Solarvision DESERTEC: Fata Morgana oder Baustein der Zukunft? Dr.-Ing. Ulrich Hueck Co-Founder

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1 Solarvision DESERTEC: Fata Morgana oder Baustein der Zukunft? Dr.-Ing. Ulrich Hueck Co-Founder 7. Dezember 2013

2 Inhalt Vortrag DESERTEC Energieverbrauch und Klimawandel Nutzung der Sonnenenergie Das DESERTEC Konzept Solarthermische Kraftwerke Solarkessel als Innovation Solare und fossile Dampferzeugung Innovationsstrategie in kleinen Schritten 2

3 Inhalt Vortrag DESERTEC Energieverbrauch und Klimawandel Nutzung der Sonnenenergie Das DESERTEC Konzept Solarthermische Kraftwerke Solarkessel als Innovation Solare und fossile Dampferzeugung Innovationsstrategie in kleinen Schritten 3

4 Der Energieverbrauch steigt Weltweiter Energieverbrauch Quelle: BP Statistical Review of World Energy Juni Millionen Tonnen Rohöleinheiten 4

5 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) 5

6 Wetterbedingte Schäden nehmen zu Naturkatastrophen weltweit Meteorologische Ereignisse (Sturm) Hydrologische Ereignisse (Überschwemmung, Massenbewegung) Trend Linien 300 Anzahl Geophysikalische Ereignisse (Erdbeben, Tsunamis, Vulkanausbrüche) Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft Geo Risiko Research NatCatSERVICE Stand Jan

7 Inhalt Vortrag DESERTEC Energieverbrauch und Klimawandel Nutzung der Sonnenenergie Das DESERTEC Konzept Solarthermische Kraftwerke Solarkessel als Innovation Solare und fossile Dampferzeugung Innovationsstrategie in kleinen Schritten 7

8 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 Windenergie 5-50 GWh/km 2 y TWh/y (ohne off-shore) Solarenergie GWh/km 2 y TWh/y 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

9 Inhalt Vortrag DESERTEC Energieverbrauch und Klimawandel Nutzung der Sonnenenergie Das DESERTEC Konzept Solarthermische Kraftwerke Solarkessel als Innovation Solare und fossile Dampferzeugung Innovationsstrategie in kleinen Schritten 9

10 Energie der Sonne Grundgedanke für DESERTEC Die Wüsten der Erde empfangen in 6 Stunden mehr Energie von der Sonne, als die Menschheit in einem ganzen Jahr verbraucht. Dr. Gerhard Knies Dr. Gerhard Knies DESERTEC Foundation Mitglied der Deutschen Gesellschaft CLUB OF ROME 10

11 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

12 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 12

13 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 13

14 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 14

15 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

16 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) AVANCIS (Deutschland) Enel Green Power (Italien) First Solar (USA) NAREVA (Marokko) Red Eléctrica (Spanien) Terna (Italien) Terna Energy (Griechenland) UniCredit (Italien) 16 Stand: Dezember

17 Das DESERTEC-Vorhaben durchläuft die typischen Phasen sehr groß aufgesetzter Projekte Die Phasen der Planung großer Projekte Begeisterung Süddeutsche Zeitung Süddeutsche Zeitung Frankfurter Allg. Sonntagszeitung Verwirrung business-on Der Tagesspiegel Frankfurter Allgemeine Zeitung Ernüchterung photovoltaik-magazin Financial Times Deutschland tagesschau.de Suche der Schuldigen Bestrafung von Unschuldigen Auszeichnung von Unbeteiligten steht noch aus... Hamburger Abendblatt Der Tagesspiegel

18 Mit einem Referenzprojekt sollte sogleich das gesamte Konzept verwirklicht werden Die Referenzprojekt-Kette Grafik: Dii GmbH aus Vortrag Das Desertec Projekt Stand und Ausblick Prof. Dr. Peter Höppe Munich Re VDE Arbeitskreis Energietechnik München Schlagzeile: Die Welt

19 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

20 Inhalt Vortrag DESERTEC Energieverbrauch und Klimawandel Nutzung der Sonnenenergie Das DESERTEC Konzept Solarthermische Kraftwerke Solarkessel als Innovation Solare und fossile Dampferzeugung Innovationsstrategie in kleinen Schritten 20

21 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 21

22 Immer mehr CSP-Kraftwerke sind in Betrieb oder in Bau CSP-Kraftwerke weltweit Stand 30. Mai 2013 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: und Positionspapier Deutsche CSP Nov 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 22

