solar-vision desertec - wenn ingenieure darüber nachdenken · das desertec konzept ... “desertec...
Post on 10-Aug-2019
219 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Solar-Vision DESERTEC – Wenn Ingenieure darüber nachdenken
VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“Hansa-Haus
•
München •
11. Juli 2013
Dr.-Ing. Ulrich HueckCo-Founderulrich.hueck@desertec.orgwww.desertec.org
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 20132
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
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 20133
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
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 20134
Der Energieverbrauch steigt
Weltweiter Energieverbrauch 1987-2012
Quelle:
BP Statistical Review of World Energy •
Juni 2013
•
www.bp.com/statisticalreview
•
Millionen Tonnen Rohöleinheiten
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 20135
Der fossile Energieverbrauch erhöht die mittlere Temperatur auf der Erde
Änderung der Erdoberflächentemperatur
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)
Abw
eich
unge
n (°C
) von
196
1-19
90
Welt
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 20136
100
200
300
400
500
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
Wetterbedingte Schäden nehmen zu
Naturkatastrophen weltweit 1980-2012Meteorologische Ereignisse (Sturm)
Hydrologische Ereignisse (Überschwemmung, Massenbewegung)
©
2013 Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft •
Geo Risiko Research NatCatSERVICE
•
Stand Jan. 2013 •
www.munichre.com/touch
Geophysikalische Ereignisse (Erdbeben, Tsunamis, Vulkanausbrüche)
Trend Linien
Anza
hl
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 20137
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
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 20138
Windenergie5-50 GWh/km2y1.950 TWh/y(ohne off-shore)
Das Potenzial der Sonnenenergie ist am größten
Stromausbeute erneuerbarer Energien
EU-MENA
Biomasse0-1 GWh/km2y1.350 TWh/y
Geothermie0-1 GWh/km2y1.100 TWh/y
EU-MENA = Europe -
Middle East & North Africa •
jeweils Maximum für Potenzial und Stromausbeute •
Strombedarf für 2005Quelle: DLR •
MED-CSP •
Concentrating Solar Power for the Mediterranean Region
•
Stuttgart 2005 •
www.dlr.de/tt/med-csp
Wasserkraft0-50 GWh/km2y1.350 TWh/y
Solarenergie10-250 GWh/km2y630.000 TWh/y
StrombedarfEU-25:
3.200 TWh/yMENA:
600 TWh/y
∑
5.750 TWh/yohne Solarenergie
ohne off-shore
Wind
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 20139
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
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201310
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
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201311
Summenbildung für viele Einzelanlagen
Flächenbedarf für SolarkraftwerkeStrombedarf
FlächenbedarfWelt:
17.000 TWh/y
300 x 300 km2
EU-25:
3.200 TWh/y
125 x 125 km2
MENA:
600 TWh/y
55 x 55 km2
Angaben für 2005
theoretische Werte
EU-25 = 25 European Countries •
MENA = Middle East & North Africa •
CSP = Concentrated Solar PowerQuelle: Clean Power from Deserts •
White Book 4th Edition •
DESERTEC Foundation •
February 2009 •
www.desertec.org
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201312
Bei großen Entfernungen ist HGÜ für den Stromtransport geeignet
Hochspannungs-Gleichstromübertragung
Grafik: ABB
ca. 3% Verlust auf 1.000 km ca. 10…15% Verlust von Nordafrika bis Mitteleuropa Effizienter als Wasserstoff mit Erzeugung, Transport und Nutzung
AnzahlStromleitungen
für 7.000 MW 400 kV AC
800 kV AC
500 kV HGÜ
800 kV HGÜ
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201313
