Solarkonstante 1367 W/m 2
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- Otto Heinrich
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1 Standort mit Strahlungsenergie 2000 kwh/jahr Weltstromproduktion TWh/Jahr Benötigte Fläche um Weltstrombedarf zu decken: 208 x 208 km (Umwandlungswirkungsgrad 20%) Solarkonstante 1367 W/m W/m 2 Die Sonne: Effektivtemperatur: 5504 C Durchmesser: km Spezifische Ausstrahlung: W/m² Erreichbares Alter: Jahre 700 W/m 2 Direktstrahlung auf Erdoberfläche Folie 1
2 Standort mit Strahlungsenergie 2000 kwh/jahr Weltstromproduktion TWh/Jahr Benötigte Fläche um Weltstrombedarf zu decken: 208 x 208 km (Umwandlungswirkungsgrad 20%) 1000 W/m W/m 2 Direktstrahlung auf Erdoberfläche Folie 2
3 Solarthermische Kraftwerke Saubere Energie für eine nachhaltige Entwicklung XVII. Heidelberger Graduiertenkurse Physik Dr.-Ing. Tobias Hirsch, Dr.-Ing. Markus Eck, Dr.-Ing. Franz Trieb Institut für Technische Thermodynamik, Stuttgart Folie 3
4 Gliederung Kurze Vorstellung des DLR Grundlagen solarthermischer Kraftwerke Solarturmkraftwerke Parabolrinnenkraftwerke Standortauswahl Wirtschaftlichkeit: Angebot und Nachfrage nd othermal sserkraft masse ar Folie 4
5 Das DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Raumfahrt-Agentur der Bundesrepublik Deutschland Folie 5
6 Standorte und Mitarbeiter Mitarbeiter arbeiten in 27 Forschungsinstituten und Einrichtungen in 8 Standorten, 7 Außenstellen. Außenbüros in Brüssel, Paris und Washington. Hamburg Neustrelitz Trauen Berlin- Charlottenburg Braunschweig Berlin-- Adlershof Göttingen Köln-Porz Bonn Sankt Augustin Darmstadt Lampoldshausen Stuttgart Oberpfaffenhofen Weilheim Folie 6
7 Auftrag Erschließung neuer Dimensionen für die Erforschung von Erde und Universum, für den Erhalt der Umwelt, für Mobilität, Kommunikation und Sicherheit: Forschungsportfolio von der Grundlagenforschung zu innovativen Anwendungen und Produkten von morgen Betrieb von Großversuchsanlagen für eigene Projekte sowie als Dienstleistung für Kunden und Partner Förderung von wissenschaftlichem Nachwuchs Forschungspolitische Beratung Folie 7
8 Wissenschaftliche Kompetenz Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 500 Doktoranden und Jungwissenschaftler 100 Gastwissenschaftler Folie 8
9 Gesamtbudget Mio. 800 Alle Angaben in Mio. Euro Raumfahrt-Agentur Deutsche ESA-Beiträge BMBF Nationales Raumfahrtprogramm Forschung und Betrieb Institutionelle Förderung Drittmittel Folie 9
10 Gesamterträge 2006 Forschung, Betrieb sowie Managementaufgaben (ohne Treuhandmittel Raumfahrt-Agentur): 505 Mio. 46 Alle Angaben in Mio. Euro Weltraum Luftfahrt Verkehr Energie Raumfahrtmanagement/ Projektträger Sonstige Erlöse/Erträge 163 Folie 10
11 Prozentualer Anteil der Schwerpunkte an den Gesamterträgen Forschung und Betrieb % 7% Weltraum 44% Luftfahrt Verkehr Energie 40% Folie 11
12 Energie Die DLR-Energieforschung konzentriert sich auf Themen, die den Kriterien energiewirtschaftlicher Relevanz und der Großforschungsrelevanz genügen. Folie 12
13 Energie Effiziente und umweltverträgliche fossile Kraftwerke (Turbomaschinen, Brennkammern, Wärmeübertrager) Solarthermische Kraftwerkstechnik, Solare Stoffumwandlung, Speicherung von Solarwärme Nieder- und Hochtemperatur- Brennstoffzellentechnik Systemanalyse und Technikbewertung Folie 13