23 CSP-Kraftwerke sollen wirtschaftlicher werden als fossile Anlagen Vergleich der Wirtschaftlichkeit Derzeit nur geringe Wirtschaftlichkeit Profitability of coal, gas and CSP projects over time Assumptions: - 15% learning rate for CSP - Subsidies not included - Additional costs for transmission not included - Fossil charge is $15 per ton CO 2 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. 15, page

24 Die Kostensenkung hat sehr hohe Priorität Ansporn für DESERTEC DESERTEC is a pioneering initiative. ( ) Action is necessary to achieve competitive prices for renewables. ( ) Tomorrow s energy challenges cannot be met with today s technologies and conventional ways of thinking. Günther Oettinger Quelle: Günther Oettinger EU Commissioner for Energy Energy in the EU from Northern Africa: A realistic option? Speech at Desertec Industrial Initiative Conference Barcelona 26. Okt

25 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 tubeand und 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 25

26 Das Optimum einer Technologie ist einfach Grundregel der Technikentwicklung Die Technik entwickelt sich vom Primitiven über das Komplizierte zum Einfachen. Antoine de Saint-Exupéry

27 Die erste solare Dampferzeugung wurde mit Parabolrinnenspiegeln gebaut El-Maadi Ägypten 1913 There are striking similarities between solar energy and aviation technology. Big achievements are made every month in aviation. Solar technology will be the same success story. Frank Shuman 1914 Quellen: The installation Sun of 1913 Christina Hemauer and Roman Keller The Art Biennal Cairo 2009 Scientific American 27

28 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

29 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

30 Solarkraftwerke sollen Strom möglichst Tag und Nacht liefern CSP-Kraftwerk mit Speichersystem Drei getrennte Kreisläufe mit Wärmetauschern 8 h Betrieb ohne Sonnenlicht Quelle: Solar Millennium Die Parabolrinnen-Kraftwerke Andasol 1 bis 3 Erlangen

31 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

32 Die Speicherung solarer Wärme wurde großtechnisch realisiert Wärmespeicher mit geschmolzenem Salz t Salz MWh ca. 7,5h Grundlast Andasol 1 Andalusien Spanien 50 MW 2008 Nitratsalzmischung (Natriumnitrat Kaliumnitrat) 60% NaNO 3 40% KNO 3 Schmelzpunkt: 223 C Kalter Tank: 292 C Heißer Tank: 386 C Das Salz muss flüssig bleiben Quellen: Solar Millennium CSP Technology Overview Rainer Aringhoff Central Solar Power Forum Phoenix 10 Jan Solar Millennium Solar Thermal Power Plants Dr. Henner Gladen CUEN 3rd Annual Conference 22 June

33 Direkte Dampferzeugung Linear Fresnel Sattdampf Ein Kreislauf Automatische Trockenreinigung der flachen Spiegel Druckbehälter als Wärmespeicher Puerto Errado 2 Murcia Spanien 30 MW 2012 Spiegelfläche: m² Wasser-Dampf: 270 C, 55 bar Quelle: Novatec Solar 33 Ebene Fläche erforderlich

34 Wärmetransport mit Luft Deutsches Solarturmkraftwerk Hohes ΔT C C offener Receiver Luftkreislauf Kessel Wasser-/ Dampfkreislauf Turbine Überhitzung des Dampfes Offenes System Wärmespeicher Generator Kühlwasserkreislauf Lüfter Spiegel Zwei getrennte Kreisläufe mit Wärmetauschern Quelle: Kraftanlagen München GmbH Speisewasserpumpe Umgebungsluft Jülich Deutschland 1,5 MW m 2 Spiegelfläche Dampf: 485 C, 27 bar 34

35 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 Überhitzung des Dampfes 15 h Betrieb ohne Sonnenlicht Quellen: Zwei getrennte Kreisläufe mit Wärmetauschern

36 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 36 Ein Kreislauf Druckbehälter als Wärmespeicher

37 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 15 m 2 Fläche: m 2 noch ohne Speicherung Quellen: BrightSource Energy, Inc

38 Ein Hersteller behauptet einen Kostenvorteil von 30% bis 40% für Solarturmkraftwerke Kostenvorteile von Solarturmkraftwerken Based on BrightSource s own analyses as well as those in independent, externally published sources, the levelized cost of electricity from a tower system will be between 30% to 40% lower than with a trough system. Der Hersteller nennt fünf wesentliche Faktoren: Zweiachsige Nachverfolgung der Sonnenstrahlen Höhere Temperaturen für die Dampferzeugung Reduzierte Bewegung erwärmter Medien Keine Beton-Fundamente, keine Rohre und weniger Kabel im Spiegelfeld Bessere Ausnutzung der Sonnenstrahlung morgens und abends Quelle: BrightSource Energy, Inc. Oakland CA USA