Viele HGÜ-Leitungen sind bereits vorhanden
HGÜ
in Europa
Quelle:http://en.wikipedia.org/wiki/HVDCHGÜ
= Hochspannungs-GleichstromübertragungSpanien-Marokko: 400 kV AC ausgelegt für 450 kV DC
vorhandenin Bau
erwogen
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201314
Die größte HGÜ-Leitung befindet sich in China
Yunnan-Guangdong ±800 kV HGÜ
(Weltrekord)
Länge: 1.400 km
Übertragungsleistung: 5.000 MW
Stromerzeugung in 2 Wasserkraftwerken
Baubeginn: 2007 1. Pol: Inbetriebn. Dez. 2009 2. Pol: Inbetriebn. 2010/11
Stromrichter-
Transformator
aus NürnbergQuelle: Siemens
HGÜ
= Hochspannungs-Gleichstromübertragung
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201315
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-GleichstromübertragungDie 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 2009 •
www.desertec.org •
www.dlr.de
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201316
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) •
Enel Green Power (Italien)
First Solar (USA) •
NAREVA (Marokko) •
Red Eléctrica
(Spanien) •
Saint-Gobain Solar (Frankreich) Terna
(Italien) •
Terna
Energy (Griechenland) •
UniCredit
(Italien)
Strategischer Berater: Prof. Klaus Töpfer (vorübergehend)
Die industrielle Umsetzung des DESERTEC Konzepts ist vorgesehen
Industrieinitiative Dii GmbH
Stand: Juli 2013www.dii-eumena.com
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201317
Das DESERTEC-Vorhaben
durchläuft die typischen Phasen sehr groß
aufgesetzter Projekte
Die Phasen der Planung großer Projekte
Begeisterung
Verwirrung
Ernüchterung
Suche der Schuldigen
Bestrafung von Unschuldigen
Auszeichnung von Unbeteiligten
Der Tagesspiegel •
2.6.2013 Frankfurter Allgemeine Zeitung •
7.6.2013
business-on
•
28.2.2013
Süddeutsche Zeitung •
14.7.2010
Süddeutsche Zeitung •
16.6.2009
Hamburger Abendblatt •
5.7.2013
tagesschau.de
•
1.7.2013Financial Times Deutschland •
13.11.2012
photovoltaik-Magazin•
23.10.2012
Der Tagesspiegel
•
9.7.2013
Frankfurter Allg. Sonntagszeitung •
24.10.2010
steht noch aus...
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201318
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 ReVDE Arbeitskreis Energietechnik •
München •
17.11.2011 •
Schlagzeile: Die Welt •
7.11.2012
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201319
Das Vorgehen beeinflusst den Erfolg einer Innovation
Traditioneller „Wasserfall“
Prozess
Analyse Design Umsetzung ErprobungVorbereitung Abschluss
Vorbereitung Entwicklung Abschluss
Grafik: Sabine Canditt •
Siemens AG •
Corporate Technology •
CT T DE TC 1 •
2010
„Agiler“
Prozess GROWIAN3 MW
*1981 -
†1987
Thanet
•
UK100 x 3 MW 2008-2010
Sehr großer Prototyp
Frühe, kleine
Prototypen
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201320
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
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201321
Vorteil für solarthermische Kraftwerke (CSP) bei der großtechnischen Speicherung der Sonnenenergie
Vergleich von Photovoltaik und CSP
kontinuierlicher Strom
ca. 15%…18%
Wärmeca. 60%
Nutzung der Abwärme5)
ca. 20%
Sonnenenergie100%
schwankender
Stromca. 5%…>40%
Sonnenenergie100%
Speicherung als Wärme
Speicherung als chemische
Energie1)
Speicherung als potentielle
Energie2)
Speicherung als Wärme3)
Photovoltaik
CSP
Beispiele: 1) Batterie, Wasserstoff •
2) Pumpspeicherkraftwerk •
3) Wärmepumpe •
4) Kalziumhydroxid
•
5) Meerwasserentsalzung
Speicherung vor
der Stromerzeugung ohne Wechsel
der Energieform
Speicherung nach
der Stromerzeugung mit Wechsel
der Energieform
Speicherung als chemische
Energie4)
1 km2
ca. 25…50 MW el. (mit oder ohne Speicherung)
Kein Wechselder EnergieformConcentrated
Solar Power
