicher nur 100 K 290 °C -> 390°C ! Direkte thermische Energiespeicher Wärmeträgerfluid (WTF) ist auch Speichermedium => nicht wirtschaftlich (WTF und Druckbehälter zu teuer) Indirekte thermische Energiespeicher Regenerator-Systeme: WTF transportiert Energie zu und von einem festen, flüssigen oder latenten Speichermaterial Quellenangabe => Flüssig-Salz 2 -Tank Speicher (Übertragung vom Turmkraftwerk aber 3 x so teuer) => Hybride (latent/sensibel) Wärmespeicher für Wasser/Dampf. Systeme Solarforschung: bislang nicht entwickelt 20

Thermische Energiespeicher Schnitt durch einen Betonspeicher • Exzellenter Kontakt zwischen Rohr und Beton • Keine großen Blasen • Geringe Porosität Quellenangabe • Geschätze Kosten für 450 MWh Speicher ca. 18 Euro/k. Wh Solarforschung: 21

Thermische Energiespeicher Speicherkonzepte für Turmkraftwerke Nutzbare Temperaturdifferenz im Speicher 300 - 700 K ! Salzschmelze als Wärmeträgerfluid und Speichermedium 2 -Behälter: Heißspeicher und Kaltspeicher (Realsiert 105 MWh) Nachteile: Teures Speichermedium und eine aufwendige Begleitheizung ist notwendig Feststoffschüttung als Speichermedium und Luft als Wärmeträgerfluid 1 Behälter mit keramischen Füllkörpern (realisert 3 MWh) Quellenangabe Nachteile: Der Druckverlust steigt mit der Speichergröße und es ist nur eine unvollständige Nutzung des Speichermaterials möglich Solarforschung: 22

Thermische Energiespeicher Neuer Ansatz: Sand als Speichermedium für Luftsysteme § billiges Speichermaterial § drucklose Speicherung § kein Einfrieren des Speichermaterials § keine Umweltgefährdung durch das Speichermaterial § der Heißspeicher kann zu 100% genutzt werden Quellenangabe § der Druckverlust des Wärmetauschers und des Fließbettkühlers ist unabhängig von der Größe des Speichers § der heiße Sand gelangt über einfaches Fallrohr in den Heißspeicher und von dort weiter in den Fließbettkühler, es ist keine Förderanlage für dieses heiße Material notwendig Solarforschung: 23

Thermische Energiespeicher Fließbild der Anlage • Konzept patentiert • Zur Zeit mit Inustriepartner Quellenangabe detailliert untersucht Solarforschung: 24

Thermische Energiespeicher Vergleich Speicherdichte/Kosten für das Medium • Konzept patentiert • Zur Zeit mit Inustriepartner Quellenangabe detailliert untersucht Solarforschung: 25

Zusammenfassung und Ausblick 4 Solarthermische Kraftwerke stehen in Europa kurz vor der Markteinführung 4 Heutige europäische Technologie basiert auf Parabolrinnen mit Thermoöl oder Turmkraftwerke mit atmosphärischem Luftreceiver 4 Stromgestehungskosten für diese ersten Anlagen in Südeuropa liegen bei etwa 15 cents/k. Wh Quellenangabe 4 Kostensenkung durch Effizienzsteigerung setzt auf höhere Betriebstemperaturen: d. h. Direktverdampfung in Parabolrinnen bzw. Heißluft in die Gasturbine bei Turmkraftwerken 4 Kostengünstige thermische Energiespeicher verbessern die Erlössituation eines Kraftwerks erheblich: Vielversprechend sind Betonspeicher für die Parabolrinne und Sandspeicher für Turmkraftwerke Solarforschung: 26