39 Inhalt Vortrag DESERTEC Energieverbrauch und Klimawandel Nutzung der Sonnenenergie Das DESERTEC Konzept Solarthermische Kraftwerke Solarkessel als Innovation Solare und fossile Dampferzeugung Innovationsstrategie in kleinen Schritten 39

40 Was ist der beste Weg? Sonnenstrahlung für die Stromerzeugung 40

41 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. 41

42 Flache* oder gekrümmte Spiegel? Spiegel für solarthermische Kraftwerke Einfache Herstellung Aufwendigere Herstellung * Flache Spiegel für Solarturmkraftwerke besitzen eine geringfügige Krümmung, um die Sonnenstrahlung zu fokussieren. 42

43 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 43

44 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 44 Lineare Konzentration Rohr Aufwand für Transport des Mediums und für Vakuum-Isolierung mit Glas

45 Solare Absorber sollen Wärmeverluste an die Umgebung minimieren Nutzung der solaren Abwärme Wärmeverlust an die Umgebung Begrenzung des Wärmeverlusts Nutzung der Abwärme Absorber Sonnenstrahlung Abwärme 45

46 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 46

47 Hohe Temperaturen für die Wärmezufuhr sind vorteilhaft für den Wirkungsgrad von Kraftwerken Carnot-Wirkungsgrad T H limitiert durch Wärmeträgermedium* Der Betrieb bei möglichst hohen Temperaturen sollte zulässig sein η =η max Carnot = 1 - T T C H T H Dampfturbine T H ist die absolute Temperatur für die Wärmezufuhr (Hot) T C ist die absolute Temperatur für die Wärmeabfuhr (Cold) * Das übliche Wärmeträgermedium Therminol VP-1 für Receiver von Parabolrinnenspiegeln kann nur bis 400 C eingesetzt werden T C 47

48 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 Juni 2013: Erprobung bei CISRO in Australien 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 48

49 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 Zwischenüberhitzung zur Vereinfachung nicht gezeigt Quelle: Ulrich Hueck DESERTEC Foundation An Innovative Concept for Large-Scale Concentrating Solar Thermal Power Plants in Stolten / Scherer: Transition to Renewable Energy Systems pp Wiley-VCH Weinheim

50 Der Wärmespeicher passt zur Physik der Kondensation und Erzeugung von Dampf Salz als Phasenwechselspeicher T Aufladung durch Abkühlung und Kondensation des Dampfes Entladung zur Dampferzeugung Heiß Phasenwechsel Kühl zum Solarkessel Q Verdampfung mit Trommel zur Phasentrennung Abkühlung Kondensat Sattdampf Phasenwechselspeicher (PCM) gefüllt mit Salz (NaNO 3 ) vom Solarkessel Abkühlung Frischdampf Jedes Modul ist zugleich ein Wärmetauscher Die Erstarrung des Salzes wird genutzt 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 50

51 Der Phasenwechsel-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 51

52 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. 52

53 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 53

54 Inhalt Vortrag DESERTEC Energieverbrauch und Klimawandel Nutzung der Sonnenenergie Das DESERTEC Konzept Solarthermische Kraftwerke Solarkessel als Innovation Solare und fossile Dampferzeugung Innovationsstrategie in kleinen Schritten 54

55 In MENA gibt es erst wenige CSP-Kraftwerke CSP-Kraftwerke in MENA Land Kraftwerk Anlagentyp Bauform Solarfeld Solar Gesamt Status Israel SEDC / Rotem CSP Solar Tower 2 MW 2 MW in Betrieb Ägypten Kuraymat ISCC Parabolrinnenspiegel 20 MW 150 MW in Betrieb Algerien Hassi R'Mel ISCC Parabolrinnenspiegel 25 MW 150 MW in Betrieb Iran Yazd ISCC Parabolrinnenspiegel 17 MW 478 MW in Betrieb Marokko Ain Beni Mathar ISCC Parabolrinnenspiegel 20 MW 472 MW in Betrieb VAE Shams CSP+Gas Parabolrinnenspiegel 65 MW 100 MW in Betrieb Israel Ashalim CSP+PV+Gas Solarturmkraftwerk 121 MW 250 MW in Bau Marokko Ouarzazate CSP Parabolrinnenspiegel 160 MW 160 MW in Bau Algerien Boughezoul CSP+Gas Solarturmkraftwerk 7 MW 7 MW vereinbart 17 MW 20 MW 7 MW 20 MW 160 MW 25 MW 2 MW 121 MW CSP = Concentrated Solar Power MENA = Middle East & North Africa ISCC = Integrated solar combined cycle PV = Photovoltaik Stand 30. Mai 2013 Quellen: und MW