14 Warum Solar Energie? - Heutige Stromerzeugung 9% 30% 4% 2% 4% 24% Steinkohle Braunkohle Kernenergie Erdgas Wasser Wind 27% Sonstige Bruttostromerzeugung: Kraftwerksleistung: 570 TWh MW Folie 14
15 Energiebedarf in Deutschland (pro Person in 2004) Primärenergiebedarf: kwh/jahr Leistungsbedarf: 5,5 kw Strombedarf: kwh/jahr Leistungsbedarf: 844 W Folie 15
16 Was ist ein Watt (W)? Das Watt ist die Maßeinheit für die Leistung m g h 200kg 9,81m / s 2m P = = 400W Δt 10s Der Grundumsatz eines Menschen in Ruhe beträgt W (80% Wärme) 2 pro Kopf: 5,5 kw jeder Bundesbürger hat 55 Energiesklaven (USA: 90; Afrika: 2) Folie 16
17 Was steckt in unseren Energieträgern? 1 l Öl 1 kg Kohle 1 m Erdgas} 3 haben eine Energie von ca. 10 kwh 1 l Öl = 10 Arbeitstage 20 l Öl = 200 Arbeitstage (= Jahresleistung) Jeder Bundesbürger verbraucht pro Jahr ca l Öl Jeder Bundesbürger erzeugt pro Jahr ca. 10 t CO 2 Folie 17
18 Prinzip der Nachhaltigkeit Nachhaltige Entwicklung ist eine Entwicklung, die den Bedürfnissen der heutigen Generation entspricht, ohne die Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen. Brundtland-Kommission 1987 Folie 18
19 Szenario für die Stromproduktion in Deutschland Szenario einer nachhaltigen Elektrizitätsversorgung für Deutschland bis zum Jahr 2050 mit 58 % REG-Anteil Stromerzeugung, [TWh/a] Import REG Photovoltaik Geothermie Wind Laufwasser Biomasse, Biogase KWK fossil Kond Gas Kond Kohle Kernenergie Quelle: DLR/WI Folie 19
20 Szenario für die Stromproduktion in Deutschland Szenario einer nachhaltigen Elektrizitätsversorgung für Deutschland bis zum Jahr 2050 mit 58 % REG-Anteil Stromerzeugung, [TWh/a] Import REG Photovoltaik Geothermie Wind Laufwasser Biomasse, Biogase KWK fossil Kond Gas Kond Kohle Kernenergie Quelle: DLR/WI Folie 20
21 Vision eines Strom Verbundes Solar Wind Wasserkraft Geothermie EURO-MED Mögliche spätere Erweiterungen Vision eines Euro-Mediterranen Stromnetzes auf HGÜ Basis zur synergetischen Nutzung der ergiebigsten regenerativen Energiequellen Folie 21
22 Optionen für die Nutzung der Solarenergie Sonne Wärme (Kälte) Produkte - Flachkollektoren - solares Bauen - solarchemische Stoffumwandlung Elektrizität - Photovoltaische Umwandlung - Solarthermische Umwandlung Folie 22
23 Solar Only Kraftwerke Konzentrierendes Kollektorfeld Solarstrom Zusatzkapazitäten erforderlich Solar Wärme Elektrizität Kraftwerk Folie 23
24 Solar-Fossile Hybridkraftwerke Konzentrierendes Kollektorfeld Solar Wärme Kraftwerk Brennstoff Elektrizität Solarstrom Integrierte Zusatzkapazitäten für Leistung nach Bedarf Folie 24
25 Einsatz Thermischer Speicher Konzentrierendes Kollektorfeld Solar Wärme Kraftwerk Brennstoff Elektrizität Thermischer Energie- Speicher Solarstrom Integrierte Zusatzkapazitäten für Leistung nach Bedarf Thermische Speicher für erhöhte solare Nutzung und verringerten Brennstoffbedarf Folie 25
26 Auskopplung von Prozesswärme Konzentrierendes Kollektorfeld Solar Wärme Kraftwerk Brennstoff Elektrizität Thermischer Energie- Speicher Prozess Wärme Solarstrom Integrierte Zusatzkapazitäten für Leistung nach Bedarf Thermische Speicher für erhöhte solare Nutzung und verringerten Brennstoffbedarf Zusätzliche Prozesswärme für Kühlung, Trocknung, Meerwasserentsalzung Folie 26
