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Kapitel 3

Solarthermische Stromerzeugung Institut für Energie- und Umwelttechnik

ERE 06/2011

Kap. 3

Solarthermische

Stromerzeugung

Prinzip solarthermischer Kraftwerke (SthKW) (Concentrating solar power plant CSP)

ERE

03/2011

Institut für Energie- und Umwelttechnik


RRE

04/2006

K

R

AC

A

Direkte Sonnenstrahlung

Konzentrationsfaktor:

AK Aperturfläche

AR Receiverfläche

Cmax 46.211

Beispiele:

CLinear: 70 – 215

CEuroDish: 2.500

CSonnenofen 20.000

4

max

R Sonne

CT T

C

Receivertemperatur:

Quelle: Quaschning


RRE

04/2006

Typen konzentrierender Solar-Kollektoren

Parabolrinnen-Kollektor Fresnel-Kollektor

Heliostaten-Kollektor Parabolschüssel-Kollektor

Quelle: Quaschning


RRE

04/2006

Kollektorwirkungsgrad

Optischer Wirkungsgrad:

ηopt. = (ρ∙γ·τ·α)·K·ηSauberkeit

ρ Reflexionsgrad

γ Intercept-Faktor

τ Transmissionsgrad

α Absorptionsgrad

K Einstrahlwinkel-

Korrekturfaktor

Kollektor-Wirkungsgrad:

QV Wärmeverluste

Edir direkt-normale

Bestrahlungsstärke

VK opt

dir K

Q

E A

Quelle: Quaschning


RRE

04/2006

Parabolrinnen-Kraftwerk

Quelle: Quaschning

Technische Daten:

• Nord-Süd-Ausrichtung

• Einachsige Nachführung

• Konzentrationsfaktor: 50 - 100

• Aperturweite: 2 – 6 m

• Kollektorlänge: 10 – 100 m

• Aperturfläche: 20 – 600 m²

• Verschaltung von 3 bis 1 Mio

Spiegelsegmenten

• Medium: Thermoöl

• Temperatur: 400 °C

• Trennung Kollektor- und Turbinen-

kreislauf

• Elektr. Leistung: 10 kW – 200 MW

• Mit therm. Speicher od parallelem

Dampferzeuger : 7.000 h Volllast-

stunden möglich

• Großes Entwicklungspotenzial.

Parabolrinnen-Solarkollektoren

auf der Deutsch-Spanischen Versuchsanlage

Plataforma Solar de Almeria / Spanien (PSA)


RRE

04/2006

Technische Daten: Aperturfläche: 545 m²

Kollektorlänge: 99 m

Konzentrationsfaktor 82

Medium: Thermoöl

Temperatur: 390 °C

Elektrische Leistung:


RRE

04/2006

Parabolrinnen-Kraftwerke in Mojawe-Wüste in Kalifornien

/ USA, Kramer Junction

9 Anlagen mit Gesamt-Leistung P = 354 MW

Erbaut 1985 – 1991 und heute noch in Betrieb

Kollektoren von Schott Solar

Parabolrinnen-Kraftwerke

Leistung: 80 MW; Aperturfläche 464.000 m², Solar-elektr. Wirkungsgrad 14 %

Andasol 1

ERE

05/2011

Institut für Energie- und Umwelttechnik Quelle: DLR-Trieb-CSP-2009

Schaltschema mit Speichertanks

Blick auf das Parabolrinnen-Solarkollektor-Feld,

auf die Speichertanks und die Kraftwerksstation

für 50 MW Leistung während der Bauphase 2007

Technische Daten zu Andasol 1

ERE

05/2011


Lage: Spanische Provinz Granada

Areal 1300 x 1500 m² ≈ 2 km²

Kollektorfeld: 600 Parabolrinnen; je 150 m x 5,6 m; 209.664 Spiegel

Kollektorfläche: 510.120 m²

η = 70% max.; η = 50% Mittel bei E = 2.136 kWh/m²a

Thermoöl, δ = 400 °C

Kraftwerk: Dampfkraftwerk

50 MW Strom; 179 GWh/a Jahresproduktion; 3.500 h/a

η = 40 % max., η = 30 % Jahresdurchschnitt

Hybridkühlturm, Grundwasser 870.000 m³

Solar-elektrischer Anlagengrad η ≈ 15 %

Speicher: 2 Tank je d = 36 m; h = 14 m; 28.500 to Salzschmelze

NaNO3 + KNO3; δ ≈ 250 - 350 °C als Schmelze

7,5 h Volllast 50 MW

Kosten: GesamtKosten: 300 Mio €; BMU 3,9 Mio € Förderung

Kraftwerk: 1200 €/kW; Solarfeld: 360 €/m²; Speicher: 60 €/kWh

Spezif. Stromgestehungskosten = 8,5 Ct./kWh (ohne Unterhalts-

und Amortisationskosten!)

Einspeisevergütung: 26,93 Ct/kWh über 25 J.

Bauzeit: 2006 - 2009

Projekt:

Entwickler: Solarmillenium AG, Erlangen

Betreiber: ACS/Cobra-Gruppe, Spanien

Nachfolgeanlagen: Andasol 2 + 3, gleicher Leistung.

Quelle: DLR-Trieb-CSP-2009, Wikipedia

Solarturm-Kraftwerke

ERE

05/2011


Charakteristika:

• 2-achsige Nachführung der Heliostate

• Starke Konzentration des Lichts

• Hohe Temperaturen 800 – 1300 °C

• Höhere Wirkungsgrade

• Heißluft und damit GuD-Kraftwerke möglich

• Großkraftwerke.


RRE

04/2006

Deutsch-Spanisches Solartestfeld, seit 1981

1 MW Turmkraftwerk 90 Heliostate a 40 m²

3 MW Turmkraftwerk 300 Heliostate a 40 m²

Plataforma Solar de Almeria / Spanien

Quelle: DLR


RRE

04/2006

Solarturm-Kraftwerk in Barstow /Kalifornien

Medium Salzschmelze

Leistung: 10 MW

Solarturm-Kraftwerke

PSA: Geschlossener Druckreceiver

Solarturmkraftwerke PS10, 20

ERE

05/2011


Region: Andalusien / Spanien, seit 2007 / 2009

Leistung 11/20 MW; 624/1255 Heliostate a 120 m²; Turm 110/165 m

ERE

05/2011


PS10, PS20-Anlage

Erste kommerzielle

Solarturm-GuD-Kraftwerke

der Welt

Leistung 10 / 20 MW

2008, 2010

Optional mit Erdgas

Abengoa Solar, bei Sevilla

Reciever:

Geschlossen, Drahtgeflecht und

poröser Keramikkörper,

15 bar, 800 – 1050 °C Heißluft

Quelle: DLR-Trieb-CSP-2009

Solarthermisches Demonstrations- und Versuchskraftwerk Jülich

ERE

05/2011


Gemeinschaftsanlage der Stadtwerke Jülich, Kraftanlagen München, DLR, FH-Aachen

Inbetriebnahme 2009; Leistung: 1,5 MW

Receiver Keramikblock, Heißluft bis 700 °C

Zweck: Entwicklung und Erprobung von SThKW-Komponenten.


RRE

04/2006

Dish – Sterling - Anlage

Technische Daten

der EuroDish-Anlage der PSA:

Konzentratorfläche 8,5 m

Aperturfläche 56,7 m²

Konzentrationsfaktor 2.500

Receiver-Temperatur 650 °C

Arbeitsgas Helium

Wandler Sterling-Motor

Elektr. Bruttoleistung 10 kW.

Fresnel-System

ERE

05/2011


Forschungs-Projekt FRESDEMO in Almeria / Spanien 2007 – 2009:

Ziel: Machbarkeit der Technologie und Wirtschaftlichkeit:

Projektpartner: SPG, DLR, MAN, Fraunhofer Quelle: Energy 2.0, 2009


RRE

04/2006

Sonnenofen von Odeillo / französische Pyrenäen

Technische Daten:

Errichtung: 1972 Brennpunkt: 625 cm²

Fangspiegel: 63 Konzentrationsfaktor: 37.000

2.835 m² real: 20.000

zweiachsige Nachführung Leistung: 1,1 MW

Hohlspiegel: 2.000 m² bei 899 W/m²

Elemente: 9.500 Temperatur: 4.000 °C

Solarthermische Kraftwerke in der Welt

ERE

05/2011

Institut für Energie- und Umwelttechnik Quelle: Tabelle Wikipedia, solarthermische Kraftwerke, 2011

1912 Meadi/Ägypten Parabolrinnen 45 kW Strom

500 PS Dampf

1981 Plataforma Solar del Almeria Parabolrinnen 500 kW Strom


RRE

04/2006

Stromgestehungskosten solarthermischer Kraftwerke

Entwicklung der Stromgestehungskosten

Solarthermischer Kraftwerke (Welt der Physik, 8/2008)

ERE

05/2011


Entwicklung der spezif. Stromgestehungskosten

aus solarthermischen Kraftwerken

ERE

05/2011


Einstrahlungsbedingung:

kWh/m²a


Prinzip der konzentrierenden

solarthermischen Kraftwerke für

• Kraft-Wärme-Kopplung

• Hohe Verfügbarkeit

durch

• Thermische Speicherung

• Hybrid-Betrieb

• Standort intensiver direkter Strahlung

ERE

05/2011

Institut für Energie- und Umwelttechnik Quelle: DLR-Trieb-CSP-2009

El Kharga bei Hurghada / Ägypten

Simulationsexperiment für Standort Hurghada / Ägypten

ERE

05/2011


• SThKW-Anlage mit Speicher und

Brennstoff-Hybrid

• PV-Anlage

• Windkraftanlage

• Last 10 MW

• Dauer 1 Woche


Fazit:

Weltkarte der direkten, normalen Strahlung in kWh/m²a von NASA SSE 6.0

ERE

05/2011


Worldwide CSP Installations in 2012 (11 GW total capacity)

ERE

05/2011

Institut für Energie- und Umwelttechnik Quelle: DLR, Trieb-CSP-2009

Solarthermische Kraftwerke in Bau oder Betrieb 2008

ERE

05/2011


Quelle: DLR, Trieb-CSP-2009

Solarthermische Kraftwerke geplant seit 2009

ERE

05/2011


Quelle: DLR, Trieb-CSP-2009

Aufwindkraftwerk Manzanares / Spanien

ERE

05/2011


Funktionsweise: Treibhauseffekt und Auftrieb

Prototyp-Anlage: 1982-1988; Leistung P = 50 kW; Kamin H =

194 m, D = 10 m; Kollektor H= 2 m, D = 240

m, A = 45.000m²

Zukunftsanlage: P = 200 MW; Kamin H = 1000 m, D = 150 m;

Kollektor D = 5000 m

Verfügbarkeit: bis 24 h/d.

Quelle: Schlaich, Bergermann u Partner, 2011

ERE

05/2011


DESERTEC

Desertec-Konzeption:

• Dersertec Industrial Initiative GmbH, 2009; Firmen- u Banken-Konsortium

• DLR wissenschaftliche Leitung

• Errichtung solarthermischer, PV- und Wind-Kraftwerke in Nordafrika und

Naher Osten für Eigenversorgung und Export von Strom nach Europa

• Kapazität 100 GW in 2050.

• Nur bei direkter Sonnenstrahlung

• Leistungsgrößen: 1 – 400 MW

• Typen:

- Parabolrinnen-Kraftwerk: einachsige Nachführung

- Fresnel-Anlagen: einachsige Nachführung, kostengünstig

- Solarturm-Kraftwerk: Heliostate, zweiachsige Nachführung

- Dish-Sterling-Anlagen: zweiachsige Nachführung, < 50 MW

• Hybrid- und Speicher-Betrieb: 24 h Verfügbarkeit

• bislang Prototypen: Almeria/Spanien, Barstow/USA, Rehovot/Israel

• Solar-elektrischer Wirkungsgrad η = 10 – 30 %

• Wirtschaftlichkeit ab etwa 2020 innerhalb

35 Breitengraden

• Riesiger Flächenbedarf, geeignet in ariden Zonen

• Strom-Ferntransport zu Verbraucherzentren in HGÜ-Technologie

• SThKW stehen in Konkurrenz zu konventionellen Kraftwerken

• Großes Entwicklungspotential. ERE

05/2011


Fazit Solarthermischer Kraftwerke

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