Solarthermische Kraftwerke Entwicklungsstand und Perspektiven

Transkript

1 Vortragsreihe: Karlsruher Initiative zur nachhaltigen Energiewirtschaft - kine Mit Energietechnik in die Zukunft, TH Karlsruhe, Solarthermische Kraftwerke Entwicklungsstand und Perspektiven Dr.-Ing. Markus Eck Folie 1

2 Das deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt und deutsche Raumfahrtagentur (5.100 Angestellte, 8 Standorte) 2006: 505 Mio Euro Jahresumsatz im Bereich Forschung und Betrieb 4 Kerngebiete: Raumfahrt (52%), Luftfahrt (34%), Energie (6%); Verkehr (8%) Folie 2

3 Das deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Technische Thermodynamik Institut für Technische Thermodynamik Prof. Dr.-Ing. H.Müller-Steinhagen Solarforschung Prof. Prof. R. R. Pitz-Paal (AS,KP,ST) Elektrochemische Energietechnik Prof. A. Friedrich (ST) Systemanalyse Dr. W. Krewitt; (ST) Thermische Prozesstechnik Dr. R.Tamme(ST) Folie 3

4 Das deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Die Abteilung Solarforschung (Fachgebiete) Applikation - Direktverdampfung - Parabolrinnenkollektoren - Offene volumetrische Receiver Hochtemperatursysteme - Luftvorwärmung für Gasturbinen - Dish-Systeme Thermische Energiespeicher - Speicher für Parabolrinnensysteme - Speicher für Solarturmsysteme Solare Stoffumwandlung - Receiver/Reaktoren - Solarchemische Synthese - Solare Wasserreinigung Qualifizierung - Kollektorform -Flußdichte Folie 4

5 Parabolrinne Solarturm Grundprinzip Überhitzer Netz Turbine Generator Verdampfer Kondensator Kühlturm Speicher Vorw ärmer Speisewasser - pumpe Einleitung Aktuelle Projekte Folie 5

6 Warum solarthermische Kraftwerke? Aktuelle Situation Weltstromerzeugung 2003 nach Primärenergieträgern Öl 7% Gas 19% Kernenergie 16% Quelle: IEA 2005 Kohle 40% Erneuerbare 18% Wasser 16% Brennbare und Abfälle 1% Andere 1% Folie 6

7 Warum solarthermische Kraftwerke? Endliche Ressourcen Vorräte Verbrauch Reichweite Kohle* t t/d 164 a Erdöl* barrel barrel/d 41 a Erdgas* 179, m 3 7, m 3 /d 67 a Uran**, *** 1, t (2,5-4,6) 109 t/d (186) 47a (37-67) Quellen: *BP (2005), **Bundesanstalt f. Geowissenschaften u. Rohstoffe BGR (2006), ***Areva (2005) Folie 7

8 Warum solarthermische Kraftwerke? Endliche Ressourcen Primärenergieverbrauch Welt (Mtoe=11630 GWh) Folie 8

9 Warum solarthermische Kraftwerke? Ansteigende Energiepreise Spotmarktpreis Öl US-Dollar/Barrel Folie 9

10 Warum solarthermische Kraftwerke? Antropogener Klimawandel Temperaturänderung [K] CO 2 -Konzentration [ppmv] Tausend Jahre früher Quelle: Folie 10

11 Warum solarthermische Kraftwerke? Antropogener Klimawandel Quelle: IPCC, International Panel on Climate Change Folie 11

12 Warum solarthermische Kraftwerke? Probleme der aktuellen Stromerzeugung Endliche Ressourcen Steigende Preise Antropogener Klimawandel Suche nach Alternativen Folie 12

13 Warum solarthermische Kraftwerke? Erneuerbare Energiequellen zur Stromproduktion Laufwasser Geothermie Solarthermische Kraftwerke Gezeiten Wellen Fotovoltaik Wind Folie 13

15 Grundprinzip solarthermischer Kraftwerke Thermischer Kreisprozess (Clausius-Rankine, Joule) Netz Gas Öl Überhitzer Kohle Uran Biomasse Brennstoff Turbine Verdampfer Kondensator Generator Kühlturm Müll Vorw ärmer Speisewasser - pumpe Folie 15

16 Grundprinzip solarthermischer Kraftwerke Einkopplung solar bereitgestellter Wärme Netz Überhitzer Turbine Generator Sonne Brennstoff Verdampfer Kondensator Kühlturm Vorw ärmer Speisewasser - pumpe Folie 16

17 Grundprinzip solarthermischer Kraftwerke Hohe Temperaturen durch Konzentration der Solarstrahlung Linse Parabolischer Reflektor Dish Turm Rinne Folie 17

18 Grundprinzip solarthermischer Kraftwerke Verschiedene Technologien Parabolrinne Solar Turm Linear Fresnel Dish Folie 18

19 Grundprinzip solarthermischer Kraftwerke Solar share Solaranteil der Stromproduktion G P el 100% rein solar Expansion Vessel HTF P el 5-50 % Brennstoffersatz P el 100 % therm. Speicher Tageszeit Folie 19

21 Parabolrinnenkraftwerke auf Ölbasis 800 Wärmeträgermedium: Thermoöl (VP1) Frischdampfparameter 370 C, 100 bar Backup-Optionen: Therm. Speicher Zusatzkessel (Gas, Öl) Status 418 MW in Betrieb > 100 MW im Bau C Achievable Temperature 0 Folie 21

22 Parabolrinnenkraftwerke auf Ölbasis Schema Überhitzer HD/ND-Turbine Zusatzkessel Solarfeld Verdampfer Vorwärmer Zwischenüberhitzer Ausgleichsbehälter Folie 22

23 Parabolrinnenkraftwerke auf Ölbasis Parameter der SEGS-Anlagen in Kalifornien SEGS I SEGS II SEGS VI SEGS VIII P [MW] Land [ha] Apertur [m 2 ] Solarfeld T aus [ C] Turbineneinlass: Solarbetrieb [ C/bar] 415/35 360/27 371/ /100 Gasbetrieb [ C/bar] 417/37 510/ / /100 Wirkungsgrade Solarfeld thermisch [%] solarelektr. [%] Folie 23

24 Parabolrinnenkraftwerke Einachsige Nachführung Optische Verluste 1 Nord-Süd-Ausrichtung (36 Nord) 0.9 cosinus Einfallswinkel Jan 21.Mar 21.Apr 21.Jun Solarzeit Folie 24

25 Parabolrinnenkraftwerke Solar - thermischer Kollektorwirkungsgrad 80 Kollektorwirkungsgrad [%] I dir = 1000 W/m 2 I dir = 800 W/m 2 I dir = 600 W/m 2 I dir = 400 W/m T - T a [K] Folie 25

26 Parabolrinnenkraftwerke Verlustkette Datum Einfallswinkel Optische Verluste Wärmeverluste Umwandlung Eigenbedarf Kraftwerk Stromerzeugung Folie 26

27 Parabolrinnenkraftwerke Herausforderung: Geometrische Präzision über große Flächen Folie 27

28 Parabolrinnenkraftwerke Stand der Technik: Wärmeträgermedium Öl Wasser-Dampf- Kreislauf Ölkreislauf Nachteile: - Zersetzung ab ca. 400 C - Gefahr bei Leckagen - regelmäßiger Austausch erforderlich - hoher Preis für das Fluid - Wärmeübertrager an Wasser-Dampf-Kreislauf nötig Folie 28

29 Parabolrinnenkraftwerke Direktverdampfung im Solarfeld Wasser-Dampf- Kreislauf Vorteile: - kein Öl im Feld - nur ein Kreislauf - kein Wärmeübertrager - hohe Prozesstemperatur möglich - bessere Wirkungsgrade Folie 29

30 Parabolrinnenkraftwerk mit Direktverdampfung 800 Wärmeträgermedium: Dampf Frischdampfparameter C, 110 bar Backup-Optionen: Therm. Speicher Zusatzkessel (Gas, Öl) Status: Demonstrationsanlage PSA seit C Erreichbare Temperature 0 Folie 30

31 Parabolrinnenkraftwerke Direktverdampfung im Solarfeld Räumlich und zeitlich variierende -Dichte - Strömungsgeschwindigkeit - Rohrbenetzung - Wärmeübergang - Rohrwandtemperaturen Wasser Blasen Schwall Ring Wellen Dampf Folie 31

32 Parabolrinnenkraftwerke Demonstrationsanlage auf der Plataforma Solar der Almeria (Spanien) 700 m Direktverdampfungs- Testanlage (DISS) Folie 32

34 Turmkraftwerke Folie 34

35 Turmkraftwerke - Dampfreceiver 800 Wärmeträgermedium: gesättigter oder überhitzter Dampf Frischdampfparameter 525 C, 108 bar Backup-Optionen: Zusatzkessel (Gas, Öl) Status 10 MW Solar One Demonstration C Erreichbare Temperatur 0 Folie 35

36 Turmkraftwerke - Dampfreceiver 800 Wärmeträgermedium: gesättigter oder überhitzter Dampf Frischdampfparameter 525 C, 108 bar Backup-Optionen: Zusatzkessel (Gas, Öl) Status 10 MW Solar One Demonstration MW PS10 kommerziell seit C Erreichbare Temperatur Folie 36

37 Turmkraftwerke - Salzreceiver 800 Wärmeträgermedium: flüssiges Nitratsalz Frischdampfparameter 535 C, 100 bar C Backup-Optionen: Speicher Zusatzkessel (Gas, Öl) Status 10 MW Solar 2 Demonstration Erreichbare Temperatur Hot Salt Storage Tank 565 o C Conventional EPGS Steam Generator Cold Salt Storage Tank 290 o C Folie 37

38 Turmkraftwerke offener Luftreceiver 800 Wärmeträgermedium: Luft (atmosphärisch) Frischdampfparameter 565 C, 110 bar C Backup-Optionen: Speicher Zusatzkessel (Gas, Öl) Status 3 MW th Luftsystem Demonstration PSA Jülich Planung Erreichbare Temperatur Folie 38

39 Turmkraftwerke geschlossener Luftreceiver Wärmeträgermedium: Luft (10-16 bar) Hybridsystem Durch Zufeuerung C Backup-Optionen: Gaszufeuerung Status 250 kw el bei 1000 C Demonstration auf PSA > 1000 C Erreichbare Temperatur Solar unit Heliostat Field Receiver Gas Turbine Combined Cycle Plant Steam Cycle Folie 39

41 Einbindung in die Energieversorgung Anpassung an die Stromnachfrage Folie 41

42 Einbindung in die Energieversorgung Anpassung an die Stromnachfrage angebotsorientiert Folie 42

43 Einbindung in die Energieversorgung Anpassung an die Stromnachfrage bedingt nachfrageorientiert angebotsorientiert Folie 43

44 Einbindung in die Energieversorgung Anpassung an die Stromnachfrage über thermische Speicher h 2000 h Thermischer Speicher = Mehr Betriebsstunden = Kostensenkung Folie 44

45 Einbindung in die Energieversorgung Anpassung an die Stromnachfrage über thermische Speicher Relative Erzeugungskosten [%] Kein Speicher, Erzeugungskosten = 100% Speicherkapazität [Volllaststunden] * Annahme spezifischer Speicherkosten 10 Euro/kWh Folie 45

46 Einbindung in die Energieversorgung Direkte Speicherung von Flüssigsalz in 2 Tanks Heißer Salztank Hot Salt Storage Tank C o C kalter Salztank Cold Salt Storage Tank 290 C 290 o C Conventional EPGS Dampferzeuger Steam Generator Getestet: Solar 2 geplant: Solar Tres Folie 46

47 Einbindung in die Energieversorgung Indirekte, sensible Speicherung: separater Flüssigsalzspeicher geplant: Andasol 1-3 Folie 47

48 Einbindung in die Energieversorgung Indirekte, sensible Speicherung: Betonspeicher Betonspeichertest auf der PSA Erprobungsstadium Material Dichte bei 200 C [kg/m³] Spez. Wärmekapazität bei 200 C [J/kgK] Wärmeleitfähigkeit bei 200 C [W/mK] Wärmedehnung bei 200 C [10-6/K] Kapzität [kwh/m³ K] Hochtemperaturbeton ,68 Folie 48

49 Einbindung in die Energieversorgung Indirekte, latente Speicherung: Salz-Phasenwechselmaterial Erprobungsstadium Folie 49

51 Wirtschaftlichkeit - Aktuelle Projekte Stromgestehungskosten Stromgestehungskosten [cts/kwh] IEA SSPS (2000 kwh/m 2 a) Solar One (10 MW) (2700 kwh/m 2 a) SEGS I (14 MW) (2700 kwh/m 2 a) SEGS IV (30 MW) (2700 kwh/m 2 a) SEGS IX (80 MW) (2700 kwh/m 2 a) Turm/Rinnen Projekte (gebaut) Turm/Rinnen Projekte (geplant) PS-10 (10 MW) (2000 kwh/m 2 a) AndaSol Solar Tres (15 MW) (2000 kwh/m 2 a) (2000 kwh/m 2 a) Theseus (2400 kwh/m 2 a) Salz Turm (100 MW) (2700 kwh/m 2 a) SEGS in Nord Afrika ( MW) (2400 kwh/m 2 a) Salz Turm (200 MW) (2700 kwh/m 2 a) Folie 51

52 Wirtschaftlichkeit - Aktuelle Projekte Einspeisevergütung in Spanien Identische Tarife für PV und Solarthermische Kraftwerke von 100 kw bis 50 MW Gesicherte Förderung für 25 Jahre Jährliche Anpassung an den Strompreisanstieg 12-15% Erdgas-Zufeuerung zulässig Vergütungsmodell 1: Gesicherte Vergütung -> 26,9 c /kwh Vergütungsmodell 2: Verkauf an der Strombörse -> 25,4 c /kwh + Börsenerlös Folie 52

53 Wirtschaftlichkeit - Aktuelle Projekte Kraftwerksprojekte in Spanien EuroSEGS 15 MW SMAG 2x50 MW PS10, 10 MW PS20, 20 MW 1x20 MW 50 MW Iberdrola 10x50 MW SolarTres 15 MW AndaSol 3 50 MW AndaSol 1 50 MW AndaSol 2 50 MW Folie 53

54 Wirtschaftlichkeit - Aktuelle Projekte PS10 Turmkraftwerk in der Nähe von Sevilla - Leistung 11 MW e (brutto) - Kosten 36 Mio. Euro; ABENGOA group als Generalunternehmer - Betriebsbeginn 2007 Folie 54

55 Wirtschaftlichkeit - Aktuelle Projekte Parabolrinnenkraftwerk Andasol 1+2 bei Guadix - Leistung 50 MW e (brutto) - Kosten ca. 300 Mio. Euro; ACS Cobra - Baubeginn 2006/2007 Folie 55

56 Wirtschaftlichkeit - Aktuelle Projekte Parabolrinnenkraftwerk Nevada Solar One - Leistung 64 MW e - Baubeginn März Inbetriebnahme Juni 2007 Folie 56

57 Standortwahl Einsatzgebiete solarthermischer Kraftwerke Direktstrahlung > 1800 kwh/m 2 a In diesen Gebieten regnet es jährlich l Öl pro m 2 (Eine Fläche von ca. 40 x 40 km reicht aus, um den deutschen Strombedarf zu decken) Folie 57

58 Wirtschaftlichkeit Ausblick in die Zukunft Angebot und Nachfrage 0 Angebot GWh/km²year Benötigte Fläche zur Deckung des Weltstrombedarfs in 2030 (IEA) Nachfrage 1 km² Wüste entspricht GWh e / a + 10 Mio. m³ / a 1 km² Wüste entspricht 50 MW Kohle- oder Gaskraftwerk 1 km² Wüste erspart 100,000 t Öl / a Licht Emissionen als Indikator für den Strombedarf Folie 58

59 Einbindung in eine europäische Energieversorgung Vision eines Euro-Mediterranen Stromnetzes auf HGÜ Basis Solar nd othermal sserkraft masse ar Wind Wasserkraft Biomasse Geothermie EURO-MED Mögliche spätere Erweiterung en Folie 59

60 Einbindung in die Energieversorgung Szenario für die Einbindung in die deutsche Stromversorgung Stromerzeugung, [TWh/a] Import REG Photovoltaik Geothermie Wind Laufwasser Biomasse, Biogase KWK fossil Kond Gas Kond Kohle Kernenergie Jahr 2050: 58 % REG-Anteil Quelle: DLR/WI Folie 60

61 Fazit Verschiedene Technologien zur solarthermischen Nutzung existieren Thermische Speicherung ermöglicht eine Entkopplung der Stromproduktion von der aktuellen Einstahlung Langfristig volkswirtschaftlich vorteilhafte Stromerzeugungstechnologie Weiterentwicklung benötigt momentan Förderung in Form verlässlicher Einspeisevergütungen Weltweit wächst Bereitschaft, notwendigen Schritte für eine nachhaltige Energieversorgung einzuschlagen (Spanien, USA, Algerien, Marokko, Ägypten ) Folie 61

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