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Kapitel 3 Solarthermische Stromerzeugung Institut für Energie- und Umwelttechnik ERE 06/2011 Kap. 3 Solarthermische Stromerzeugung

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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

  • 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

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik

    RRE

    04/2006

    Typen konzentrierender Solar-Kollektoren

    Parabolrinnen-Kollektor Fresnel-Kollektor

    Heliostaten-Kollektor Parabolschüssel-Kollektor

    Quelle: Quaschning

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik

    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

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik

    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)

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    RRE

    04/2006

    Technische Daten: Aperturfläche: 545 m²

    Kollektorlänge: 99 m

    Konzentrationsfaktor 82

    Medium: Thermoöl

    Temperatur: 390 °C

    Elektrische Leistung:

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik

    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

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    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

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    Charakteristika:

    • 2-achsige Nachführung der Heliostate

    • Starke Konzentration des Lichts

    • Hohe Temperaturen 800 – 1300 °C

    • Höhere Wirkungsgrade

    • Heißluft und damit GuD-Kraftwerke möglich

    • Großkraftwerke.

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik

    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

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik

    RRE

    04/2006

    Solarturm-Kraftwerk in Barstow /Kalifornien

    Medium Salzschmelze

    Leistung: 10 MW

    Solarturm-Kraftwerke

    PSA: Geschlossener Druckreceiver

  • Solarturmkraftwerke PS10, 20

    ERE

    05/2011

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    Region: Andalusien / Spanien, seit 2007 / 2009

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

  • ERE

    05/2011

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    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

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    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.

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik

    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

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

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

    Ziel: Machbarkeit der Technologie und Wirtschaftlichkeit:

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

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik

    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

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik

    RRE

    04/2006

    Stromgestehungskosten solarthermischer Kraftwerke

  • Entwicklung der Stromgestehungskosten

    Solarthermischer Kraftwerke (Welt der Physik, 8/2008)

    ERE

    05/2011

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

  • Entwicklung der spezif. Stromgestehungskosten

    aus solarthermischen Kraftwerken

    ERE

    05/2011

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    Einstrahlungsbedingung:

    kWh/m²a

    Quelle: DLR-Trieb-CSP-2009

  • 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

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    • SThKW-Anlage mit Speicher und

    Brennstoff-Hybrid

    • PV-Anlage

    • Windkraftanlage

    • Last 10 MW

    • Dauer 1 Woche

    Quelle: DLR-Trieb-CSP-2009

    Fazit:

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

    ERE

    05/2011

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

  • 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

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    Quelle: DLR, Trieb-CSP-2009

  • Solarthermische Kraftwerke geplant seit 2009

    ERE

    05/2011

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    Quelle: DLR, Trieb-CSP-2009

  • Aufwindkraftwerk Manzanares / Spanien

    ERE

    05/2011

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    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

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    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

    Institut für Energie- und Umwelttechnik

    Fazit Solarthermischer Kraftwerke