Solar-Vision DESERTEC Wenn Ingenieure darüber nachdenken

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1 Solar-Vision DESERTEC Wenn Ingenieure darüber nachdenken Dr.-Ing. Ulrich Hueck Co-Founder Blue Engineer AG Ingenieure mit sozialer und ökologischer Verantwortung Technische Universität Hamburg-Harburg 13. Dezember 2011

2 Inhalt Vortrag DESERTEC Energieverbrauch und Klimawandel Nutzung der Sonnenenergie Solarthermische Kraftwerke Hochspannungs-Gleichstromübertragung Das DESERTEC Konzept Industrieinitiative & DESERTEC Foundation 2

4 Immer mehr Menschen leben auf der Erde Quellen: Allianz Versicherung United Nations World Population Prospects Deutsche Stiftung Weltbevölkerung 4

5 Der Energieverbrauch steigt Weltweiter Energieverbrauch Quelle: BP Statistical Review of World Energy Juni Millionen Tonnen Rohöleinheiten 5

6 Der Energieverbrauch ändert sich regional sehr unterschiedlich Entwicklung des Primärenergieverbrauchs China Indien Brasilien Russland Deutschland Quelle: Die ZEIT Nr

7 Der fossile Energieverbrauch erhöht die mittlere Temperatur auf der Erde Änderung der Erdoberflächentemperatur Abweichungen ( C) von Welt IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change Global annual combined land-surface air temperature and statistical anomalies in ⁰C (red). For 1850 to 2010 relative to the 1961 to 1990 mean, along with 5% to 95% error bar ranges, from HadCRUT3 (adapted from Brohan et al., 2006). The smooth blue curves show decadal variations. Source: IPCC AR4 (WG I, Ch. 3) 7

8 Wetterbedingte Schäden nehmen zu Naturkatastrophen weltweit Meteorologische Ereignisse (Sturm) Hydrologische Ereignisse (Überschwemmung, Massenbewegung) Trend Linien Anzahl Geophysikalische Ereignisse (Erdbeben, Tsunamis, Vulkanausbrüche) 2011 Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft Geo Risiko Research NatCatSERVICE Stand Jan

9 Die Nachfrage nach Rohöl wird größer werden als die Produktion Überschreitung des Fördermaximums Weltweite Ölproduktion Ölproduktion im Verhältnis zur Bevölkerung Mittelwertbildung aus 15 Peak-Oil-Studien Bei der drohenden Gefahr geht es nicht um das Ende des Öls, sondern das Ende des billigen Öls, und damit gleichzeitig um das Ende unserer Gesellschaft, die auf der Verwendung billigen Öls beruht. Quellen: Peak Oil - Sicherheitspolitische Implikationen knapper Ressourcen Zentrum für Transformation der Bundeswehr Juli CO=Crude oil NGL=Natural gas liquids mbpd=million barrels per day IEA=Intl. Energy Agency 9

11 Das Potenzial der Sonnenenergie ist am größten Stromausbeute erneuerbarer Energien EU-MENA Biomasse 0-1 GWh/km 2 y TWh/y Geothermie 0-1 GWh/km 2 y TWh/y Wasserkraft 0-50 GWh/km 2 y TWh/y Solarenergie GWh/km 2 y TWh/y Windenergie 5-50 GWh/km 2 y TWh/y (ohne off-shore) TWh/y ohne Solarenergie ohne off-shore Wind Strombedarf EU-25: TWh/y MENA: 600 TWh/y EU-MENA = Europe - Middle East & North Africa jeweils Maximum für Potenzial und Stromausbeute Strombedarf für 2005 Quelle: DLR MED-CSP Concentrating Solar Power for the Mediterranean Region Stuttgart

12 Sonnenenergie übersteigt alle anderen Reserven Energie Bedarf Reserven Angebot Weltenergiebedarf in einem Jahr weltweite Uranreserven weltweite Erdgasreserven weltweite Erdölreserven weltweite Kohlereserven Sonnenenergieangebot in einem Jahr Vergleiche bezogen auf Kugelvolumina Grafik: SolarWorld AG Bonn 12