56 In MENA und Südeuropa gibt es sehr viele fossil gefeuerter Kraftwerke Landkarte für Öl- und Gaskraftwerke G = mit Gas gefeuertes Kraftwerk, O = mit Öl gefeuertes Kraftwerk Stand: Juni Kartenausschnitt für Breitengrade 30±9 und Längengrade 21±39 56

57 Solare und fossile Dampferzeugung lassen sich verbinden Hybrid-Kraftwerk Kuraymat Ägypten 20 MW solar 150 MW gesamt 2010 Spiegelfläche: m² ISCC = Integrated Solar Combined Cycle Photos: DESERTEC Foundation 57

58 Inhalt Vortrag DESERTEC Energieverbrauch und Klimawandel Nutzung der Sonnenenergie Das DESERTEC Konzept Solarthermische Kraftwerke Solarkessel als Innovation Solare und fossile Dampferzeugung Innovationsstrategie in kleinen Schritten 58

59 Der Solarkessel könnte bei einem konventionellen Kraftwerk erprobt werden* Kleiner Prototyp für Solarkessel Prototyp Solarkessel Geringe Kosten Schnelle Realisierung Brennstoffeinsparung fossil gefeuerter Kessel Kondensator Überhitzter Dampf Speisewasser Tagbetrieb Tag- und Nachtbetrieb Dampfturbine * Die Erprobung bei einer fossilen Meerwasserentsalzunganlage wäre ggf. ebenfalls möglich. Quelle: Ulrich Hueck DESERTEC Foundation An Innovative Concept for Large-Scale Concentrating Solar Thermal Power Plants in Stolten / Scherer: Transition to Renewable Energy Systems pp Wiley-VCH Weinheim

60 Der Zeitraum für den Bau mehrerer Prototypen lässt sich verkürzen Entwicklung von Prototypen 1. Prototyp 2. Prototyp 3. Prototyp Vorbereitung Planung Umsetzung Erprobung Konsekutive Entwicklung 1. Prototyp Erfahrungen berücksichtigen 2. Prototyp Parallele Entwicklung Schnellere Umsetzung 3. Prototyp 60

61 Die Erprobung in kleinen Schritten an fossilen Anlagen hat viele Vorteile Strategische Aspekte Kosten Risiken Zeit Nutzen * Testergebnisse mit mehrstufigen Receivern könnten z.b. auf ähnliche Receiver mit flüssigem Salz als Wärmeträgermedium übertragen werden. CSP = Concentrated Solar Power Niedrige Kosten für solaren Kraftwerks-Anbau Finanzierung mit Forschungsgeldern denkbar Streuung von Risiken über mehrere Prototypen Geringes Risiko durch schrittweise Entwicklung Leichtere Handhabung unerwarteter Mehrkosten Kurze Zeit für Initiierung des ersten Prototyps Schnelle Berücksichtigung von Verbesserungen Flexibilität bezüglich Änderungen der Technik* Schnelle technische Reife für reinen Solarbetrieb Entwicklung einer wettbewerbsfähigen und robusten, industriellen CSP Technologie Brennstoffeinsparung bei fossilen Anlagen Enge Kooperation mit arabischen Partnern Praktische Einbindung aller relevanten Akteure 61

62 Ein Basis-Konzept für den Solarkessel wurde 2009 veröffentlicht Veröffentlichung Solarkessel Javier Muñoz, Alberto Abánades and José M. Martínez-Val Universidad Politécnica de Madrid A conceptual design of solar boiler Solar Energy 83 (2009) pp

63 Das Konzept für den Solarkessel wird systematisch hergeleitet und erläutert Veröffentlichung Solarkessel Ulrich Hueck DESERTEC Foundation An Innovative Concept for Large-Scale Concentrating Solar Thermal Power Plants in Stolten / Scherer: Transition to Renewable Energy Systems pp Wiley-VCH Weinheim

64 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 64