27 Wirkungsgrade thermischer Kraftanlagen Wirkungsgrad = Nutzen Aufwand Nicht jede thermische Energie hat die gleiche Qualität Carnot Wirkungsgrad [%] η c = 1 T T a p Prozeßtemperatur [ C] - Kohlekraftwerk - GuD-Kraftwerk Folie 27
28 Konzentration Folie 28
29 Möglichkeiten der Konzentration Sonne Linse Parabolischer Reflektor Nur die Direktstrahlung kann konzentriert werden! Dish Turm Rinne Folie 29
30 Varianten Solarthermischer Kraftwerke Parabolrinne Solar Turm Linear Fresnel Dish Folie 30
31 Parabolrinnenkraftwerke Kreislauf: Dampfkreislauf Status: Kommerziell, 80 MW Photo: KJC Aktuelle Projekte: MW, Spanien, Indien, Mexiko, Ägypten, Marokko, Kreta, Jordanien, USA, Süd Afrika... Photo: Flagsol Öl (16 bar / 390 C) Dampf (100 bar / C) Folie 31
32 Linear Fresnel Kollektor Kreislauf: Dampfkreislauf Status: Prototyp Animation: FhG-ISE Aktuelle Projekte: 5-10 MW Pilot Anlage Sekundär Reflektor Fresnel Reflektor Absorber Solarstrahlung Photo: Solarmundo Dampf ( bar / C) Folie 32
33 Solarturmkraftwerke Photo: DLR Luft (1-15 bar / C) Flüssig Salz (5-10 bar, 650 C) Kreislauf: Dampfkreislauf, Gas Turbine, GuD Status: Prototyp, Semi-kommerziell Aktuelle Projekte: Spanien (3 x Dampf, 1 x Salz) Italien (2 x 250 kw Gas Turbine) Folie 33
34 Dish-Systeme Kreislauf: Stirling-Motor Status: Prototyp, Demonstration Aktuelle Projekte: EURO-DISH Serien Produktion Photo: SBP Luft, Helium, Wasserstoff, ( bar / C) Folie 34
35 Dezentrale Energieversorgung Anlagengröße: Modulare Größe von ca. 10 kw Photo: SBP Folie 35
36 Zentrale Energieversorgung Anlagengröße: 5 MW bis mehrere 100 MW Folie 36
37 Solar-Turm Kraftwerke Verteiltes Spiegelfeld (Heliostaten) Zentraler Receiver auf einem Turm Im Receiver wird ein Wärmetragermedium erhitzt Folie 37
38 Heliostaten - Das Prinzip Punktfokussierende Heliostaten mit zweiachsiger Nachführung Folie 38
39 Heliostaten - Das Prinzip Punktfokussierende Heliostaten mit zweiachsiger Nachführung Folie 39
40 Fokussierung auf den zentralen Receiver Folie 40
41 Heliostaten - Das Feld Einfluß des Breitengrades auf den Wirkungsgrad des Heliostatfeldes Jahreswirkungsgrad [%] Nordfeld Kreisfeld geographische Breite [ ] Folie 41
42 Vision Multi Tower Solar Array (MTSA) Folie 42
43 Solar-Turm Kraftwerke - Salzkonzept Hot Salt Storage Tank 565 o C Cold Salt Storage Tank 290 o C Steam Generator Conventional EPGS Wärmeträger Salz ist einfach zu speichern Einfacher Receiveraufbau Salz ist korrosiv Salz erstarrt bei 230 C Folie 43
44 Solar-Turm Kraftwerke - Luftkonzept Receiver Hot Air 680ºC Steam Generator Thermal Storage Heliostat Field Blower Cold Air 110ºC Blower Steam 65 bar, 460ºC Power Block Wärmeträger Luft ist einfach zu handhaben Einfacher Systemaufbau Luft nicht direkt speicherbar Hohe Volumenströme Folie 44
45 Solar-Turm Kraftwerke Geschlossener Luftreceiver Wärmeträger Luft ist einfach zu handhaben Hohe Wirkungsgrade Hohe Arbeitstemperatur Luft nicht direkt speicherbar Hohe Volumenströme Folie 45
46 Receiver Das Receiverdesign hängt vom verwendeten Wärmeträgermedium ab Rohrreceiver Solarstrahlung T Material Wärme -träger Out In Folie 46
47 Receiver - Rohrreceiver für Salz Flächiger Receiver aus parallelen Rohren Folie 47
48 Receiver Das Receiverdesign hängt vom verwendeten Wärmeträgermedium ab Rohrreceiver Volumetric Receiver Volumetrischer Receiver Solarstrahlung Concentrated solar radiation Air flow T Material Wärme -träger Out In Folie 48
