Solarthermische Stromerzeugung. Aufwindkraftwerk. Regenerative Energietechnik Referat am

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1 Solarthermische Stromerzeugung Aufwindkraftwerk Regenerative Energietechnik Referat am Referenten: Michael Farrenkopf, Jörg Heinrich, Michael Kuhn, Anna Lena Stenglein Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 1

2 Inhalt Einführung und Motivation Technik Unterscheidung solarthermischer Kraftwerke Funktionsweise Genutzte Effekte Realisierung und Aufbau Leistung und Einflussparameter Geschichte und Zukunft Geschichtlicher Rückblick Aktuelle Entwicklungen und Perspektiven Film Diskussion Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 2

3 Unterscheidung solarthermischer Kraftwerke Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 3

4 Unterscheidung solarthermischer Kraftwerke Dish/Stirling- Systeme Turm- Solarkraftwerke Parabolrinnen- Solarkraftwerke Aufwind- Solarkraftwerke Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 4

5 Funktionsweise Aufbau Kollektor Kamin Turbine Generator Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 5

6 Genutzte Effekte Treibhauseffekt Kamineffekt Windturbine Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 6

7 Treibhauseffekt Sonneneinstrahlung: = ca. 0,2 3 m ( ein ) Glas lässt kurzwellige Sonnenstrahlung nahezu ungehindert passieren Boden absorbiert Strahlung und emmitiert langwellige Wärmestrahlung Wärmeabstrahlung: = ca m ( ab ) langwellige Strahlung kann Glas nicht passieren und wird zurückgeworfen Erwärmung der Luft unter dem Glasdach um ca. 20 K ein Glas ab Boden Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 7

8 Kamineffekt Luft wird durch Treibhauseffekt und konvektiven Wärmeabgabe des Bodens erwärmt warme Luft steigt durch Dichteunterschied auf Luft wird an schräger Kollektorfläche zum Kamin geleitet warme Luft kann durch Kamin entweichen Druckdifferenz zwischen Luft im Kamin (Überdruck) und unter dem Kollektor (Unterdruck) kalte Luft strömt nach Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 8

9 Windturbine Horizontalachsenturbine oder Vertikalachsenturbine ummantelte, druckgestufte Turbine statischer Druck der Luftströmung wird in Rotationsenergie umgewandelt mit Generator gekoppelt Blattverstellung: Regelung Druckabfall Optimale Ausbeute: Druckabfall 80 % nach Betz: max. 59,3% der Strömungsenergie nutzbar Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 9

10 Realisierung und Aufbau Kollektor horizontales Glas- oder Kunstoffdach transluzent Höhe: 2 m 6 m Höhe steigt zum Kamin hin an: o o Reibungsverluste klein Umlenkung in vertikale bei minimalen Verlusten Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 10

11 Realisierung und Aufbau Speicher verschlossene Wasserschläuche Wassertiefe 5 cm 20 cm Wärmeübergang durch natürliche Konvektion: Schläuche-Wasser >> Erdoberfläche-Bodenschichten Wärmekapazität von Wasser etwa fünf mal größer als von Erdboden kontinuierlicher 24 Stunden-Betrieb Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 11

12 Realisierung und Aufbau Kamin eigentliche Wärmekraftmaschine Stahlbetonröhre 100 bzw. 200 MW Turmhöhe ca m Wanddicke nimmt mit steigender Turmhöhe ab Problem: Verformung durch Windlasten zu ovalem Querschnitt Rissbildung im Beton Lösung: Speichenräder zum Aussteifen des Turms Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 12

13 Leistung und Einflussparameter Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 13

14 Leistung und Einflussparameter Die el. Ausgangsleistung des Kraftwerks ist proportional zur Kollektorfläche und Turmhöhe Anschaulich: el. Ausgangsleistung ist proportional zu Zylindervolumen Gesamtwirkungsgrad: ges = Turm Kollektor Turbine Generator Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 14

15 Leistung und Einflussparameter Zum Vergleich: 1,62 GWh/a Windkraftanlage (Aufgabe 7.4) Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 15

16 Leistung und Einflussparameter Zum Vergleich: 0,036 /kwh GUD-Kraftwerk (Beispiel aus der Vorlesung) Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 16

17 Leistung und Einflussparameter Ökologische Bewertung Lebenszyklusanalyse (life cycle assessment) spezifische Treibhausgasemissionen eines größeren Aufwindkraftwerks: ca. 60g/kWh el Zum Vergleich: 1072 g CO 2 -ÄQU/kWh Braunkohle Kraftwerk (Beispiel aus der Vorlesung) Energetische Amortisationszeit (energy payback time) Nach ca. 3 Jahren hat sich ein Aufwindkraftwerk energetisch amortisiert Mind. weitere 50 Jahre Nettoenergiequelle sauberer Elektrizität Zum Vergleich: 8,3 a Kohlekraftwerk, 3,06 a Kernkraftwerk (Aufgabe 7.2) Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 17

18 Leistung und Einflussparameter Fazit Vorteile: nachhaltige und umweltfreundliche Energie erzeugung Grundlastkraftwerk Nachteile: großer Flächenbedarf großer architektonischer Aufwand nur in wenigen Regionen möglich hohe Investitionskosten Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 18

19 Geschichtlicher Rückblick 1903 Isidoro Cabanyes beschreibt als erster das Konzept eines Aufwindkraftwerks 1929 wird Technologie von Bernard Dobus patentiert Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 19

20 Geschichtlicher Rückblick Prototyp bei Manzanares, Spanien Entwickler: Jörg Schlaich Erbauung: 1982 Leistung: kW Höhe: 194,6m Durchmesser: 122m max. Windgeschwindigkeit: 12 m/s Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 20

21 Geschichtlicher Rückblick Prototyp bei Manzanares, Spanien Erfahrungen: schlechter Wirkungsgrad kontinuierlicher Betrieb über den Tag und Nacht (Pufferwirkung) auch bei schlechtem Wetter weil Kollektorboden als Puffer fungiert sogar bei Dunkelheit 5-15 % des Stroms Stromausbeute wird durch Schwarze Folien um 30 % erhöht Temp Steigerung 7 C 1989 Einsturz durch Orkan Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 21

22 Aktuelle Entwicklungen und Perspektiven 200 MW Klasse Buronga Australien (In Planungsphase abgebrochen) Entwickler: Roger Davey Durchmesser: 7 km Höhe: 1000m Kosten ca.: 700 Mio. Euro 400 MW Klasse Arandis Namibia Afrika (Planung) Durchmesser: 7 km Höhe: 1500m 50 MW Klasse Entwickler: Schlaich & Bergermann Kosten geschätzt: 350 Mio. Euro Aufwindkraftwerk - Solarthermische Stromerzeugung 22

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