13 Summenbildung für viele Einzelanlagen Flächenbedarf für Solarkraftwerke Strombedarf Flächenbedarf Welt: TWh/y 300 x 300 km 2 EU-25: TWh/y 125 x 125 km 2 MENA: 600 TWh/y 55 x 55 km 2 Angaben für 2005 theoretische Werte EU-25 = 25 European Countries MENA = Middle East & North Africa CSP = Concentrated Solar Power Quelle: Clean Power from Deserts White Book 4th Edition DESERTEC Foundation February

14 Direkte Stromerzeugung mit Photovoltaik Photovoltaik Module und Kraftwerke Sarnia Ontario Canada 80 MWp 1,3 Mio. Sonnenkollektoren Bau in Photos: China Central Television Goldmud Qinghai Province NW China 200 MWp Fläche: 6 km² Inbetriebnahme Okt

15 Vorteil für solarthermische Kraftwerke (CSP) bei der großtechnischen Speicherung der Sonnenenergie Vergleich von Photovoltaik und CSP Photovoltaik Speicherung als chemische Energie 1) Speicherung als potentielle Energie 2) Speicherung als Wärme 3) Sonnenenergie 100% schwankender Strom ca. 5% >40% Speicherung nach der Stromerzeugung mit Wechsel der Energieform CSP Concentrated Solar Power Kein Wechsel der Energieform Speicherung als Wärme Speicherung als chemische Energie 4) Nutzung der Abwärme 5) ca. 20% Sonnenenergie 100% Wärme ca. 60% 1 km 2 ca MW el. (mit oder ohne Speicherung) Speicherung vor der Stromerzeugung ohne Wechsel der Energieform kontinuierlicher Strom ca. 15% 18% Beispiele: 1) Batterie, Wasserstoff 2) Pumpspeicherkraftwerk 3) Wärmepumpe 4) Kalziumhydroxid 5) Meerwasserentsalzung 15

16 Inhalt Vortrag DESERTEC Energieverbrauch und Klimawandel Nutzung der Sonnenenergie Solarthermische Kraftwerke (CSP) Hochspannungs-Gleichstromübertragung Das DESERTEC Konzept Industrieinitiative & DESERTEC Foundation CSP = Concentrated Solar Power 16

17 Immer mehr CSP-Kraftwerke sind in Betrieb oder in Bau Boom für CSP-Kraftwerke Stand 12. Dez in Betrieb: MW in Bau: MW Angekündigt: USA: MW Spanien: 930 MW andere: MW Gesamt: MW Stand Ende 2008 in Betrieb: 482 MW in Bau: 540 MW Angekündigt: MW Gesamt: MW Grafik für angekündigte CSP-Kraftwerke Stand Ende 2008 aktuell: Quelle Stand Ende 2008: DLR Characterisation of Solar Electricity Import Corridors from MENA to Europe Franz Trieb et al. July 2009 pp Fig Angaben in MW CSP = Concentrated Solar Power 17

18 Die Kosten für CSP-Solarstrom sollen fallen Kostenentwicklung für CSP-Strom Zunächst hohe Kosten Cost of MENA CSP with expansion and learning effects Assumptions: - Construction begins by First commercial operation in Initial deployment is 500 MW - Capacity in 2020 is 20,000 MW - Delivered Electricity in 2020 is ~ 55 TWh - Power transmission included CSP = Concentrated Solar Power Source: Center for Global Development Working Paper Number 156 December 2008 Desert Power: The Economics of Solar Thermal Electricity for Europe, North Africa, and the Middle East By Kevin Ummel and David Wheeler Fig. 12, page

19 Es gibt verschiedene Technologien für solarthermische CSP-Anlagen günstig ungünstig Bauarten für Concentrated Solar Power abwarten Lineare Konzentration Konzentration: Temperatur: ~400 C Größe: MW Effizienz: 15 16% Absorber Receiver- Tube Rohre Gekrümmte Curved Spiegel mirror Rohre mit thermal Thermoöl fluid Parabolrinnenspiegel Receiver-Rohr Absorber tubeund and Re-Konzentrator reconcentrator Linear-Fresnel Spiegel Konzentration: Temperatur: ~400 C Größe: MW Effizienz: 8 10% Solar- Receiver Punkt- Konzentration Konzentration: >1000 Temperatur: ~1200 C Größe: MW Effizienz: 20 25% Receiver // Engine Motor Reflector Spiegel Parabol-Stirling Heliostats Spiegelfeld Solarturmkraftwerk Konzentration: Temperatur: ~1200 C Größe: MW Effizienz: 15 17% Veränderliche Angaben bedingt durch technische Weiterentwicklungen 19

