Projektdarstellung Medium and Small Scale Concentrated Solar Thermal Power - MEDIFRES

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1 Projektdarstellung Medium and Small Scale Concentrated Solar Thermal Power - MEDIFRES Werner Platzer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE MEDIFRES Workshop Berlin,

2 Inhalt CSP am Fraunhofer ISE Motivation Zielsetzungen des Projektes Inhalte der Arbeitspakete Ausblick Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

3 Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Institutsleiter: Prof. Eicke R. Weber Mitarbeiter: 750 Budget: 42,7 Mio EUR (inkl. Investitionen 2007 vorläufig) Gegründet: 1981 Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

4 Forschungs- und Dienstleistungsangebot Fraunhofer ISE Forschung Materialien Modellierung Methoden Entwicklung Komponenten Produkte, Prototypen Systeme, Verfahren Dienstleistung Beratung, Tests Monitoring Qualitätskontrolle Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

5 Solarthermische Kraftwerke Projektübersicht MEDIFRES Solarturm (Kalifornien 10 MW e ) Dish-Stirling-Anlagen (Almería à 10 kw e ) Parabolrinnen (Kalifornien MW e ) Fresnel-Kollektor (Belgien, Prototyp) Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

6 F&E-Aktivitäten am Fraunhofer ISE Materialforschung und Komponentenentwicklung Receiverrohr Spiegel Spiegelfeld Experimentelle Qualifizierung Thermische Verluste, Wirkungsgrad Optische Qualität und Konzentration Degradation und Gebrauchsdauerprüfung Systemtechnik Techno-ökonomische Optimierung Kollektorfeld und Receivergeometrie Kraftwerkssimulation Solare Kühlung und Prozesswärme Systemintegration und Feasibilitystudien Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

7 Solarthermische Demonstrationsanlage, Almería Spanien Fresnel-Konzept Optimierung Fresnel-Design Absorberrohr und Sekundärspiegel Optische Qualitätssicherung Vermessung und Analyse Partner: MAN Ferrostaal, Solar Power Group, DLR, PSE Am ISE entwickeltes Absorberrohr mit selektiven Absorberschichten Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

8 Inhalt CSP am Fraunhofer ISE Motivation Zielsetzungen des Projektes Inhalte der Arbeitspakete Ausblick Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

9 Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

10 Motivation Solarthermische Großkraftwerke (> 20 MW el ) sind marktreif mit Stromgestehungskosten (LEC) im Bereich 0,15 0,20 /kwh (2006) und einer prognostizierten Senkung um 50% bis 2015 Großkraftwerke erfordern eine erheblichen Planungs- und Finanzierungsaufwand Zunehmende Erfahrung und Entwicklung bei alternativen Wärmekraftprozessen und maschinen (ORC-Turbinen, Dampfmotor, Dampfschraube, etc.) in niedrigerem Leistungsbereich Photovoltaik, Wind und Biomasse lässt sich in kleineren Projekten z.b. in Beteiligungsgesellschaften sehr gut vermarkten Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

11 Potenzielle Nachteile kleinerer Anlagenkonzepte Nachteile kleinerer solarthermischer Kraftwerksanlagen: geringere Wirkungsgrade (Temperaturniveau, Prozessführung) geeignete Wärmekraftmaschinen -> je nach Verfügbarkeit höhere spezifische Planungskosten höhere spezifische Anlagenkosten Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

12 Potenzielle Vorteile kleinerer Anlagenkonzepte Vorteile kleinerer solarthermischer Kraftwerksanlagen: Speicherung der Energie -> Speichergröße, Temperaturbereich Kopplung mit Wärme-/Kälteverbraucher entsprechender Größenordnung möglich Inselsysteme werden sinnvoll Serienfertigung von Komponenten -> Preisdegression Betriebsführung Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

13 Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

14 Inhalt CSP am Fraunhofer ISE Motivation Zielsetzungen des Projektes Inhalte der Arbeitspakete Ausblick Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

15 Ziele der Studie MEDIFRES Projektübersicht MEDIFRES Marktuntersuchung Hochtemperaturkollektoren und Wärmekraftmaschinen Identifizierung von technisch und wirtschaftlich sinnvollen solarthermischen Kraftwerkskonzepten im Leistungsbereich 10 kw el 10 MW el Möglichkeiten der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und der Kraft- Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) untersuchen Plattform zur Vernetzung aller Akteure auf diesem Gebiet Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

16 Lösungsansätze Entwicklung von standardisierten Anlagekonzepten Identifikation von Kostensenkungspotenzialen (z.b. durch Serienfertigung) Bessere Auslastung / Dimensionierung der Solarfelder durch KWK und KWKK Identifikation von Wirkungsgradverbesserungen durch solar angepasste Kreislaufprozesse, Komponenten und Regelung Reduktion O&M-Kosten Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

17 Inhalt CSP am Fraunhofer ISE Motivation Zielsetzungen des Projektes Inhalte der Arbeitspakete Ausblick Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

18 AP 1 Marktübersicht Kollektoren Basis: Hochtemperaturkollektoren Task 33 Erweiterung Inland und Ausland Hersteller, potenzielle neue Technologieoptionen und Hersteller, Marktverfügbarkeit Arbeitstemperaturen, Hochtemperaturtauglichkeit (Material, Wärmeverluste) Leistungsdaten, Erfahrungen mit Langzeitbetrieb Kosten Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

19 Qualitative Beschreibung und Leistungsdaten Mitarbeit Matthias Rommel IEA Task 33 Ergänzende Informationen zu weiteren Kollektoren Leistungsdaten lückenhaft Preisangaben fehlen Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

20 Generische Kollektormodelle für Studie Rinne 1: großer Parabolrinnenkollektor mit Glasspiegeln, Glashüllrohr mit Vakuum Rinne 2: kleiner Parabolrinnenkollektor mit Aluminiumreflektor, Glashüllrohr ohne Vakuum Fresnel: Kraftwerkskollektor mit Sekundärkonzentrator Tube: Vakuumröhrenkollektor mit CPC-Reflektor Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

21 Kennlinien der Kollektormodelle 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Rinne 1 Fresnel Rinne 2 Tube 0,3 0,2 0, Delta_T Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

22 AP 2 Marktübersicht Wärmekraftmaschinen Recherche technisch-wirtschaftliche Daten Hersteller, Nennleistung, Arbeitstemperaturen, Volllast- und Teillastwirkungsgrade, Erfahrungen mit Langzeitbetrieb (Wartung, Verschleiß,..), Kosten für Investition und Wartung Vergleichende Betrachtung der Maschinen im Hinblick auf die Anwendung Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

23 Teillastverhalten der WKM Modelle 0,25 0,2 Dampfturbine ORC-Turbine Dampfschraubenmotor Beispiel: E le k t ris che r W ir k ungs gra d 0,15 0,1 0,05 Dampfkolbenmotor Leistung: T_Koll.: 1 MWel 300 C 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 P /P _N e nn Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

24 Kostenkurven der WKM im Vergleich spezifische Investitionskosten [ /kw] Schraubenmotor Dampfturbine ORC-Turbine Kolbenmotor 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 Leistung [MW] Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

25 Kostenkurve für ORC-Turbinenanlagen 4000 spezifische Investitionskosten [ /kw] Regression Richtpreise Leistung [kw] Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

26 AP 3 Einbindung neuer Komponenten in Simulation Basis STEC-Bibliothek TRNSYS Abbildung Teillastverhalten Integration der thermodynamischen Kreislaufsimulation Grundtypen ORC, Dampfturbine, Dampfschraube, Stirling, etc. Erweiterung Kollektormodell Implementierung verschiedener Kollektortypen Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

27 Organic Rankine Prozess (ORC) Dampf Kollektorfeld Thermoöl Verdampfer Vorwärmer Turbine G Pumpe Rekuperator Speisewasserbehälter Kondensator Pumpe Kondensat Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

28 Ausgangssituation Berechnungsmodell und Stoffwertbibliothek FLUIDPROP Thermische Ertragssimulation von Kollektoren in TRNSYS auf Basis von Stundenwerten Module zur Berechnung eines Wasser- Dampf-Prozesses in Großkraftwerk vorhanden (STEC-Bibliothek) Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

29 Kraftwerkssimulation in TRNSYS Modularer Aufbau ermöglicht Variation der Verschaltung Kombination von Kollektor und kleinem Kraftwerk Berechnung von Prozessen mit organischen Medien automatisierte Parametervariation mit Excel Einbindung von Wirkungsgradkurven möglich Starten mit neuen Parametern Anfrage Stoffwerte Excel TRNSYS FluidProp Schreiben der Ergebnisse Ausgabe Stoffwerte Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

30 Validierung 20% el. Nettowirkungsgrad (Vollast) 19% 18% 17% 16% 15% 14% 13% 12% Frischdampftemperatur [ C] p FD = 10 bar ThermoFlex TRNSYS Cycle Tempo Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

31 Beispiel: Optimierung Aperturfläche Turbine 1MW th 115 Ohne Speicher Ertrag [kwh/(a m²)] therm. genutzt el. netto Ertrag Ertrag [kwh/(a m²)] Spiegelfläche [m²] Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

32 Einfluss der Speicherung 3.00E E el. Bruttoleistung [W] 2.00E E E Außentemperatur [ C] mit Speicher ohne Speicher T_amb 5.00E E Zeit [h] Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