49 Volumetrischer Absorber Drahtgeflecht/ Filz metallisch/ keramisch Parallel-kanalstrukturen metallisch Schaum keramisch Folie 49
50 Bauform Volumetrischer Receiver Poröse Struktur (Metall o. Keramik) Luft wird angesaugt und durch den Receiver geführt Beliebige Receiverformen realisierbar Folie 50
51 Bauform Volumetrischer Receiver Poröse Struktur (Metall o. Keramik) Luft wird angesaugt und durch den Receiver geführt Beliebige Receiverformen realisierbar Folie 51
52 Bauform Volumetrischer Receiver Poröse Struktur (Metall o. Keramik) Luft wird angesaugt und durch den Receiver geführt Beliebige Receiverformen realisierbar Folie 52
53 Geschlossener Vol. Receiver Prinzip Verdichtete Luft wird solar auf über 1000 C erhitzt Heiße Luft treibt Gasturbine an Solar unit Receiver Combined Cycle Plant Heißes Abgas treibt Dampfprozess an Hoher Wirkungsgrad Betrieb unter Druck (4-15 bar) Heliostat Field Gas Turbine Steam Cycle Folie 53
54 Geschlossener Vol. Receiver Receiveraufbau Folie 54
55 Geschlossener Vol. Receiver Umsetzung Betriebsbedingungen: p = 15 bar; T > 1000 C Die Druckbelastung entspricht einem Gewicht von 30 t Folie 55
56 Geschlossener Vol. Receiver Modularer Aufbau Modularer Aufbau skalierbare Leistung Receiver Modul besteht aus: Sekundär Konzentrator + Receiver Versuchsaufbau in Almeria, Spanien (1 MW Receiver, 250kW e Gas Turbine) Folie 56
57 Turmkraftwerke - Zusammenfassung Turmkraftwerke haben das Potenzial für hohe Wirkungsgrade und geringe Stromgestehungskosten Technologie hat bisher Demonstrationsmaßstab (< 10 MW) In nächster Zukunft ist mit ersten kommerziellen Projekten zu rechnen Folie 57
58 Turmkraftwerke Was wird gemacht? Receiverentwicklung Speicherentwicklung Projektentwicklung Folie 58
59 Parabolrinnenkraftwerke SEGS-Kraftwerke (Kalifornien) P ges = 354 MW 808 ha Landfläche 2.3 Mio m 2 Aperturfläche Folie 59
60 Schema Parabolrinnenkraftwerk Kollektorfeld Überhitzer Zusatz- Feuer. Dampfturbine Konden. Verd. Zw.-Überhitzer SW-Vorw. Solar betriebenes Dampfkraftwerk (SEGS-Typ) Kollektor ist einzige nicht konventionelle Komponente Folie 60
61 Der Kollektor: Das Prinzip der Linienfokussierung Vormittags Nachmittags Folie 61
62 Der Kollektor - Die Spiegelfacetten 4mm Glas Reflektierende Silberschicht Kupferschicht Basisschicht Endschicht Keramische Montierungspolster 2-Komponenten Schutzschicht Reflexionsgrad: 94 % Lebensdauer: 20 a Folie 62
63 Der Kollektor - Der Aufbau Folie 63
64 Entwicklungsreihen Kollektor LS-1 LS-2 LS-3 Eurotrough Aperturweite 2.5m 5m 5.76m 5.8m Kollektorlänge 50 m 48 m 99 m m Stützenabstand 6 m 12 m 17.3 m 12 m Refl. Fläche 128m 2 235m 2 545m 2 545m 2 Konzentration 61:1 71:1 82:1 82:1 Folie 64
65 Kostenstruktur eines LS-3 Kollektors 3% Aufbau/Arbeit 36% 11% 41% 1% 3% 4% Fracht Ersatzteile Elektronik, Schaltkästen WÜ-Öl Metallstruktur und Antrieb Reflektoren und Receiver Folie 65
66 Kollektorausrichtung 1 Ausrichtung abhängig vom Breitengrad und Lastanforderungen N Äquator Äquator: Nord-Süd Höhere Breiten: zunehmend Ost-West S Folie 66
67 Kollektorausrichtung cos phi Jan 21.Mar 21.Apr 21.Jun Jan 21.Mar 21.Apr 21.Jun Nord-Süd (36 Nord) Ost-West (36 Nord) Folie 67
68 Der Kollektor - Das Absorberrohr Daten eines HCE Länge: 4 m Lebensdauer: 15 a Absorptionsgrad: 96 % Emissionsgrad: 19 % Folie 68
69 Kollektorwirkungsgrad (cos(φ) = 1) η ges = IAM η 80 2 T Ta ( T Ta ) ( [%] a ( T T )) b c [%] opt a DNI DNI 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 69
70 Vom Kollektor zum Kollektorfeld 6 Kollektoren bilden einen Strang 132 Stränge bilden das Kollektorfeld Folie 70
71 Parabolrinnenkraftwerk mit Zufeuerung 391 C 371 C/100bar 313 C 80MW e 42 C 293 C 231 C 206 C 371 C/100bar SEGS-VIII Folie 71
72 Parameter bestehender Anlagen 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 72
73 Parameter bestehender Anlagen Aufteilung der Stromgestehungskosten 6% 18% 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. [%] Kapitalkosten Brennstoffkosten Betrieb & Wartung Folie 73
74 Kostenentwicklung 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) Jahr Turm/Rinnen Projekte (gebaut) Folie 74
75 Weiterentwicklung - Solare Direktverdampfung Thermoölsystem Nachteile: Teures Thermoöl Öl nur bis 390 C thermisch stabil Zusatzkomponenten für Ölkreislauf Hoher Energiebedarf der Ölpumpe Umweltrisiko Folie 75
76 Weiterentwicklung - Solare Direktverdampfung Thermoölsystem Solare Direktverdampfung 2500 /kw Investitionen - 5 % 14% Mittlerer Wirkungsgrad + 5% 11 USCts/kWh Stromgestehungskosten - 10% Folie 76
77 Solare Direktverdampfung Ziele: Senkung der Investitionskosten Erhöhung Dampftemperatur bei hohem Druck Senkung der Betriebskosten (Verluste im WÜ) Vermindertes Gefährdungspotential Probleme: Dryout-Phänomen im horizontalen Verdampfer Hohe Wandtemperaturen im Überhitzer Modellierung der Vorgänge im Zweiphasenbereich Folie 77
78 Solare Direktverdampfung Verdampfung im Absorber T [ C] T h h [kj/kg] x x p p [bar] Wasser Blasen Wellen Schwall Ring Dampf Folie 78
79 Temperaturbelastung des Absorbers Beheizter Bereich Asymmetrisches Temperaturprofil über Umfang Wärmespannungen! Benetzter Bereich Kenntnis der Strömungsform und des Beheizungsprofils Folie 79
80 Vorhersage der Strömungsform Ringströmung 10 3 Verdampfungsweg Blasenströmung 10 0 Umschlag Ring- Wellenströmung: K 10 2 Wellenströmung. x 10-1 T, Fr* Fr * = ρg ρ ρ L G u G Dg 10 1 K Schwallströmung 10-2 X ρ = ρ G L 0.5 μ μ L G x& x& Schichtströmung Martinelli-Parameter X 10-3 Taitel-Dukler-Strömungsformenkarte Folie 80
81 Berechneter Temperaturverlauf im Absorberrohr Bsp.: 100 bar, 400 C, 1 kg/s, I dir =800 W/m 2 Folie 81
82 Wirkungsgradkette eines Parabolrinnenkraftwerks Direktstrahlung Therm. Energie Strom Einstrahlungs -winkel Optische Verluste Thermische Verluste Umwandlung Kraftwerk Eigenbedarf Kraftwerk Folie 82
83 Wirkungsgradkette eines Parabolrinnenkraftwerks Datum Einfallswinkel Optische Verluste Wärmeverluste Umwandlung Eigenbedarf Kraftwerk Stromerzeugung Folie 83
84 Solar-Elektrischer Wirkungsgrad jahresgemittelter Wirkungsgrad Efficiency [%] Eta_gros Eta_net cos(ia)*dni [W/m^2] Folie 84
85 Parabolrinnenkraftwerke - Zusammenfassung Parabolrinnenkraftwerke sind derzeit die günstigste Methode zur solaren Stromerzeugung Technologie hat sich in über 100 Anlagenjahren bewährt Die Verbesserung von Komponenten und des Gesamtsystems führen zu weiteren Kostensenkungen Folie 85
86 Geometrische Präzision über große Flächen Folie 86
87 Fotogrammetrie an Kollektoren Folie 87
88 Konzentrator-Qualität 3-dimensional Folie 88
89 Temperatur- und Flussdichte-Verteilungen (Öl 363 C) Folie 89
90 Parabolrinnenkraftwerke Was wird gemacht? Weiterentwicklung und Optimierung der solaren Direktverdampfung Kollektorentwicklung Qualifizierung von Systemkomponenten Speicherentwicklung Projektentwicklung Folie 90
91 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 91
92 Standortwahl Früher: Wetterdaten über Messstationen Aufwendig Störanfällig Stichprobencharakter Heute: Satellitendaten und Geographische Informationssysteme Schnell Zuverlässig Flächendeckend Folie 92
93 Standortwahl Meteosat Cloud Index AOT x 1000 Precipitable Water mm/m² Wolken, ½ stündl., 2,5 x 2,5 km, METEOSAT Aerosole, monatl., 4 x 5 NASA-GACP Wasserdampf, tägl., 2,5 x 2,5 NCAR-NCEP-Reanalysis Folie 93
94 Standortwahl Meteosat Cloud Index AOT x 1000 Precipitable Water mm/m² Wolken, ½ stündl., 2,5 x 2,5 km, METEOSAT Aerosole, monatl., 4 x 5 NASA-GACP Wasserdampf, tägl., 2,5 x 2,5 NCAR-NCEP-Reanalysis Einstrahlung Betriebsmodellierung Stromerträge Folie 94
95 Standortwahl Früher: Meteosat Cloud Index Wetterdaten über Messstationen Aufwendig Störanfällig Stichprobencharakter Wolken, ½ stündl., 2,5 x 2,5 km, METEOSAT AOT x 1000 Aerosole, monatl., 4 x 5 NASA-GACP Precipitable Water mm/m² Wasserdampf, tägl., 2,5 x 2,5 NCAR-NCEP-Reanalysis Einstrahlung Heute: Geländesteigung GLOBE 1999 Satellitendaten und Geographische Informationssysteme Schnell Zuverlässig Flächendeckend Betriebsmodellierung Landbedeckung USGS 1997 Stromerträge Geomorphologie FAO 1995 Folie 95
96 Standortwahl Früher: Meteosat Cloud Index Wetterdaten über Messstationen Aufwendig Störanfällig Stichprobencharakter Wolken, ½ stündl., 2,5 x 2,5 km, METEOSAT AOT x 1000 Aerosole, monatl., 4 x 5 NASA-GACP Precipitable Water mm/m² Wasserdampf, tägl., 2,5 x 2,5 NCAR-NCEP-Reanalysis Einstrahlung Heute: Geländesteigung GLOBE 1999 Satellitendaten und Geographische Informationssysteme Schnell Zuverlässig Flächendeckend Betriebsmodellierung Landbedeckung USGS 1997 Stromerträge Geomorphologie FAO 1995 Folie 96
97 Standortwahl Früher: Meteosat Cloud Index Wetterdaten über Messstationen Aufwendig Störanfällig Stichprobencharakter Wolken, ½ stündl., 2,5 x 2,5 km, METEOSAT AOT x 1000 Aerosole, monatl., 4 x 5 NASA-GACP Precipitable Water mm/m² Wasserdampf, tägl., 2,5 x 2,5 NCAR-NCEP-Reanalysis Einstrahlung Heute: Geländesteigung GLOBE 1999 Infrastrukturkosten, z.b. Straßenbau Satellitendaten und Geographische Informationssysteme Schnell Zuverlässig Flächendeckend Betriebsmodellierung Landbedeckung USGS 1997 Versicherungskosten Münchener Rück Stromerträge Geomorphologie FAO 1995 Barwert der Gesamtkosten Folie 97
98 Standortwahl Flächendeckende Ermittlung der Stromgestehungskosten aus den Gesamtkosten und Stromerträgen in ct/kwh Marokko 200 MW SEGS rein solar Ain Beni Mathar Ouarzazate STEPS Folie 98
99 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 99
100 Vision eines Strom Verbundes Solar nd othermal sserkraft masse ar Wind Wasserkraft Biomasse Geothermie EURO-MED Vision eines Euro-Mediterranen Stromnetzes auf HGÜ Basis zur synergetischen Nutzung der ergiebigsten regenerativen Energiequellen Mögliche spätere Erweiterungen Folie 100
101 TRANS-CSP-Studie Europa (EU) Skandinavien West Europa Ost Europa Süd-Ost Europa Westliches Asien Nordafrika Arabische Halbinsel North Africa (NA) Middle East (ME) 50 untersuchte Länder in EUMENA Folie 101
102 Strenge Nachhaltigkeitskriterien für die Studie Kostengünstig niedrige Kosten keine langfristigen Subventionen Sicher diversifizierte und redundante Quellen Leistung nach Bedarf unerschöpfliche Ressourcen Kompatibel geringe Emissionen Klimaschutz geringe Risiken fairer Zugang Folie 102
103 Verfügbares Technologie Portfolio Kohle, Braunkohle Erdöl, Erdgas Atomkraft, Kernfusion Solarthermische Kraftwerke Geothermie (Hot Dry Rock) Biomasse Wasserkraft Windenergie Photovoltaik Wellen / Gezeiten Ideal gespeicherte Energieformen Speicherbare Energieformen Fluktuierende Energieformen Folie 103
104 Erneuerbare Energiepotenziale in EUMENA Biomasse (1) Geothermie (1) Windenergie (30) Wasserkraft (30) in GWh el /km 2 /a Solarenergie (250) Ein solarth. kw in der Größe des Nasser Stausee (Assuan) entspricht energetisch der Ölproduktion im Mittleren Osten Folie 104
105 Stromerzeugung in Europa (TRANS-CSP Szenario) Stromerzeugung [TWh/a] Jahr Import Solar Photovoltaik Windkraft Geothermie Wellen u. Gez. Biomasse Wasserkraft Solarth. KW Heizöl Erdgas Kohle Nuklear Iceland, Norway, Sweden, Finland, Denmark, Ireland, United Kingdom, Portugal, Spain, France, Belgium, Netherlands, Luxembourg, Germany, Austria, Switzerland, Italy, Poland, Czech Republic, Hungary, Slovakia, Slovenia, Croatia, Bosnia- Herzegovina, Serbia-Montenegro, Macedonia, Greece, Romania, Bulgaria, Cyprus, Malta Folie 105
106 Stromerzeugung in MENA (MED-CSP Szenario) Stromerzeugung [TWh/a] Jahr Export Solar Photovoltaik Windkraft Geothermie Biomasse Wasserkraft Solarth. Kraftw. Öl / Gas Kohle Morocco, Algeria, Tunisia, Libya, Egypt, Turkey, Iran, Iraq, Jordan, Israel, Lebanon, Syria, Saudi Arabia, Yemen, Oman, United Arab Emirates, Kuwait, Qatar, Bahrain Folie 106
107 Kosten des Elekrizitätsmixes (Bsp. Deutschland) Beispiel Spanien Folie 107
108 Kostenmodell für die Szenarien 90 Mittlerer Ölpreis [$/bbl] Gaspreis [$/GJ] und Kohlepreis [$/ton] Kohle $/t Öl $/barrel Gas $/GJ : 58,52 Dollar für ein Fass: Ölpreis sinkt auf niedrigsten Wert seit fast acht Monaten Jahr Ölpreis Kohlepreis Gaspreis Folie 108
109 Szenario für Stromproduktion in Deutschland 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 109
110 Strom-Mix einer nachhaltigen Stromproduktion für Deutschland im Jahr 2050 (stündliche Simulation) Power Supply [GW] Date CHP (fossil) PV, Wind Biom., Geoth., Hydro. Import Solar Import Geoth., Hydro Pump Storage Peak Power(fossil) Surplus Grundlast von Erneuerbaren und Kraft-Wärme-Kopplung Mittellast mit Import von solar und anderen Erneuerbaren Spitzenlast mit fossilen Kraftwerken und Pumpspeicher Folie 110
111 Unterstützung neuer Energietechniken jährliche Differenzkosten, (Mrd. EUR/a) Energiepreise konstant geringer Anstieg Preisszenario Enquete mittlerer Anstieg hoher Anstieg uba-2/diffkos0.pre; Folie 111
112 Perspektiven der Zusammenarbeit EURO MENA Technologische Ressourcen Synergetische Effekte einer Euro-Mediterranen Kooperation bei der Nutzung Erneuerbarer Energiequellen Solares Angebot Finanzielle Ressourcen Land Ressourcen Strombedarf Entsalzungsbedarf Potenzial in Europa Synergetisches Potential Potenzial in MED Folie 112
113 Wassermangel in Nordafrika Year Population Water Resources (billion m³/year) Water Demand (billion m³/year) Balance million Surface Ground Desalination Municipal Industrial Agricultural billion m³/year Algeria ,5 3,7 0,2 2,6 0,5 3 11, ,5 3,7 0,3 4,7 1,1 5,2 6,5 Egypt ,5 7,4 0,1 4,5 6,1 59,9 2, ,5 7,4 0,2 7,8 9,9 112,6-57,2 Libya ,3 3,4 0,8 0,7 0,1 4,5-0, ,3 3,4 1,5 1,3 0,3 9,1-5,5 Morocco ,5 5 0,1 1,7 0, , ,5 5 0,2 4,3 0,9 28,1-8,6 Tunisia ,7 1,8 0,3 0,4 0,3 1,8 2, ,7 1,8 0,6 1,3 0,7 3,2-0,1 North Africa ,5 21,3 1,5 9,9 7,4 80,2 26, ,5 21,3 2,8 19,4 12,9 158,2-64,9 Quelle: Abufayed at al., Desalination 152 (2002), pp fehlt die Wassermenge des Nils Großer Energiebedarf für thermische Meerwasserentsalzung (Salzgehalt << 50 ppm) Folie 113
114 Solarthermische Kraftwerke mit Abwärmenutzung wood solar collector and partially shaded crops steam power block thermal desalination plant brine sea water salt production electricity sweet water freeland crops pasture Folie 114
115 Potenzial des Stromexports und Wasserproduktion 2025: Strom lokal Strom Export Wasser lokal Land Bedarf 0.04 Euro/kWh 25 TWh/y 200 TWh/y 8600 Mm³/y 30 x 30 km² => 75 Mrd. Euro/y 30 TWh/y 100 TWh/y 5500 Mm³/y 20 x 20 km² 110 TWh/y 1400 TWh/y Mm³/y 70 x 70 km² Solar Feld Folie 115 Bewässerte Fläche
116 Geringe CO 2 Emissionen während Bau und Betrieb 1200 CO2-Equivalent (kg/mwh) Coal / Steam Natural Gas / CC Photovoltaics Wind Power Hydro-power CSP (Trough) This life cycle assessment of CO 2 -emissions is based on production of components with an energy mix of 0.7 kg/kwh CO2-emissions. CSP valid for 80 MW parabolic trough steam cycle in solar only operation. PV and CSP for sites in North Africa. CC: Combined Cycle. Source: DLR. Folie 116
117 Verringerung der CO2 Emissionen in Europa CO2-Emissionens in Mt/a Jahr Vermieden Import Solar Photovoltaik Windkraft Geothermie Wasserkraft Wellen u. Gez. Biomasse Solarth. KW Öl / Gas Kohle Nuklear Verringerung der CO 2 Emissionen in Europa auf 25 % und Beibehaltung der aktuellen geringen Emissionen in MENA Folie 117
118 Arbeit und Wachstum vor Ort Ein ständiger Arbeitsplatz pro MW über die Betriebszeit von 25 a Zehn temporäre Arbeitsplätze pro MW während der zweijährigen Bauphase Großer lokaler Anteil beim Bau des Kollektorfeldes Folie 118
119 Standort und Systemanalyse Was wird gemacht? Verbesserung der Strahlungsmodelle Lebenszyklenanalyse Politische Information Projektentwicklung Folie 119
120 Spanische Projekte Spanisches Stromeinspeisegesetzt seit April Cts/kWh für Solarthermischen Kraftwerken Maximale Anlagengröße: 50 MW 13 % fossile Zufeuerung Speicher Insgesamt 500 MW Folie 120
121 Spanische Projekte Planung Im Bau EuroSEGS 15 MW SMAG 2x50 MW PS10 10 MW 2x20 MW 50 MW Iberdrola 10x50 MW SolarTres 17 MW AndaSol 3x50 MW AndaSol 1 50 MW Folie 121
122 Kostenentwicklung 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) Jahr Folie 122
123 Warum Solarthermische Kraftwerke? Nachhaltige Entwicklung Saubere Energie Landwirtschaft Wasser Arbeitsplätze Nachhaltiger geringer Preis STKW Produkte für den Export Lokaler Nutzen Lokale Ressourcen einfache Integration Keine Verschmutzung keine Emissionen Klimaschutz Folie 123
124 Solarthermische Kraftwerke - Fazit Das Potenzial ist begrenzt durch die Nachfrage, nicht durch das Angebot GWh/km ²year Folie 124
125 Folie 125
126 Weiterführende Informationen im Netz: DLR allgemein: DLR Institut für Technische Thermodynamik ITT Informationen zu den Szenarien einer zukünftigen Energieversorgung Folie 126
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