20 Seit mehr als 20 Jahren gibt es kommerzielle Kraftwerke mit Concentrated Solar Power (CSP) CSP-Kraftwerk mit Parabolrinnenspiegeln Horizontale Fläche erforderlich SEGS I-IX Mojave Desert USA 9 Anlagen 354 MW Errichtung

21 Solarkraftwerke nutzen die Technik der konventionellen Stromerzeugung Zwei getrennte Kreisläufe mit Wärmetauschern Einfach Konfiguration für CSP-Kraftwerk Keine Speicherung CSP = Concentrated Solar Power Quelle: Volker Quaschning and Winfried Ortmanns DLR, Plataforma Solar de Almería, Spain Specific cost development of photovoltaic and concentrated solar thermal systems depending on the global irradiation ISES Solar World Congress Goteborg June

22 Solarkraftwerke sollen Strom möglichst Tag und Nacht liefern CSP-Kraftwerk mit thermischen Speichern Gelände: 1,3x1,5 km² Solarfeld: m² Anzahl Spiegel: ca Baukosten: ca. 300 Mio. Vergütung: ca. 0,27 /kwh relativ teuer Andasol 1 Andalusien Spanien 50 MW 2008 Andasol 2: 50 MW in Betrieb seit 2009 Andasol 3: 50 MW in Betrieb seit 2011 Photo: ACS Cobra CSP = Concentrated Solar Power Vergütung Stand 2008 gemäß Orden ITC/3860/2007 vom

23 Die Speicherung mit flüssigem Salz erhöht die Anzahl der Teilsysteme CSP-Kraftwerk mit Speichersystem Drei getrennte Kreisläufe mit Wärmetauschern Quelle: Solar Millennium Die Parabolrinnen-Kraftwerke Andasol 1 bis 3 Erlangen

24 Beispiel für Solarturmkraftwerk Prototyp für modulare Bauweise noch ohne Speicherung Quelle: esolar Pasadena California Sierra SunTower California USA 5 MW Spiegel Fläche: ca m 2 Dampf: 440 C, 60 bar 24

25 Wärmetransport und Speicherung mit flüssigem Salz Solarturmkraftwerk Gemasolar Spanien 19,9 MW Spiegel Spiegelfläche: ca m 2 Hohe Temperaturdifferenzen am Receiver >900 C C Das Salz muss flüssig bleiben Hoher Turbinen-Wirkungsgrad 15 h Betrieb ohne Sonnenlicht Quellen:

26 Direkte Erzeugung und Speicherung von Dampf Solarturmkraftwerk PS10 Spanien 11 MW Spiegel à 120 m 2 Fläche: ca m 2 Sattdampf Quelle: Abengoa Solar Spanien Ein Kreislauf 26 Druckbehälter als Wärmespeicher

27 Große Anlage mit direkter Erzeugung von Dampf Solarturmkraftwerk Risiko der Überhitzung Wärmeverlust an die Umgebung Ein Kreislauf Überhitzung des Dampfes Ivanpah CA USA Baubeginn Okt MW 1x120 MW + 2x125MW Spiegel à 14 m 2 Fläche: m 2 noch ohne Speicherung Quellen: BrightSource Energy, Inc

28 Was ist der beste Weg? Sonnenstrahlung für die Stromerzeugung günstig ungünstig abwarten 28

29 Unebene oder horizontale Flächen? Gelände für solarthermische Kraftwerke Zulässigkeit von unebenem Gelände** Beschränkung auf horizontale Flächen* * Solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenspiegeln oder Fresnel Spiegeln sind auf horizontale Flächen beschränkt. ** Solarthermische Turmkraftwerke können auf unebenem Gelände errichtet werden. Horizontale Flächen werden jedoch bevorzugt. 29

30 Flache oder gekrümmte Spiegel? Spiegel für solarthermische Kraftwerke Einfache Herstellung Aufwendigere Herstellung 30

31 Der Eigenbedarf an Strom sollte nicht mit der Größe des Solarfeldes zunehmen Größe solarthermischer Kraftwerke Geringe Fokussiergenauigkeit entfernter Spiegel zulassen* Der Stromverbrauch der HTF-Pumpe steigt mit der Größe des Solarfeldes *Die Entfernung der Spiegel wird durch Strahlungsverluste in der tief liegenden Atmosphäre begrenzt. HTF = Heat Transfer Fluid 31

32 Die Art der Konzentration der Strahlung beeinflusst den technischen Aufwand Erwärmung mit Sonnenstrahlung Punkt- Konzentration Gebündelte Konzentration Aufwand durch sehr große Wärmemenge auf kleiner Fläche Optimierung der Strahlung pro Fläche Kurzer Weg des Mediums Einfachere Isolierung kaltes Medium heißes Medium 32 Lineare Konzentration Quelle: Ulrich Hueck Large-scale solar power Rohr Aufwand für Transport des Mediums und für Vakuum-Isolierung mit Glas

33 Solare Absorber sollen Wärmeverluste an die Umgebung minimieren Nutzung der solaren Abwärme Wärmeverlust an die Umgebung Begrenzung des Wärmeverlusts Nutzung der Abwärme Absorber-Rohr Sonnenstrahlung Abwärme 33

34 Die Anzahl der Kreisläufe beeinflusst den Aufwand für die Stromerzeugung Kreisläufe für die Wärmeübertragung Zusätzlicher Kreislauf mit Thermoöl oder flüssigem Salz oder heißer Luft Wärmetauscher zwischen dem ersten und zweiten Kreislauf Ein Kreislauf mit Wasser/Dampf Dampfturbine 34

35 Die Umschließung von Absorberflächen mit einem Reflektorkanal verbessert die solare Dampferzeugung Segment eines Solarkessels in Spiegelfeld Geringer Wärmeverlust Spiegelfeld Solare Strahlung Senkrechte Absorber-Rohre Fokus Reflektierende Flächen Große Oberflächen für die Wärmeübertragung Isolierender Mantel Glasabdeckung Grafik und Patente: Dirk Besier Wiesbaden

36 Konventionelle Kessel können als Vorbild für die solare Dampferzeugung dienen Solarkessel mit mehreren Segmenten Fokussier- Genauigkeit passend zur Temperatur Überhitzung des Dampfes* Nutzung der Abwärme Unebenes Gelände ist zulässig Wasser Dampf Solare Vorwärmung Solare Verdampfung Solare Überhitzung Solare ZÜ Dampf Nutzung der isolierenden und kühlenden Luft für die Vorwärmung von Kondensat und Speisewasser *Genaue Steuerung zu Störungen durch Wolken erforderlich. ZÜ = Zwischenüberhitzung Grafik links: Javier Muñoz, Alberto Abánades and José M. Martínez-Val Universidad Politécnica de Madrid A conceptual design of solar boiler Solar Energy 83 (2009) pp Grafik rechts: Ulrich Hueck Large-scale solar power 36

37 Ein Wärmespeicher wird tags mit Dampf erhitzt und nachts zur Dampferzeugung genutzt Solarkessel mit Wärmespeicher Ein Kreislauf Dampfturbine Solarkessel Wärmespeicher Kondensator Überhitzter Dampf Kondensat Tagbetrieb Nachtbetrieb Quelle: Ulrich Hueck Large-scale solar power 2010 Deutschland Zwischenüberhitzung zur Vereinfachung nicht gezeigt 37

38 Der Wärmespeicher passt zur Physik der Kondensation und Erzeugung von Dampf Salz als Phasenwechselspeicher T zum Solarkessel Aufladung durch Abkühlung und Kondensation des Dampfes Entladung zur Dampferzeugung Q Heiß Phasenwechsel Kühl Verdampfung mit Trommel zur Phasentrennung Abkühlung Kondensat Sattdampf Die Erstarrung des Salzes wird genutzt Phasenwechselspeicher (PCM) gefüllt mit Salz (NaNO 3 ) vom Solarkessel Abkühlung Frischdampf vom Kondensator Vorwärmung Salz oder Beton Kondensation Salz oder Beton Überhitzung zur Dampfturbine Pilotanlage Litoral Carboneras Spanien Phasenwechsel von Natriumnitrat (NaNO 3 ) bei 306 C Aufladung mit Dampf bei ~107 bar, ~320 C T = Temperatur Q = Wärmemenge im Speicher PCM = Phase Change Material Entladung mit Wasser bei ~81 bar, ~295 C Quelle: Doerte Laing, Carsten Bahl, Thomas Bauer, Dorothea Lehmann and Wolf-Dieter Steinmann German Aerospace Center (DLR) Stuttgart und Ed. Züblin AG Thermal Energy Storage for Direct Steam Generation SolarPACES Berlin Germany 38

39 Der Wärmespeicher wird bei einem Kohlekraftwerk erprobt Kleiner Prototyp für Wärmespeicher Kohlekraftwerk Litoral Carboneras Spanien 2 Blöcke MW Speicherkapazität 1. Prototyp: 1 MWh 2. Prototyp: 20 MWh geplant, Standort offen Phasenwechselspeicher kombiniert mit Betonspeichern Photo Wärmespeicher: Doerte Laing, Carsten Bahl, Michael Fiß German Aerospace Center (DLR) Stuttgart und Ed. Züblin AG Commissioning of a thermal energy storage system for direct steam generation SolarPACES Perpignan France 39

40 Vor- und Nachteile der Speicherung solarer Wärme mit Salz Wärmespeicherung und Phasenwechsel Das Salz muss flüssig bleiben T nur oberhalb Schmelzpunkt nutzbar Pumpen für Salz und HTF erforderlich Die Erstarrung des Salzes wird genutzt Nutzung der Umwandlungswärme Nur Pumpen für Wasser/Dampf Andasol 1 Spanien Nur ein Satz Wärmetauscher zwischen HTF und flüssigem Salz HTF = Heat Transfer Fluid Photos: Solar Millennium AG DLR Prototyp in Litoral Spanien Jedes Modul ist zugleich ein Wärmetauscher* * Hohe zu erwartende Kosten sind derzeit das größte Hindernis für die kommerzielle Nutzung von Phasenwechselspeichern. 40

41 Der Solarkessel hat viele Vorteile Technische Aspekte Bündelung der Sonnenstrahlung Umwandlung der Sonnenstrahlung in Wärme Nutzung der Wärme für die Stromerzeugung Speicherung der Wärme für den Nachtbetrieb Unebenes Gelände ist zulässig Flache Spiegel Geringe Fokussiergenauigkeit ist zulässig Große Oberflächen für die Wärmeübertragung Geringer Wärmeverlust Geringes Risiko der Überhitzung von Receivern Überhitzung des Dampfes Ein Kreislauf mit direkter Dampferzeugung Kurze Wege des Wärmeträgermediums Geschlossenes System Preiswertes und sicheres Wärmeträgermedium Hoher Turbinen-Wirkungsgrad Hohe Speicherkapazität durch Phasenwechsel Kein Risiko durch Salzaushärtung bei Stillstand 41

42 Der Solarkessel könnte bei einem konventionellen Kraftwerk erprobt werden* Kleiner Prototyp für Solarkessel Prototyp Solarkessel Geringe Kosten Schnelle Realisierung Brennstoffeinsparung fossil gefeuerter Kessel Dampfturbine Kondensator Überhitzter Dampf Speisewasser Tagbetrieb Tag- und Nachtbetrieb Quelle: Ulrich Hueck Large-scale solar power 2010 Deutschland * Die Erprobung bei einer fossilen Meerwasserentsalzunganlage wäre ggf. ebenfalls möglich. 42

43 Das Vorgehen beeinflusst den Erfolg einer Innovation Traditioneller Wasserfall Prozess Vorbereitung Analyse Design Umsetzung Erprobung Abschluss Agiler Prozess Sehr großer Prototyp GROWIAN 3 MW * Thanet UK 100 x 3 MW Vorbereitung Entwicklung Abschluss Frühe, kleine Prototypen Grafik: Sabine Canditt Siemens AG Corporate Technology CT T DE TC

45 Bei großen Entfernungen ist HGÜ für den Stromtransport geeignet Hochspannungs-Gleichstromübertragung ca. 3% Verlust auf km ca % Verlust von Nordafrika bis Mitteleuropa Effizienter als Wasserstoff mit Erzeugung, Transport und Nutzung Anzahl Stromleitungen für MW 400 kv AC 800 kv AC 500 kv HGÜ Grafik: ABB 800 kv HGÜ 45

46 Viele HGÜ-Leitungen sind bereits vorhanden HGÜ in Europa vorhanden in Bau erwogen Quelle: HGÜ = Hochspannungs-Gleichstromübertragung Spanien-Marokko: 400 kv AC ausgelegt für 450 kv DC 46

47 Die größte HGÜ-Leitung befindet sich in China Yunnan-Guangdong ±800 kv HGÜ (Weltrekord) Länge: km Übertragungsleistung: MW Stromerzeugung in 2 Wasserkraftwerken Baubeginn: Pol: Inbetriebn. Dez Pol: Inbetriebn. 2010/11 Stromrichter- Transformator aus Nürnberg Quelle: Siemens HGÜ = Hochspannungs-Gleichstromübertragung 47

49 Das DESERTEC Konzept fasst CSP mit anderen regenerativen Energien und HGÜ zusammen DESERTEC für EU-MENA EU-MENA = Europe - Middle East & North Africa CSP = Concentrated Solar Power HGÜ = Hochspannungs-Gleichstromübertragung Die Symbole für regenerative Stromerzeugung und HGÜ-Stromleitungen zeigen nur eine Skizze für typische Anordnungen. Quellen: Clean Power from Deserts White Book 4th Edition DESERTEC Foundation February

51 Die industrielle Umsetzung des DESERTEC Konzepts ist vorgesehen Industrieinitiative Dii GmbH Gründung am 30. Oktober 2009 Sitz der Gesellschaft: München Gründer: ABB Abengoa Cevital DESERTEC Foundation Deutsche Bank E.ON Flagsol HSH Nordbank Munich-Re M+W Zander RWE Schott Solar Siemens Weitere Gesellschafter: Acwa Power (Saudi Arabien) Enel Green Power (Italien) NAREVA (Marokko) Red Eléctrica (Spanien) Saint-Gobain Solar (Frankreich) Terna (Italien) Terna Energy (Griechenland) UniCredit (Italien) Strategischer Berater: Prof. Klaus Töpfer 51 Stand: Dezember

52 Gemeinnützige Stiftung Gewinnung der Öffentlichkeit für DESERTEC Politiker weltweit überzeugen, die notwendigen Rahmenbedingungen für DESERTEC zu schaffen Partner mobilisieren und Allianzen knüpfen Kooperation mit der Industrieinitiative Dii GmbH Referenzprojekte anregen und begleiten Anregung, Finanzierung und Entwicklung von Studien* und Prototyp-Lösungen sowie deren Publikation * Auftrag für drei Studien vom Deutschen Bundesministerium für Umwelt und Reaktorsicherheit (BMU) an ein Konsortium von TREC Mitgliedern unter der Leitung des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR): MED-CSP on energy potentials in the Middle East & North Africa (MENA) TRANS-CSP on an intercontinental transfer of solar energy (in EU-MENA) AQUA-CSP on solar powered seawater desalination Ferdinandstr Hamburg +49 (0)

53 DESERTEC-Atlas Inhalt Vorwort Einleitung DESERTEC-Konzept Klima Energie Wasser Soziale Implikationen Sicherheit, Frieden und Gerechtigkeit Ökonomie DESERTEC-Realisierung CEP Europäische Verlagsanstalt 160 Seiten ISBN: ,90 versandkostenfrei 53

54 Wissensplattform für die interessierte Öffentlichkeit DESERTEC Knowledge Platform Derzeit in Vorbereitung Interaktive Nutzung im Internet geplant Alle für DESERTEC relevanten Themen Die Stiftung sucht Autoren als aktive Mithelfer Ferdinandstr Hamburg +49 (0) Photo: Schott AG 54

55 Visionen können Wirklichkeit werden, wenn Sie tatkräftige Unterstützung finden Innovationsprozess für DESERTEC Inspiration für die Entwicklung einer Lösung Visionäre & Ideengeber Lösungsvorschlag Unterstützung Problem Problem Lösung Inspiration für die Entwicklung von DESERTEC Energieversorgung & Klimaschutz Vision für andere Energieversorgung Studien zu DESERTEC Vorreiter für Unterstützung Tatkräftige Problemlösung 55