Solarthermische Kraftwerke wesentlicher Bestandteil einer nachhaltigen Stromversorgung

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1 Solarthermische Kraftwerke wesentlicher Bestandteil einer nachhaltigen Stromversorgung Prof. Dr. Dr.-Ing.(habil) Hans Müller-Steinhagen Institut für Technische Thermodynamik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik, Universität Stuttgart

2 Übersicht Einleitung Technologien für solarthermische Kraftwerke Kostenentwicklung Standorte Aktuelle Projekte Zusammenfassung

3 Das DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Raumfahrt-Agentur der Bundesrepublik Deutschland

4 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 Almeria (Spanien)

5 Gesamtbudget Mio. 800 Alle Angaben in Mio. Euro Raumfahrt-Agentur Deutsche ESA-Beiträge BMBF Nationales Raumfahrtprogramm Forschung und Betrieb Institutionelle Förderung Drittmittel

6 Prozentualer Anteil der Schwerpunkte an den Gesamterträgen Forschung und Betrieb % 7% Weltraum 44% Luftfahrt Verkehr Energie 40%

7 Energieforschung im DLR Effiziente und umweltverträgliche fossile Kraftwerke (Turbomaschinen, Brennkammern, Wärmeübertrager), Solarthermische Kraftwerkstechnik, Solare Stoffumwandlung, Speicherung von Solarwärme, Nieder- und Hochtemperatur- Brennstoffzellentechnik, Systemanalyse und Technikbewertung.

8 Solarstrahlung ist die größte erneuerbare Energiequelle der Welt. Wenn ungefähr 1 % der Wüstenlandstriche für solarthermische Kraftwerke genutzt würden, könnte damit der gesamte Strombedarf der Welt im Jahre 2006 gedeckt werden. Diese Energie ist im Sonnengürtel der Erde gleichmäßiger verteilt als Windenergie oder Biomasse, und kann dadurch an zahlreichen Standorten genutzt werden.

9 Solare Stromerzeugung Parabolrinne Solarturm Central Receiver Absorber tube Dish-Stirling Receiver and Heat Engine Reflector Reflector Piping Heliostat Solarteich Photovoltaik Aufwindkraftwerk PV Panel Hot Air Cold Water Chimney Hot Brine Wind Turbine Cold Water, Low Salt Content Layer With Intermediate Salt Content Hot Concentrated Brine Watt meter Load Cold Air Cover

10 Dish/Stirling-Systeme zur dezentrale Energieversorgung Anlagengröße: Modulare Größe von ca kw

11 SOLO Stirling 161

12 Dish/Stirling-Systeme - Zusammenfassung Bis zu 2000x Konzentration Höchste solare Wirkungsgrade Prototyp- bzw. Demonstrationsstatus Aktuell: 1 MW-SES Dish- Stirling Farm in Kalifornien mit Option auf 500 MW (Southern California Edison)

13 Zentrale Energieversorgung Dampfkreislauf Anlagengröße: 5 MW bis mehrere 100 MW Kreislaufwirkungsgrad fossil & solar 35-42% G Fuel Saver Solar Anteil 30% - 50% Expansion Vessel HTF Speicher 6 Tageszeit Solar Anteil 100% Solar-only Tageszeit Tageszeit Solar Anteil 100%

14 Prinzip des Parabolrinnenkollektors Vormittag Nachmittag Linienfokussierender Kollektor mit einachsiger Nachführung

15 Anfang des Parabolrinnenkollektors 1907 patentiert Erstes Kollektorfeld 1912 in Ägypten

16 Der Kollektor - Absorberrohr Länge 4 m Rohrdurchmesser 70 mm Lebensdauer 15 a Absorptionsgrad 96 % Emissionsgrad 19 %

17 Der Kollektor - Aufbau Länge: 100 m Breite: 5,76 m opt. Wirkungsgrad: 77 % Konzentrationsfaktor: 70

18 Loop of 6 SCA s 1248 m SEGS Power Block 80 MW Rankine Cycle Headers Cross Over Pipes 1379 m

19 Bestehende Rinnenkraftwerke Installierte Gesamtleistung: 354 MW Standort: Kalifornien (USA) Spitzenwirkungsgrad: 21,6 % mittl. Jahreswirkungsgrad: 14 % Jahresertrag: 1100 GWh Landbedarf: 2 ha/mw Maximale Öltemperatur: 390 C Maximale Dampftemperatur: 371 C Stromgestehungskosten: 11 USCts/kWh

