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© Fraunhofer ISE
Solare Kraft-Wärme-Kopplung mit
Prozessdampferzeugung
Daniel Willert Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme ISE Abteilung: Solarthermie und Optik Solartagung Birkenfeld, 22.09.11 www.ise.fraunhofer.de
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Agenda
Solare KWK
Märkte und Potentiale
Solarthermische Kraftwerke
Solare Konzentratorsysteme
Potentielle Wärmekraftmaschinen < 1 MW
Thermische Kältemaschinen
Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen
Solar-Polygeneration-Labor Fraunhofer ISE
Zusammenfassung
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Solare KWK
Solarthermische Stromerzeugung mit Auskopplung von Wärme
Verfahren: konventioneller Dampfkraftprozess
Wärmequelle: Konzentrierende Kollektoren
Stromerzeugung: diverse Dampfmotoren < 1 MW < Dampfturbinen
Auskopplung von Wärme für zivile und industrielle Prozesse
Source: RWE Innogy, DLR, Siemens Energy, Voith
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Märkte und Potentiale
Source: Uni Kassel/Schmitt
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Märkte und Potentiale
Industry Sector Process Temperature level [C]
Food and Drinks Drying
Washing
Pasteurising
Cooking
Sterilising
Heat Treatment
30 - 90
40 – 80
80 –110
95 – 105
140 – 150
40 – 60
Textile Washing
Bleaching
Dying
40 – 80
60 – 100
100 – 160
Chemistry Cooking
Destilling
various chem. Processes
95 –105
110 – 300
120 -180
All Sectors Feedwater pre-heating
Space Heating
30 – 100
30 – 80
Source: AEE Intec
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Märkte und Potentiale
Potential für dezentrale solare Stromerzeugung im kleinen und
mittleren Leistungsbereich
Bestellte Dieselgeneratoren für Dauerbetrieb (weltweit):
Stromkosten bei 0,8 €/Liter Diesel
liegen bei 0,3 €/kWh
Source: Diesel & Gasturbine Worldwide 10/2008
96 % (9500 Motoren/Jahr) unter 5 MW
0,5 to 1,0 MW 53%
1,0 to 5,0 MW 43%
5,01 to 10 MW 3%
> 10 MW 1%
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Solarthermische Kraftwerke
Prinzipieller Aufbau eines solarthermischen Kraftwerks
Sekundärkreis mit Thermalöl als Wärmeübertragermedium
Tmax=400 °C
Pumpe Kolle
kto
rfeld
Kondensator
Wärme-
Kraftmaschine
Verdampfer
Dampf
Thermalöl
Speicher
Kühlu
ng
G Generator
Luft/Wasser
Wasser
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Solarthermische Kraftwerke
Parabolrinnenkraftwerk in Nevada/USA, 354 MWel
Source: Schott
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Solarthermische Kraftwerke
Prinzipieller Aufbau eines solarthermischen Kraftwerks
Direktverdampfung im Absorberrohr
Tmax=500 °C
Pumpe
Kolle
kto
rfeld
Kondensator
WKM Dampf-
trommel
Dampfspeicher
G
Generator
Kühlu
ng
Luft/Wasser
Source: Novatec Solar
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Solarthermische Kraftwerke
Direktverdampfendes Linear-Fresnel Kraftwerk PE1 in Spanien, 1,4 MWel
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Solare Konzentratorsysteme
Punktfokussierende Kollektoren
Paraboloid / Dish-Stirling Anlage
Leistung 5-50 kWel
Temperatur: 400-1200 °C
Betrieb eines Heißluftmotors
Bereitstellung von Prozesswärme
2-Achsige Nachführung
+ Temperatur
+ kleine, netzferne Systeme
Positioniergenauigkeit
Source:Sandia
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Solare Konzentratorsysteme
Punktfokussierende Kollektoren
Turmkraftwerk
Leistung 1-20 MWel
Temperatur: bis 1200 °C
Betrieb einer Dampf-/Gasturbine
2-achsige Nachführung der Heliostaten
+ Wirkungsgrad
– Handhabbarkeit der Temperaturen
– Aufwendige Nachführung
Source:Sandia
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Solare Konzentratorsysteme
Linienfokussierende Kollektoren
Parabolrinnen Kollektor
Leistung 0,1- 500 MWel
Temperatur: 80-400 °C