33 Einfluss Speicherung Projektübersicht MEDIFRES el. netto Jahresertrag [kw/m² a] Speicher ohne Speicher Kollektorfläche [m²] Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

34 Zusammenfassung Möglichkeiten zur Simulation von kleinen solartherm. Kraftwerken geschaffen Durch Vergleich mit Kreislaufrechenprogrammen validiert Durch modularen Aufbau können verschiedenste Konfigurationen untersucht werden Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

35 AP 4 Auswahl geeigneter Kraftwerkskonzepte Anforderungsprofile und verfügbare Leistungsklassen typische Temperatur- und Druckniveaus Abschätzung Wirkungsgrade, Betriebszeiten und Energiebilanzen einfache Abschätzungen des Jahresertrags (keine Simulationen) Reine Stromerzeugungskonzepte KWK-/KWKK-Konzepte Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

36 Problematik der Konzeptbeurteilung Verschiedene Aspekte eines Konzepts: Vielzahl von Komponentenklassen und Typen Anwendung autark / netzgebunden Verschiedene Nutzenergien Verschaltungs- und Regelkonzepte Technische Bewertung Thermodynamische Bewertung Standortbezogene Bewertung Wirtschaftliche Bewertung Ökobilanz Abwägung Einfachheit gegen Aussagekraft Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

37 Vorgehen Konzeptbewertung Untersuchung einer Anwendung mit Strom/Wärme/Kälte Standortklasse (DNI, Außentemperatur, Wasser für Kühlung) Auswahl Kreisprozess/Medium Festlegung Leistungsbereich der Anwendungen Definition von Temperaturniveaus Kennzahlen Schlüsselkomponenten (WKM/Kollektor) Grobfestlegung der Verschaltung Solarkreislauf/Kreislaufprozess Ertragsberechung Solarfeld für verschiedene SM (solar multiple) Thermodynamische Analyse Exergie- und Energieströme Qualitative Bewertung Kosten/technische Reife Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

38 Verschaltungskonzepte Projektübersicht MEDIFRES Bewertung der einfachen Verschaltungen Vorwärmung und Anzahl der Abzapfungen ist nur Frage der Kosten- Nutzen-Relation und muss im Detailfall geklärt werden Zwischenüberhitzung und Anzahl der Stufen in Abhängigkeit vom Mediums ebenso Kosten-Nutzen-Frage Bei Sattdampfprozessen Zwischenüberhitzung unnötig Aufwändigere Verschaltungen erhöhen Wirkungsgrad bei höheren Kosten Optimierung im konkreten Fall Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

39 AP 5 Evaluierung neuer Kraftwerkskonzepte Mittelmeerraum (Südeuropa, Nordafrika) + Mitteleuropa Mögliche Verbraucher für verschiedene Kraftwerksgrößen Entwicklung von Auslegungsbeispielen Abschätzung der Investitionssummen Auswahl von geeigneten Beispielen für die Simulation Simulation von ausgewählten Einsatzgebieten (Verbraucher, Lastprofile), bei Variation von Standorten (Klimata), Versorgungskonzepten und Kraftwerkskomponenten, insbesondere Turbinen und Kollektorversionen politische Förderbedingungen Vergleich mit Alternativen (PV, Wind, solarthermische Großkraftwerke, konventionell, Hybrid) Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

40 Beispiel: Kollektorvergleich WKM: Leistung: Kosten: T_Koll.: Standort: ORC- Turbine 220 kwel 1000 /kw 150 C Murcia Projektübersicht MEDIFRES Leistung [kwel] 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0, Zeit [h] Rinne 1: 1,7 Fresnel: 1,6 Rinne 2: 1,8 Tube: 1,7 Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

41 Kollektorvergleich 0,6 Stromgestehungskosten [ /kw h] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Rinne 1 Fresnel Rinne 2 Tube Vergütung Solarfeldkosten [ /m²] Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

42 Vergleich der WKM Projektübersicht MEDIFRES Stromgestehungskosten [ /kwh] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Schraubenmotor 2100 /kw Dampfkolbenmotor 1000 /kw Schraubenkompressor 700 /kw Dampfturbine 1250 /kw ORC-Turbine 1500 /kw Vergütung 0,2693 /kwh Beispiel: Leistung: Kollektor : T_Koll.: Standort: 700 kwel Rinne C Murcia Solarfeldkosten [ /m²] Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

43 Variation der Größe und des Standortes Beispiel: Stromgestehungskosten [ /kwh] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,2 0, Nennleistung [MW] Hyeres Murcia Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich Faro Luxor Vergütung WKM: Leistung: Kosten: Kollektor: Kosten: T_Koll.: ORC- Turbine 1 MWel 1300 /kw Fresnel 200 /m² 300 C

44 Nasse Rückkühlung 0,35 Beispiel: Stromgestehungskosten [ /kwh] 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0,293 0,262 Trockenkühlung Nasskühlung Vergütung 0,27 WKM: ORC-Turbine Leistung: 1 MWel Kosten: 1300 /kw Kollektor: Fresnel Kosten: 200 /m² T_Koll.: 300 C Standort: Faro Kühlwassertemperatur: 25 C Nennleistung 1 MW Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

45 Thermischer Speicher Stromgestehungskosten [ /kwh] 0,35 0,29 0,3 0,27 0,26 0,25 0,22 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Nennleistung 1 MW Trockenkühlung Trocken + Speicher Nasskühlung Nass + Speicher Vergütung 0,27 Beispiel: WKM: Leistung: Kosten: Kollektor: Kosten: T_Koll.: Standort: T_Kühlwass er: Speicherkosten: ORC- Turbine 1 MWel 1300 /kw Fresnel 200 /m² 300 C Faro 25 C 30 /kwh_th Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

46 Kostenstruktur Beispiel: Speicher 5% Land 1% WKM: Leistung: ORC- Turbine 1 MWel Powerblock 21% Kosten: 1300 /kw Kollektor: Fresnel Kosten: 200 /m² Solarfeld 73% T_Koll.: T_Kühlwass er: Speicherkost en: 300 C 25 C 30 /kwh_th Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

47 Sensitivitätsanalyse Beispiel: Stromgestehungskosten [ /kwh] 0,29 0,27 0,25 0,23 0,21 0,19 0,17 0,15 Solarfeld Kalkulationsz ins Powerblock Speicher WKM: Leistung: Kosten: Kollektor: Kosten: T_Koll.: T_Kühlwasser: ORC-Turbine 1 MWel 1300 /kw Fresnel 200 /m² 300 C 25 C Änderung der Ausgangswerte [%] Speicher: 30 /kwh_th Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

48 Zusammenfassung Wirtschaftlicher Betrieb bei reiner Stromerzeugung durch Reduktion der Investitionskosten möglich Auslastung des Powerblocks zu gering Also: Einbindung von thermischen Speichern Hybridisierung z.b. durch Zufeuerung von Biomasse Kraftwärmekältekopplung (KWKK) Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

49 AP 6 Schaffung einer CSP Plattform (PSE) Internetauftritt Zwei Workshops Nach 6 Monaten zur Informationsgewinnung Nach 18 Monaten zur Ergebnispräsentation und Diskussion Vernetzung mit anderen Plattformen Inhaltliche Koordination ISE, Umsetzung und Organisation PSE Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

50 Internet-Plattform (englisch) Kontakte Termine Informationen Studien Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

51 Internet-Plattform - Firmendarstellung Kostenfreies Angebot Einfache Eintragung über Internet-Formular Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

52 Arbeitspakete AP 7 Identifizierung künftigen FuE Bedarfs Experten und Herstellerinterviews Identifikation interessanter Projekte Fragestellungen für weitere Arbeit Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

53 Übersicht Zeitplan Inhalte AP 1 Marktübersicht Hochtemperaturkollektoren Jahr 2007 Jahr 2008 Jahr 2009 Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr M1 AP 2 Marktübersicht Wärmekraftmaschinen AP 3 Erweiterung Simulationsumgebung M3 M5 AP 4 Kraftwerkskonzepte AP 5 Evaluierung der Einsatzmöglichkeiten M AP 6 CSP-Plattform M2 M4 M6 AP 7 Identifizierung FuE-Potenzial Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

54 Meilensteine M1 M2 M3 M4 M5 M6 Marktübersicht Hochtemperaturkollektoren Workshop für Industrie und Forschung Marktübersicht Wärmekraftmaschinen und Arbeitsmedien Internetpräsenz mit Darstellung der Ergebnisse der Marktübersicht Softwareentwicklung: Wärmekraftprozesse in Simulationsumgebung integriert; Kraftwerkskonzepte erstellt Workshop mit Ergebnispräsentation ( ) M7 Evaluierung abgeschlossen und Ergebnisse in Potenzialstudie dargestellt Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

55 Ausblick Darstellung der Akteure (Firmen, Institute) im Rahmen der Plattform Auswahl von vielversprechenden Anlagenkonzepten (Größe, Standort, Prozess, Verschaltung, Abwärme) Beteiligung der Firmen durch Feedback zu Ergebnissen, Diskussion von Anlagenkonzepten, Identifikation von Kostensenkungspotenzialen, Entwicklungsbedarf Prototypanlagen, KWKK-Optionen und Markt Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich

56 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Workshop Solarthermische Kraftwerke mittlerer Leistungsbereich