20 Reinigung der Spiegel

21 Das lineare Fresnel-Konzept Dish Flache Spiegel (anstelle Rinne von gekrümmten) Geringe Windlasten (d.h. leichtere Strukturen) 62.5 Fixierte Absorberrohre, (d.h. keine Kugelverbindungen Fresnel oder Metallschläuche) Ben-Gurion Universität Einfache Wartung Solarmundo Cairo DLR Nutzbare Fläche unter den Kollektoren Garissa, Kenia Direktstrahlung, die von den verschiedenen Konzepten genutzt werden kann two axis tracking single axis tracking north-south flat plane

22 Solarturm Konzept Stärkere Fokussierung für höhere Temperaturen und Wirkungsgrade Orientiertes Heliostatenfeld für nördl. Breiten Nicht-orientiertes Heliostatenfeld (Äquatornähe)

23 Rohrreceiver Volumetrischer Receiver Heliostate bis zu 120 m 2

24 Solarturmkraftwerk - Solar Two Installierte Leistung: 10 MW Standort: Kalifornien (USA) Betrieb: mittl. Jahreswirkungsgrad: 13 % Technologie: Salzschmelze Receiver: Rohrreceiver Heliostatenfeld: m 2 Maximale Salztemperatur: 565 C Investitionskosten: 48 Mio. US$ (4800 US$/kW)

25 Solar-hybride Gasturbinen Systeme CC η = 25 % (annual) Rankine Rankine η = % (annual) (annual)

26 Testsystem auf der Plataforma Solar de Almeria, Spanien LT Modul MT Modul MT/HT Modul Gasturbine Generator

27 Solar-hybride Gasturbinen Systeme Receiverdesign Betriebsbedingungen: p = 15 bar; T > 1000 C

28 Hochtemperatur - Wärmespeicher Wärmespeicher mehr Betriebsstunden Kostenreduzierung Relative Stromkosten [%] Stromgestehungskosten ohne Speicher = 100% 2000 h h Speicherkapazität [Volllaststunden] * Annahme: Investitionskosten für Speicher 10 Euro/kWh

29 Thermische Speicher Technische Randbedingungen Solarfeld Speicher Power Block Öl 15bar 400 C Dampfturbine Wasser/Dampf 100bar 400 C Gasturbine Salz 1 bar 560 C GuD Luft 1bar 800 C Luft 15 bar 1100 C

30 Konzepte für Wärmespeicherung Öl- oder Flüssigsalztank Feststoffspeicher

31 Konzepte für Wärmespeicherung Graphit/Salz Speicher Sand / Luft - Wärmespeicher Heißspeicher Luft- Receiver Sandspeicher Vorwärmer Turm Sand-Heißluft-WT 800 C 150 C Fließbettkühler, Dampferzeuger Verdampfer bzw. Überhitzer

32 Emissionen verschiedener Stromerzeugungstechnologien Emissions per kwh Wind Wasserkraft Solarthermie Geothermie Biomasse Fotovoltaik Kernkraftwerk Gas / GuD Kohlekraftwerk CO 2 -Äquivalent [g/kwh] Versauerung [mg/kwh] Eutrophierung [mg/kwh]

33 Unabhängig von dem eingesetzten Konzept, benötigt ein 100 MW Solarkraftwerk mit Wärmespeicher : 4 km 2 Land Tonnen Stahl Tonnen Glas Tonnen Speichermedium m³ Beton Zum Antransport werden t LKWs oder 2000 Bahnwaggons benötigt. Ein 100 MW Solarkraftwerk mit 9 Stunden Speicherkapazität bedeutet heute eine Investition von 500 Millionen Euro, 1000 Arbeitsplätze in der Bauzeit und 100 Arbeitsplätze in den 25 Betriebsjahren.

34 Kostenentwicklung Stromgestehungskosten [cts/kwh] IEA SSPS (2000 kwh/m 2 a) Solar One (10 MW) (2700 kwh/m 2 a) Konventionelle Stromerzeugung SEGS I (14 MW) (2700 kwh/m 2 a) cents/kwh Grundlast cents/kwh Mittellast SEGS IV (30 MW) (2700 kwh/m 2 a) cents/kwh Spitzenlast, Nischenmärkte SEGS IX (80 MW) (2700 kwh/m 2 a) Turm/Rinnen Projekte (gebaut) Jahr

35 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

36 Einsatzgebiete solarthermischer Kraftwerke Direktstrahlung > 1800 kwh/m 2 d Auf benötigte diese Gebiete Fläche, strahlt um den es gesamten jährlich Strombedarf l Öl der pro Welt m 2 im Jahr 2030 zu decken (IEA) Eine Fläche von ca. 40 x 40 km reicht aus um den deutschen Strombedarf zu decken

37 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 Geländesteigung GLOBE 1999 Infrastrukturkosten, z.b. Straßenbau Betriebsmodellierung Landbedeckung USGS 1997 Versicherungskosten Münchener Rück Stromerträge Geomorphologie FAO 1995 Barwert der Gesamtkosten

38 Standortwahl Flächendeckende Ermittlung der Stromgestehungskosten aus den Gesamtkosten und Stromerträgen in ct/kwh < 0,10 /kwh 0,100 /kwh 0,105 /kwh 0,110 /kwh 0,115 /kwh 0,120 /kwh 0,125 /kwh 0,130 /kwh 0,135 /kwh 0,140 /kwh 0,145 /kwh 0,150 /kwh > 0,15 /kwh

39 Angebot und Nachfrage Weltkarte der Solarthermischen Stromerzeugungspotenziale in GWh/m 2 a Weltkarte der Lichtemissionen als Indikator für den Stromverbrauch

40 Int. Stromnetz Solar Wind Wasser Geothermie EURO-MED mögliche weitere Verbindungen Vision eines Euro-Mediterranen Stromnetzes auf HGÜ Basis zur synergetischen Nutzung der ergiebigsten regenerativen Energiequellen

41 Zusammenfassung Solarthermische Kraftwerke können einen signifikanten Beitrag zu einer nachhaltigen zukünftigen Energieversorgung leisten. Solarthermische Kraftwerke sind bereits unter den kostengünstigsten Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energieträger. Solarthermische Kraftwerke sind schon heute eine qualifizierte Technologie; die seit 1985 in Kalifornien betriebenen Parabolrinnenkraftwerke haben bereits über 10 Milliarden kwh Solarstrom in das Stromnetz eingespeist. Durch weitere technologische Verbesserungen und durch Massenfertigung der Kollektoren können solarthermische Kraftwerke in Jahren wettbewerbsfähig mit fossilen Kraftwerken werden.

42 Ausblick 2004 hat die spanische Regierung ein neues Gesetz verabschiedet, das den Strom aus solarthermischen Kraftwerken mit 18 Cent pro kwh subventioniert. Bereits jetzt sind Projekte mit einer Gesamtleistung von 700 MW angekündigt.

43 Projektentwicklung in Spanien Ankündigungen zur Bau von weiteren Kraftwerken in Spanien durch SolarMillennium / ACS Cobra Iberdrola EECH, Hamburg CONERGY AG Model des Kraftwerks

44 Die erste Baustelle 11 MW Solarturmkraftwerk in der Nähe von Sevilla hat mit dem Bau begonnen. Gesamtkosten 36 Mio. Euro; EPC durch ABENGOA Gruppe. Wirkungsgrad 21,7%, Inbetriebnahme Mitte 2006 geplant Model des Kraftwerks

45 Ausblick 2004 hat die spanische Regierung ein neues Gesetz verabschiedet, das den Strom aus solarthermischen Kraftwerken mit 18 Cent pro kwh subventioniert. Bereits jetzt sind Projekte mit einer Gesamtleistung von 700 MW angekündigt. Im Westen der USA sind aufgrund der hohen Spitzenstrompreise und verschiedener Auflagen für die Einführung von erneuerbaren Energien bereits mehrere Projekte im Bau und zahlreiche in der Projektierungsphase

46 64 MW Parabolrinne: Solargenix Nevada Solar One, Grundsteinlegung Boulder City/Las Vegas,

47 Ausblick 2004 hat die spanische Regierung ein neues Gesetz verabschiedet, das den Strom aus solarthermischen Kraftwerken mit 18 Cent pro kwh subventioniert. Bereits jetzt sind Projekte mit einer Gesamtleistung von 700 MW angekündigt. Im Westen der USA sind aufgrund der hohen Spitzenstrompreise und verschiedener Auflagen für die Einführung von erneuerbaren Energien bereits mehrere Projekte im Bau und zahlreiche in der Projektierungsphase Solar Millennium AG unterzeichnete im Beisein von Bundeskanzlerin Merkel in China ein Rahmenabkommen zur Realisierung von solarthermischen Kraftwerke. Bis zum Jahr 2020 sind 1000 Megawatt geplant.

48 Ausblick Deutsche Firmen sind in der solarthermischen Technologie weltweit führend. Es besteht damit die Möglichkeit, einen beträchtlichen Exportmarkt aufzubauen. Kraftanlagen Anlagentechnik München und zahlreiche weitere

49 Ziele für die Forschung Ziele 1: Kurzfristig Unterstützung der Industrie bei Implementierung von ersten Solarkraftwerken Ziel 2: Mittelfristig Beiträge zur Kostensenkung und zum nachhaltigen Marktdurchbruch Ziel 3: Langfristig Vorbereitung der langfristigen Option zur chemischen Speicherung von Solarstrahlung (auch Brennstofferzeugung)

50 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit