Solare Kraft-Wärme-Kopplung mit Prozessdampferzeugung

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1 Solare Kraft-Wärme-Kopplung mit Prozessdampferzeugung Daniel Willert Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme ISE Abteilung: Solarthermie und Optik Solartagung Birkenfeld,

2 Agenda Solare KWK Märkte und Potentiale Solarthermische Kraftwerke Solare Konzentratorsysteme Potentielle Wärmekraftmaschinen < 1 MW Thermische Kältemaschinen Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen Solar-Polygeneration-Labor Fraunhofer ISE Zusammenfassung

3 Solare KWK Solarthermische Stromerzeugung mit Auskopplung von Wärme Verfahren: konventioneller Dampfkraftprozess Wärmequelle: Konzentrierende Kollektoren Stromerzeugung: diverse Dampfmotoren < 1 MW < Dampfturbinen Auskopplung von Wärme für zivile und industrielle Prozesse Source: RWE Innogy, DLR, Siemens Energy, Voith

4 Märkte und Potentiale Source: Uni Kassel/Schmitt

5 Märkte und Potentiale Industry Sector Process Temperature level [C] Food and Drinks Textile Chemistry All Sectors Drying Washing Pasteurising Cooking Sterilising Heat Treatment Washing Bleaching Dying Cooking Destilling various chem. Processes Feedwater pre-heating Space Heating Source: AEE Intec

6 Märkte und Potentiale Potential für dezentrale solare Stromerzeugung im kleinen und mittleren Leistungsbereich Bestellte Dieselgeneratoren für Dauerbetrieb (weltweit): Stromkosten bei 0,8 /Liter Diesel liegen bei 0,3 /kwh 5,01 to 10 MW 3% > 10 MW 1% 1,0 to 5,0 MW 43% 0,5 to 1,0 MW 53% 96 % (9500 Motoren/Jahr) unter 5 MW Source: Diesel & Gasturbine Worldwide 10/2008

7 Kollektorfeld Kühlung Solarthermische Kraftwerke Prinzipieller Aufbau eines solarthermischen Kraftwerks Sekundärkreis mit Thermalöl als Wärmeübertragermedium Tmax=400 C Speicher Dampf Verdampfer Wärme- Kraftmaschine G Generator Thermalöl Wasser Kondensator Pumpe Luft/Wasser

8 Solarthermische Kraftwerke Parabolrinnenkraftwerk in Nevada/USA, 354 MWel Source: Schott

9 Kollektorfeld Kühlung Solarthermische Kraftwerke Prinzipieller Aufbau eines solarthermischen Kraftwerks Direktverdampfung im Absorberrohr Tmax=500 C Dampftrommel Dampfspeicher WKM G Generator Source: Novatec Solar Kondensator Luft/Wasser Pumpe

10 Solarthermische Kraftwerke Direktverdampfendes Linear-Fresnel Kraftwerk PE1 in Spanien, 1,4 MWel

11 Solare Konzentratorsysteme Punktfokussierende Kollektoren Paraboloid / Dish-Stirling Anlage Leistung 5-50 kwel Temperatur: C Betrieb eines Heißluftmotors Bereitstellung von Prozesswärme 2-Achsige Nachführung + Temperatur + kleine, netzferne Systeme Positioniergenauigkeit Source:Sandia

12 Solare Konzentratorsysteme Punktfokussierende Kollektoren Turmkraftwerk Leistung 1-20 MWel Temperatur: bis 1200 C Betrieb einer Dampf-/Gasturbine 2-achsige Nachführung der Heliostaten + Wirkungsgrad Handhabbarkeit der Temperaturen Aufwendige Nachführung Source:Sandia

13 Solare Konzentratorsysteme Linienfokussierende Kollektoren Parabolrinnen Kollektor Leistung 0,1-500 MWel Temperatur: C Betrieb einer Turbine Erzeugung von Prozessdampf 1-achsige Nachführung Source: Solar Millennium + Technik seit 1984 zuverlässig im Einsatz + Erprobte Langzeitspeicher für Thermalöl Kosten der Spiegel

14 Solare Konzentratorsysteme Linienfokussierende Kollektoren Linear-Fresnel Kollektor Leistung 0,1-30 MWel Temperatur: C Betrieb einer Dampfturbine/-motor Erzeugung von Prozessdampf 1-achsige Nachführung der Spiegel + Direktverdampfung spart Sekundärkreis + Ebene Spiegel Fehlender thermischer Langzeitspeicher Source: Industrial Solar, Novatec Solar

15 Potentielle Wärmekraftmaschinen < 1MW Hubkolbendampfmaschine Schraubenexpansionsmaschine + Hoher Wirkungsgrad in Teillast + Kompakte Bauweise Kosten für moderne Maschinen(>1000 /kw) Verfügbarkeit Problem der Ölschmierung Source: Voith Herausforderungen: Günstige Serienproduktion Ölfreier Lauf

16 Thermische Kältemaschinen Perfektes Lastprofil für solar erzeugte Wärme Technik: Sorptionskältemaschinen Beispiel: Absorptionskältemaschine Kondensator Austreiber Verdampfer Absorber

17 Kollektorfeld Kühlung Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen Möglichkeiten der Auskopplung im Heizkreis Speicher Verdampfer Dampf Wärme- Kraftmaschine G Generator Wasser Kondensator Pumpe Luft/ Wasser Prozessdampf Entnahme von Niedertemperatur-Prozessdampf

18 Kollektorfeld Kühlung Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen Möglichkeiten der Auskopplung im Kühlkreis Speicher Dampf Verdampfer WKM G Generator Kältemaschine T= C Wasser Kondensator Pumpe Luft/ Wasser Prozessdampf Nutzung der Kondensationswärme

19 Kollektorfeld Kühlung Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen Möglichkeiten der Auskopplung im Arbeitskreis Speicher Dampf WKM Generator HT Prozessdampf HD ND G T= C Wasser Pumpe Luft/Wasser NT Prozessdampf el. Wirkungsgrad/Turbinenleistung sinkt Auskopplung von Hochtemperatur Prozessdampf

20 Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen Studie am Fraunhofer ISE (Medifres) zeigt Wirtschaftlichkeit solarer KWK Solare Erzeugung von Elektrizität, Wärme, Kälte und Trinkwasser möglich Optimale Verschaltung beeinflusst von: Budget Standort der Anlage Dimensionierung der Anlage Kosten und Verfügbarkeit der Komponenten Bedarf an Elektrizität und Wärme Förderungen (feedin tarif) Individuelle Simulationen zu Wirkungsgrad und Stromgestehungskosten

21 Solar-Polygeneration-Labor Fraunhofer ISE Tests mit: Kollektor-Simulator 250 kw thermisch Thermoöl bis 350 C Dampf bis 300 C, 30 bar Dynamische Tests von: Expansionsmaschinen Thermischen Speichern Kältemaschinen Meerwasserentsalzungs- einheiten Untersuchung verschiedener Komponenten hinsichtlich solarthermischer Eignung Ausarbeitung verschiedener Regelregime zur Automatisierung

22

23 Zusammenfassung Großer Markt für solar erzeugte Elektrizität und Wärme Dezentrale Lösungen unter gewissen Randbedingungen attraktiv Hoher Entwicklungsstand bei konzentrierenden Kollektoren Solarthermische KWK wirtschaftlich interessant Nur wenige Hersteller für Expansionsmaschinen < 1MW Teststand am Fraunhofer ISE kann Komponenten für dynamisches Kollektorverhalten qualifizieren

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Daniel Willert

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