Betrieb einer Turbine
Erzeugung von Prozessdampf
1-achsige Nachführung
+ Technik seit 1984 zuverlässig im Einsatz
+ Erprobte Langzeitspeicher für Thermalöl
– Kosten der Spiegel
Source: Solar Millennium
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Solare Konzentratorsysteme
Linienfokussierende Kollektoren
Linear-Fresnel Kollektor
Leistung 0,1 - 30 MWel
Temperatur: 80-300 °C
Betrieb einer Dampfturbine/-motor
Erzeugung von Prozessdampf
1-achsige Nachführung der Spiegel
+ Direktverdampfung spart Sekundärkreis
+ Ebene Spiegel
– Fehlender thermischer Langzeitspeicher
Source: Industrial Solar, Novatec Solar
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Potentielle Wärmekraftmaschinen < 1MW
Hubkolbendampfmaschine
Schraubenexpansionsmaschine
+ Hoher Wirkungsgrad in Teillast
+ Kompakte Bauweise
Kosten für moderne Maschinen(>1000€/kW)
Verfügbarkeit
Problem der Ölschmierung
Herausforderungen:
• Günstige Serienproduktion
• Ölfreier Lauf
Source: Voith
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Thermische Kältemaschinen
Perfektes Lastprofil für solar erzeugte Wärme
Technik: Sorptionskältemaschinen
Beispiel: Absorptionskältemaschine
Kondensator Austreiber
Verdampfer Absorber
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Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen
Möglichkeiten der Auskopplung im Heizkreis
Entnahme von Niedertemperatur-Prozessdampf
Pumpe
Kolle
kto
rfeld
Kondensator
Wärme-
Kraftmaschine
Verdampfer
Dampf
Speicher
Küh
lung
G Generator
Luft/
Wasser Wasser
Prozessdampf
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Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen
Möglichkeiten der Auskopplung im Kühlkreis
Nutzung der Kondensationswärme
Pumpe
Kolle
kto
rfeld
Kondensator
WKM
Verdampfer
Dampf
Speicher
Kühlu
ng
G Generator
Luft/
Wasser Wasser
Prozessdampf
T=50-100°C
Kältemaschine
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Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen
Möglichkeiten der Auskopplung im Arbeitskreis
el. Wirkungsgrad/Turbinenleistung sinkt
Auskopplung von Hochtemperatur Prozessdampf
Pumpe
Kolle
kto
rfeld
WKM Dampf Speicher
Kühlu
ng
G
Generator
Luft/Wasser Wasser
NT Prozessdampf
T=50-100°C
HT Prozessdampf HD ND
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Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen
Studie am Fraunhofer ISE (Medifres) zeigt Wirtschaftlichkeit solarer KWK
Solare Erzeugung von Elektrizität, Wärme, Kälte und Trinkwasser möglich
Optimale Verschaltung beeinflusst von:
Budget
Standort der Anlage
Dimensionierung der Anlage
Kosten und Verfügbarkeit der Komponenten
Bedarf an Elektrizität und Wärme
Förderungen (feedin tarif)
Individuelle Simulationen zu Wirkungsgrad und Stromgestehungskosten
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Solar-Polygeneration-Labor Fraunhofer ISE
Tests mit:
Kollektor-Simulator
250 kW thermisch
Thermoöl bis 350°C
Dampf bis 300°C, 30 bar
Dynamische Tests von:
Expansionsmaschinen
Thermischen Speichern
Kältemaschinen
Meerwasserentsalzungs-
einheiten
Untersuchung verschiedener Komponenten hinsichtlich solarthermischer
Eignung
Ausarbeitung verschiedener Regelregime zur Automatisierung
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Zusammenfassung
Großer Markt für solar erzeugte Elektrizität und Wärme
Dezentrale Lösungen unter gewissen Randbedingungen attraktiv
Hoher Entwicklungsstand bei konzentrierenden Kollektoren
Solarthermische KWK wirtschaftlich interessant
Nur wenige Hersteller für Expansionsmaschinen < 1MW
Teststand am Fraunhofer ISE kann Komponenten für dynamisches
Kollektorverhalten qualifizieren
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Daniel Willert www.ise.fraunhofer.de [email protected]
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE