Solare Turmkraftwerke bei erhöhten Temperaturen

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1 Folie 1 Solare Turmkraftwerke bei erhöhten Temperaturen Stefano Giuliano DLR - Institut für Solarforschung 17. Sonnenkolloquium, 05. Juni 2014 in Köln

2 Folie 2 Aktueller Stand bei kommerziellen Solarturm-Kraftwerken Solarturm mit Direktverdampfung Solarturm mit Flüssigsalz Ivanpah 392 MW el, Brightsource Energy Relativ einfache Technologie Thermischer Speicher derzeit unwirtschaftlich Temperatur bis ~550 C (@PB) Wirkungsgrad ~42% (@PB) Crescent Dunes 110 MW el, SolarReserve Große Speicherkapazitäten möglich Grundlastfähige Solarkraftwerke durch zusätzliche fossile Hybridisierung bei geringen CO 2 Emissionen Temperatur bis ~550 C (@PB) Wirkungsgrad ~42% (@PB)

3 Folie 3 Optionen zur weiteren Kostenreduktion Kostenreduktion durch Up-scaling Kostenreduktion durch Massenproduktion z.b. Heliostate Kostenreduktion durch Weiterentwicklung von Komponenten Kostenreduktion durch höhere Effizienz max [-] max = th,carnot * absorber Parabol- Rinne Parabolic Dish Solar Turm Derzeit werden beim Solarturm 2 technologische Trends verfolgt: 1. moderate Erhöhung der Prozesstemperaturen (Receiver Temperatur 600 C bis 700 C) a. moderne Dampfprozesse (600 C/620 C) b. überkritische CO 2 Prozesse (bis 700 C) Flachkollekto r C = 1 C C C 2. signifikante Erhöhung der Prozesstemperaturen (Receiver Temperatur > 900 C) a. Gasturbinen-Prozesse (T absorber = T prozess ) [K] aber: LCOE Kosten Ertrag [ EUR / kwh]

4 Folie 4 Wärmekraftprozesse für CSP 65% Thermal Conversion Efficiency 60% 55% 50% 45% 40% 35% S-CO2 Brayton (recompression) Current Parabolic Trough Supercritical Steam (commercial for coal) Current Power Tower Typical Engineering Limit (75% Carnot) Air Brayton Combined Cycle (commercial for NG) Power Tower Range 30% Temperature, C source : [Turchi 2013, NREL]

5 Folie 5 Solarturm mit Flüssigsalz für erhöhte Temperaturen Variation der Dampfprozessparameter Referenz: 162 bar / 550 C / 550 C (subkritisch, TR_out = 565 C) Innovation 1: 250 bar / 550 C / 550 C (überkritisch, TR_out = 565 C) Innovation 2: 162 bar / 620 C / 620 C (subkritisch, TR_out = 635 C) Innovation 3: 250 bar / 620 C / 620 C (überkritisch, TR_out = 635 C) ETR ITR IDAR Variation der Receivertechnologie Referenz: externer zylindrischer Rohrreceiver (ETR) Innovation 1: interner zylindrischer Rohrreceiver (ITR) Innovation 2: interner zylindrischer Flüssigfilmreceiver (IDAR)

6 Folie 6 Solarturm mit Flüssigsalz für erhöhte Temperaturen - Verwendung erhöhter Dampfparameter (620 C/ 250bar): eta Gesamt, System bis zu 10% vs. Referenz (565 C/ 162bar) - Höhere Investitionskosten (Beispiel Kosten PB/ HEX bis zu 30% höher) - neue Receiverkonzepte: leicht reduzierte LCOE (~1% niedrigere LCOE für Cavity- Dose sowie IDAR mit 565 C / 162 bar) Schlussfolgerungen: - Moderate Temperaturerhöhung verspricht derzeit mehr Kostenreduktionspotenzial (± 600 C) (Weiterevolution vom Stand der Technik) rel. LEC [%] 105% 104% 103% 102% 101% 100% 99% optimale Speicherkapazität [h] ETR T565 SM2.5 subc (1) ETR T565 SM2.5 supc (4) ETR T635 SM2.5 subc (7) ETR T635 SM2.5 supc (10) - konventionelle Kraftwerkskomponenten (PB, vor allem Dampferzeuger) müssen intensiv weiterentwickelt werden (verbessertes Werkstoffkonzept, ), damit die Verbesserung im Wirkungsgrad in verbesserten LCOE sichtbar werden. - Hochtemperatureignung verfügbarer Salzschmelzen fraglich, Werkstoffkombi anspruchsvoll - verbesserte Receiverkonzepte sollten genauer betrachtet werden

7 Folie 7 Wärmekraftprozesse für CSP 65% Thermal Conversion Efficiency 60% 55% 50% 45% 40% 35% S-CO2 Brayton (recompression) Current Parabolic Trough Supercritical Steam (commercial for coal) Current Power Tower Typical Engineering Limit (75% Carnot) Air Brayton Combined Cycle (commercial for NG) Power Tower Range 30% Temperature, C source : [Turchi 2013, NREL]