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201322
Grafik für angekündigte CSP-Kraftwerke Stand Ende 2008
•
aktuell: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_solar_thermal_power_stationsund Positionspapier Deutsche CSP •
Nov. 2012 •
Quelle Stand Ende 2008: DLR •
Characterisation of Solar Electricity Import Corridors from MENA to Europe
•
Franz Trieb
et al. •
July 2009 pp. 69-74 •
Fig. 3-49 •
Angaben in MW •
CSP = Concentrated Solar Power
Immer mehr CSP-Kraftwerke sind in Betrieb oder in Bau
CSP-Kraftwerke weltweit
Stand Ende 2008in Betrieb:
482 MWin Bau:
540 MWAngekündigt:
5.975 –
7.415 MWGesamt:
≈
7.000 –
8.400 MW
Stand 30. Mai 2013in Betrieb:
2.669 MWin Bau:
2.514 MWAngekündigt:USA:
3.950 MWSpanien:
930 MWandere:
4.290 MWGesamt: ≈
14.300 MW
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201323
CSP-Kraftwerke sollen wirtschaftlicher werden als fossile Anlagen
Vergleich der Wirtschaftlichkeit
Profitability of coal, gas and CSP projects over time
CSP = Concentrated Solar Power •
Source: Center for Global Development •
Working Paper Number 156 •
December 2008Desert Power: The Economics of Solar Thermal Electricity for Europe, North Africa, and the Middle EastBy Kevin Ummel
and David Wheeler •
Fig. 15, page 38
•
www.cgdev.org/content/publications/detail/1417884
Assumptions:- 15% learning rate for CSP-
Subsidies not included- Additional costs for transmission
not included- Fossil charge is $15 per ton CO2
Derzeit nur geringe Wirtschaftlichkeit
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201324
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. 2010 •
www.energy.eu/DG-TREN-releases/SPEECH-10-601_EN.pdf
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201325
Absorber Tube
thermal fluid
Curved
mirror
Parabolrinnenspiegel
Receiver-Rohre
Rohre mit Thermoöl
Gekrümmte Spiegel
Linear-Fresnel
Absorber tube andreconcentrator
Receiver-Rohr undRe-Konzentrator
Spiegel
Solar Receiver
Heliostats
Solarturmkraftwerk
Solar Receiver
Heliostats
Solar-Receiver
Spiegelfeld
Es gibt verschiedene Technologien für solarthermische CSP-Anlagen
Bauarten für Concentrated Solar Power
Lineare Konzentration
Punkt-
Konzentration
Konzentration: 70…80
Temperatur: ~400 °C Größe: 1…250 MW
Effizienz: 15…16%
Konzentration: >1000
Temperatur: ~1200 °C Größe: 0.01…0.04 MW
Effizienz: 20…25%
Konzentration: 25…100
Temperatur: ~400 °C Größe: 1…200 MW
Effizienz: 8…10%
Konzentration: 300…1000
Temperatur: ~1200 °C Größe: 1…200 MW
Effizienz: 15…17%
Veränderliche Angaben bedingt durch technische Weiterentwicklungen
Receiver / Engine
Reflector
Receiver / Engine
Reflector
Receiver / Motor
Spiegel
Parabol-Stirling
ungünstiggünstig abwarten
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201326
Das Optimum einer Technologie ist einfach
Grundregel der Technikentwicklung„Die Technik entwickelt sich…
Antoine de Saint-Exupéry
•
1900–1944
…vom Primitiven… …über dasKomplizierte… …zum Einfachen.“
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201327
Die erste solare Dampferzeugung wurde mit Parabolrinnenspiegeln gebaut
El-Maadi • Ägypten • 1913
Quellen: The installation “Sun of 1913”
•
Christina Hemauer
and Roman Keller •
The Art Biennal
•
Cairo 2009 •
Scientific American
“There are striking similarities between solar energy and aviation technology.Big achievements are made every month in aviation.Solar technologywill be the same success story.”Frank Shuman •
1914
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201328
Seit mehr als 20 Jahren gibt es kommerzielle Kraftwerke mit Concentrated Solar Power
(CSP)
CSP-Kraftwerk mit Parabolrinnenspiegeln
SEGS I-IX •
Mojave Desert •
USA •
9 Anlagen •
354 MW •
Errichtung 1984–1990
Horizontale Fläche
erforderlich
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201329
Zwei getrennte Kreisläufe mit
WärmetauschernSolarkraftwerke nutzen die Technik
der konventionellen Stromerzeugung
Einfach Konfiguration für CSP-Kraftwerk
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 •
14-19 June 2003
CSP = Concentrated Solar Power
Keine Speicherung
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201330
Drei getrennte Kreisläufe mit
WärmetauschernSolarkraftwerke sollen Strom möglichst Tag und Nacht liefern
CSP-Kraftwerk mit Speichersystem
Quelle: Solar Millennium •
Die Parabolrinnen-Kraftwerke
Andasol 1 bis 3 •
Erlangen •
2008 •
www.SolarMillennium.de
8 h Betrieb
ohne Sonnenlicht
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201331
Direkte Dampferzeugung
Linear Fresnel
Quelle: Novatec
Solar •
www.novatecsolar.com
Puerto Errado
2 •
Murcia
•
Spanien •
30 MW •
2012Spiegelfläche: 302.000 m²
•
Wasser-Dampf: 270 °C, 55 bar
Ein Kreislauf Druckbehälter als Wärmespeicher
Sattdampf
Automatische Trockenreinigung der flachen Spiegel
Ebene Fläche erforderlich
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201332
Wärmetransport mit Luft
Deutsches Solarturmkraftwerk
Quelle: Kraftanlagen
München
GmbH •
2008 •
www.ka-muenchen.de
Jülich
•
Deutschland1,5 MW •
2007-200818.000 m2
Spiegelfläche •
Dampf: 485 °C, 27 bar
Zwei getrennte Kreisläufe mit
Wärmetauschern
Luftkreislaufoffener
Receiver
Lüfter
Turbine
Wärme-
speicher
Speisewasserpumpe
Generator
Umgebungsluft
Kühlwasserkreislauf
Spiegel
KesselWasser-/
Dampfkreislauf
Offenes System
Überhitzung des Dampfes
Hohes ΔT
1.000°C
15…680°C
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201333
Solarturmkraftwerk
Wärmetransport und Speicherung mit flüssigem Salz
Überhitzung des Dampfes15 h Betrieb ohne Sonnenlicht
Hohe Temperaturdifferenzen
am Receiver >900°C
290…560°C
Das Salz muss flüssig bleiben
Gemasolar Spanien
19,9 MW 2011
2.650 SpiegelSpiegelfläche:
ca. 300.000 m2
Quellen:www.torresolenergy.comwww.nrel.gov/csp
Zwei getrennte Kreisläufe mit
Wärmetauschern
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201334
Direkte Erzeugung und Speicherung von Dampf
Solarturmkraftwerk
Quelle: Abengoa
Solar •
Spanien
•
www.abengoasolar.com
PS10 •
Spanien11 MW •
2007624 Spiegel à
120 m2
Fläche: ca. 75.000 m2
Ein KreislaufDruckbehälter als Wärmespeicher
Sattdampf
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201335
Große Anlage mit direkter Erzeugung von Dampf
Solarturmkraftwerk
Quellen: BrightSource
Energy, Inc. •
www.brightsourceenergy.com
•
www.ivanpahsolar.com
•
www.nrel.gov/csp/solarpaces
Ivanpah
•
CA •
USABaubeginn Okt. 2010
370 MW1x120 MW + 2x125MW
175.000 Spiegel à
15 m2
Fläche: 2.600.000 m2
noch ohne Speicherung
Risiko der Überhitzung
Wärmeverlust an die Umgebung
Ein KreislaufÜberhitzung des
Dampfes
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201336
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
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201337
Was ist der beste Weg?
Sonnenstrahlung für die Stromerzeugung
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201338
Unebene oder horizontale Flächen?
Gelände für solarthermische Kraftwerke
Beschränkung auf horizontale
Flächen*
Zulässigkeit von unebenem Gelände**
*
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.
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201339
Flache* oder gekrümmte Spiegel?
Spiegel für solarthermische Kraftwerke
Aufwendigere Herstellung
Einfache Herstellung
* Flache Spiegel für Solarturmkraftwerke besitzen eine geringfügige Krümmung, um die Sonnenstrahlung zu fokussieren.
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201340
Der Eigenbedarf an Strom sollte nicht mit der Größe des Solarfeldes zunehmen
Größe solarthermischer KraftwerkeGeringe Fokussiergenauigkeit
entfernter Spiegel zulassen*
HTF = Heat
Transfer Fluid
Der Stromverbrauch der HTF-Pumpe
steigt mit der Größe des Solarfeldes
*
Die Entfernung der Spiegel wird durch Strahlungsverluste in der tief liegenden Atmosphäre begrenzt.
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201341
Die Art der Konzentration der Strahlung beeinflusst den technischen Aufwand
Erwärmung mit SonnenstrahlungPunkt-
Konzentration
Lineare Konzentration
Gebündelte Konzentration
Aufwand für Transport des Mediums und für Vakuum-Isolierung mit Glas
Aufwand durch sehr große Wärmemengeauf kleiner Fläche
Optimierung der Strahlung pro Fläche
Kurzer Weg des MediumsEinfachere Isolierung
kaltesMedium
heißesMedium
Rohr
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201342
Solare Absorber sollen Wärmeverluste an die Umgebung minimieren
Nutzung der solaren AbwärmeWärmeverlust an die Umgebung
Begrenzung des Wärmeverlusts
Nutzung der Abwärme
Absorber
Abwärme
Sonnenstrahlung
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201343
Die Anzahl der Kreisläufe beeinflusst den Aufwand für die Stromerzeugung
Kreisläufe für die Wärmeübertragung
Ein Kreislauf mit Wasser/Dampf
Zusätzlicher Kreislauf mit Thermoöl oder flüssigem Salz oder heißer Luft
Wärmetauscher zwischen dem ersten und zweiten Kreislauf
Dampfturbine
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201344
Hohe Temperaturen für die Wärmezufuhr sind vorteilhaft für den Wirkungsgrad von Kraftwerken
Carnot-WirkungsgradTH
limitiert durch Wärmeträgermedium*
Der Betrieb bei möglichst hohen Temperaturen sollte zulässig sein
44
TH
ist die absolute Temperatur für die Wärmezufuhr (Hot)TC
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
TT - 1
H
CCarnotmax ==ηη
CT
HT
Dampfturbine
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201345
Solare Vorwärmung
Solare Verdampfung
Solare Überhitzung
Solare
ZÜ
Konventionelle Kessel können als Vorbild für die solare Dampferzeugung dienen
Solarkessel mit mehreren Segmenten
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. 1713–1722 •
Grafik rechts: Ulrich Hueck
Wasser
Dampf
DampfNutzung der isolierenden und kühlenden Luft für die Vorwärmung von Kondensat und Speisewasser
ZÜ
= Zwischenüberhitzung
Fokussier-
Genauigkeit passend zur Temperatur
Überhitzung des Dampfes*
Nutzung der Abwärme
Unebenes Gelände ist zulässig
*Genaue Steuerung zu Störungen durch Wolken erforderlich.
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201346
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. 159-182 •
978-3-527-33239-7 •
Wiley-VCH
•
Weinheim •
2013
Solarkessel Wärme-
speicher
Ein Wärmespeicher wird tags mit Dampf erhitzt und nachts zur Dampferzeugung genutzt
Solarkessel mit WärmespeicherDampfturbine
Kondensator
Überhitzter Dampf
Kondensat
Tagbetrieb
Nachtbetrieb
Ein Kreislauf
Zwischenüberhitzung zur Vereinfachung nicht gezeigt
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201347
Entladung zur Dampferzeugung
Aufladung durch Abkühlung und Kondensation des Dampfes
vom Solarkessel
vom
Kondensator
zum Solarkessel
zur Dampfturbine
Vorwärmung
Sattdampf
Abkühlung Kondensat
Kondensation Überhitzung
Abkühlung Frischdampf
Der Wärmespeicher passt zur Physik der Kondensation und Erzeugung von Dampf
Salz als Phasenwechselspeicher
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
15.-18.9.2009 •
Berlin •
Germany
Pilotanlage Litoral •
Carboneras
•
Spanien Phasenwechsel von Natriumnitrat (NaNO3
) bei 306 °C
Aufladung mit Dampf bei ~107
bar, ~320 °C
Entladung mit Wasser bei ~81
bar, ~295 °C
T
Q
Verdampfung
mit Trommel zur Phasentrennung Phasenwechselspeicher (PCM)
gefüllt mit Salz (NaNO3
)
Salz oder Beton Salz oder Beton
Die Erstarrung des Salzes wird genutzt
T = Temperatur •
Q = Wärmemenge im Speicher
Heiß
•
Phasenwechsel •
Kühl
PCM = Phase Change Material
Jedes Modul ist zugleich ein Wärmetauscher
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201348
Der Phasenwechsel-Wärmespeicher wird bei einem Kohlekraftwerk erprobt
Kleiner Prototyp für Wärmespeicher
Photo Wärmespeicher: Doerte
Laing, Carsten
Bahl, Michael Fiß
•
German Aerospace Center (DLR) •
Stuttgart und Ed. Züblin
AGCommissioning of a thermal energy storage system for direct steam generation •
SolarPACES
21.-24.9.2010 •
Perpignan •
France
Phasenwechselspeicher kombiniert mit Betonspeichern
Kohlekraftwerk LitoralCarboneras
•
Spanien2 Blöcke •
1.168 MW
Speicherkapazität1. Prototyp: 1 MWh2. Prototyp:
≈20 MWhgeplant, Standort offen
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201349
Vor-
und Nachteile der Speicherung solarer Wärme mit Salz
Wärmespeicherung und PhasenwechselDie Erstarrung des Salzes wird genutztNutzung der UmwandlungswärmeNur Pumpen für Wasser/Dampf
Jedes Modul ist zugleich ein Wärmetauscher*
HTF = Heat Transfer Fluid
•
Photos: Solar Millennium AG •
DLR
Das Salz muss flüssig bleiben
∆T nur oberhalb Schmelzpunkt nutzbar
Pumpen für Salz und HTF erforderlich
Nur ein Satz Wärmetauscher zwischen HTF und flüssigem Salz
Andasol 1 •
Spanien Prototyp in Litoral •
Spanien
*
Hohe zu erwartende Kosten sind derzeit das größte Hindernis für die kommerzielle Nutzung von Phasenwechselspeichern.
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201350
Der Solarkessel hat viele Vorteile
Technische AspekteUnebenes Gelände ist zulässigFlache SpiegelGeringe Fokussiergenauigkeit ist zulässig
Große Oberflächen für die WärmeübertragungGeringer WärmeverlustGeringes Risiko der Überhitzung von ReceivernÜberhitzung des Dampfes
Ein Kreislauf mit direkter DampferzeugungKurze Wege des WärmeträgermediumsGeschlossenes SystemPreiswertes und sicheres WärmeträgermediumHoher Turbinen-Wirkungsgrad
Bündelung der Sonnenstrahlung
Umwandlung der Sonnenstrahlung in Wärme
Nutzung der Wärme für die Stromerzeugung
Hohe Speicherkapazität durch PhasenwechselKein Risiko durch Salzaushärtung bei Stillstand
Speicherung der Wärme für den Nachtbetrieb
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201351
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
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201352
In MENA gibt es erst wenige CSP-Kraftwerke
CSP-Kraftwerke in MENA
52
Land Kraftwerk Anlagentyp Bauform Solarfeld Solar Gesamt Status
Israel SEDC / Rotem CSP Solar Tower ≈
2 MW ≈
2 MW in BetriebÄgypten Kuraymat ISCC Parabolrinnenspiegel 20 MW 150 MW in BetriebAlgerien Hassi
R'Mel ISCC Parabolrinnenspiegel 25 MW 150 MW in BetriebIran Yazd ISCC Parabolrinnenspiegel 17 MW 478 MW in BetriebMarokko Ain Beni
Mathar ISCC Parabolrinnenspiegel 20 MW 472 MW in BetriebVAE Shams CSP+Gas Parabolrinnenspiegel 65 MW 100 MW in BetriebIsrael Ashalim CSP+PV+Gas Solarturmkraftwerk 121 MW 250 MW in BauMarokko Ouarzazate CSP Parabolrinnenspiegel 160 MW 160 MW in BauAlgerien Boughezoul CSP Solarturmkraftwerk 7 MW 7 MW vereinbart
20 MW
17 MW
25 MW
20 MW
65 MW
160 MW
7 MW
121 MW
2 MW
CSP = Concentrated Solar Power •
MENA = Middle East & North Africa
ISCC = Integrated solar combined cycle
•
PV = Photovoltaik •
Status 30. Mai 2013Quellen: www.csp-world.com/cspworldmap
und http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_solar_thermal_power_stations
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201353
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
2013http://globalenergyobservatory.org/constructNetworkIndex.php?tgl=LatKartenausschnitt für Breitengrade 30±9°und
Längengrade 21±39°
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201354
Solare und fossile Dampferzeugung lassen sich verbinden
Hybrid-Kraftwerk
Photos: DESERTEC Foundation
Kuraymat
•
Ägypten
•
20 MW solar •
150 MW gesamt
•
2010Spiegelfläche: 130.000 m²
•
ISCC = Integrated
Solar Combined
Cycle
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201355
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
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201356
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. 159-182 •
978-3-527-33239-7 •
Wiley-VCH
•
Weinheim •
2013
Prototyp Solar-
kessel
fossil gefeuerter
Kessel
Der Solarkessel könnte bei einem konventionellen Kraftwerk erprobt werden*
Kleiner Prototyp für SolarkesselDampfturbine
Kondensator
Überhitzter Dampf
Speisewasser
Tagbetrieb
Tag-
und Nachtbetrieb
Geringe Kosten
Schnelle Realisierung
Brennstoff-
einsparung
* Die Erprobung bei einer fossilen Meerwasser-
entsalzunganlage
wäre ggf. ebenfalls möglich.
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201357
Der Zeitraum für den Bau mehrerer Prototypen lässt sich verkürzen
Entwicklung von Prototypen
Planung Umsetzung ErprobungVorbereitung
1. Prototyp
1. Prototyp
2. Prototyp
3. Prototyp
2. Prototyp 3. Prototyp
Erfahrungen berücksichtigenSchnellere
Umsetzung
Konsekutive Entwicklung
Parallele Entwicklung
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201358
Die Erprobung in kleinen Schritten an fossilen Anlagen hat viele Vorteile
Strategische AspekteNiedrige Kosten für solaren Kraftwerks-Anbau Finanzierung mit Forschungsgeldern denkbar
Entwicklung einer wettbewerbsfähigen und robusten, industriellen CSP Technologie
Brennstoffeinsparung bei fossilen AnlagenEnge Kooperation mit arabischen PartnernPraktische Einbindung aller relevanten Akteure
Streuung von Risiken über mehrere PrototypenGeringes Risiko durch schrittweise Entwicklung Leichtere Handhabung unerwarteter Mehrkosten
Kosten
Zeit
Risiken
Kurze Zeit für Initiierung des ersten PrototypsSchnelle Berücksichtigung von VerbesserungenFlexibilität bezüglich Änderungen der Technik*Schnelle technische Reife für reinen Solarbetrieb
Nutzen
CSP = Concentrated
Solar Power
*
Testergebnisse mit mehrstufigen Receivern könnten z.B. auf ähnliche Receiver mit flüssigem Salz als Wärmeträgermedium übertragen werden.
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201359
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. 1713–1722 •
www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X09001339
59
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201360
Das Konzept für den Solarkessel wird systematisch hergeleitet und erläutert
Veröffentlichung Solarkessel
60
Ulrich Hueck •
DESERTEC Foundation •
An Innovative Concept for Large-Scale Concentrating Solar Thermal Power Plants
in Stolten / Scherer: Transition to Renewable Energy Systems •
pp. 159-182 •
978-3-527-33239-7 •
Wiley-VCH
•
Weinheim •
2013 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527673872.ch10/summary
Dr.-Ing. Ulrich Hueck • VDI Arbeitskreis „Aktuelles Forum Technik“ • München • 11. Juli 201361
DESERTEC-Atlas
www.desertec.org/atlas
•
2011 •
CEP Europäische Verlagsanstalt •
160 Seiten •
ISBN: 978-3-86393-012-7 •
€
19,90 versandkostenfrei
Inhalt
Vorwort
Einleitung
DESERTEC-Konzept
Klima
Energie
Wasser
Soziale Implikationen
Sicherheit, Frieden
und Gerechtigkeit
Ökonomie
DESERTEC-Realisierung
top related