8 Folie 8 Vorteile von CO 2 Wärmekraftprozessen Hohe Effizienz (~50% bei 700 C) Einfaches Design (z.b. Einwellenmaschine, extrem kompakte Turbomaschine, ~1/10 Ventile, etc.) Hohe Leistungsdichte (~30x kleiner als Dampf, ~6x als Helium oder Luft) Einfache thermodynamische Prozesse möglich (e.g. keine Zwischenkühlung oder Zwischenüberhitzung) Schnelle Anfahrzeit, keine komplizierten Prozeduren wie für Dampfprozesse Potential für geringere spezifische Kosten Turbineneinlasstemperatur eignet sich für eine Reihe von Wärmequellen (Nuklear z.b. Gen IV, Solar, Gas, Kohle, Syn-Gas, Geothermie). P [Pa] K source: [Dostal 2004] CarbonDioxide CIT=50C, CIP=9.6 MPa, PR=2.6 CIT=50C, CIP=7.4 MPa, PR=3.4 CIT=32C, CIP=7.4 MPa, PR= K 600 K 750 K 900 K 1050 K 2 x x x x x10 5 h [J/kg] source : [Turchi 2013, NREL] η=0.393, W net =7.1 MW η=0.401, W net =6.1 MW η=0.424, W net =7.1 MW

9 Folie 9 Überkritische CO2 Wärmekraftprozesse für Solarturm s-co 2 für Kraftwerksblock und WTM kritisch: hohe Drücke im Receiver s-co 2 für Kraftwerksblock source : [Ma 2011, NREL] source : [Turchi 2010, NREL] Aktueller Stand keine kommerziellen Systeme verfügbar Rückkühlung unter Wüstenbedingungen erfordert angepasste thermodynamische Prozesse Großes Entwicklungsprogramm in USA gestartet (SunShot Initiative) Kostensenkung (LCOE) von bis zu 12% erwartet Langfristige Entwicklung und Optimierung erforderlich

10 Folie 10 Wärmekraftprozesse für CSP 65% Thermal Conversion Efficiency 60% 55% 50% 45% 40% 35% S-CO2 Brayton (recompression) Current Parabolic Trough Supercritical Steam (commercial for coal) Current Power Tower Typical Engineering Limit (75% Carnot) Air Brayton Combined Cycle (commercial for NG) Power Tower Range 30% Temperature, C source : [Turchi 2013, NREL]

11 Folie 11 Solare Gasturbinen mit hohen Solaranteilen HYGATE Solare 950 C, ~50MW el, Trockenkühlung, t amb = 25 C, solar share bis 100% (@DP) Combined Cycle eta PB, gross = 43.7% (@SM1, DP) GT with isotherm. Comp. eta PB, gross = 45.7% (@SM1, DP) GT with ORC eta PB, gross = 47.5% (@SM1, DP) GT with ORC + Recu eta PB, gross = 48.1% (@SM1, DP)

12 Folie 12 Solare Gasturbinen mit hohen Solaranteilen HYGATE (hybrider Betrieb) Net annual plant solare Gasturbinen mit hohem Solaranteil zeigen interessante Performance solare Gasturbinen mit isothermer Kompression: größte Kostensenkungspotentiale bei geringen CO 2 Emissionen reduzierte Anlagenkomplexität (keine WD-Kreislauf) im Vergleich zu aktuellen Solartürmen mit Flüssigsalz zeigen solare Gasturbinen höhere Anlagenwirkungsgrade und (teilweise) geringere LCOE

13 Folie 13 SOLUGAS Pilotanlage für solar-hybride Gasturbinen SOLUGAS plant

14 Folie 14 Zusammenfassung Heutige Salzturmkraftwerke sind ideale Grundlastkraftwerke unter den Erneuerbaren und bieten umfängliche Optimierungspotentiale. Salzturmsysteme bei erhöhten Temperaturen enorme Potentiale zur Effizienzverbesserung für geringere LCOE müssen neue Herausforderungen (vor allem bzgl. Werkstoffen und Salzschmelze) gelöst werden neue, verbesserte Receiverkonzepte eröffnen weitere Potentiale Solartürme mit überkritischen CO 2 -Prozessen versprechen eine Reduzierung der LCOE derzeit gibt es noch keine kommerziellen CO 2 Turbinen die Technologie ist eine langfristige Entwicklung Solare Gasturbinen Prozesse erlauben den Einsatz von hocheffizienten Gasturbinen-Prozessen (GuD oder innovative Konzepte) derzeit GT bis zur 10 MW el -Klasse verfügbar umfängliche Optimierungspotentiale vorhanden mit therm. Speichern ermöglichen diese Systeme zuverlässige und planbare Stromerzeugung mit geringen CO 2 Emissionen

15 Folie 15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dank: Solarturm mit Flüssigsalz für erhöhte Temperaturen: Csaba Singer (DLR), Reiner Buck (DLR) Überkritische CO 2 Prozesse: Craig Turchi (NREL) Solare Gasturbinen: HYGATE Projekt Team Michael Puppe (DLR) Michael Krüger (DLR), Stefan Zunft (DLR), Reiner Buck (DLR), Andrea Jensch (DLR), Ralf Uhlig (DLR), Sven Boje (MAN), Karim Saidi (MAN), Uwe Gampe (TUD), Christian Felsmann (TUD), Manfred Freimark (VGB), Ulrich Langnickel (VGB)