Solare Kraft-Wärme-Kopplung mit Prozessdampferzeugung Daniel
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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 © Fraunhofer ISE 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 © Fraunhofer ISE 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 © Fraunhofer ISE Märkte und Potentiale Source: Uni Kassel/Schmitt © Fraunhofer ISE 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 © Fraunhofer ISE 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 5,01 to 10 MW 3% > 10 MW 1% 1,0 to 5,0 0,5 to 1,0 MW MW 43% 53% 96 % (9500 Motoren/Jahr) unter 5 MW Source: Diesel & Gasturbine Worldwide 10/2008 © Fraunhofer ISE Solarthermische Kraftwerke Prinzipieller Aufbau eines solarthermischen Kraftwerks Sekundärkreis mit Thermalöl als Wärmeübertragermedium Tmax=400 °C WärmeKraftmaschine Speicher Dampf Generator Verdampfer Kondensator Pumpe Thermalöl Wasser © Fraunhofer ISE Luft/Wasser Kühlung Kollektorfeld G Solarthermische Kraftwerke Parabolrinnenkraftwerk in Nevada/USA, 354 MWel Source: Schott © Fraunhofer ISE Solarthermische Kraftwerke Prinzipieller Aufbau eines solarthermischen Kraftwerks Direktverdampfung im Absorberrohr Tmax=500 °C WKM Dampftrommel © Fraunhofer ISE Dampfspeicher Kondensator Pumpe Source: Novatec Solar Generator Luft/Wasser Kühlung Kollektorfeld G Solarthermische Kraftwerke Direktverdampfendes Linear-Fresnel Kraftwerk PE1 in Spanien, 1,4 MWel © Fraunhofer ISE 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 © Fraunhofer ISE 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 © Fraunhofer ISE 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 © Fraunhofer ISE Source: Solar Millennium 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 © Fraunhofer ISE Source: Industrial Solar, Novatec Solar 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 © Fraunhofer ISE Source: Voith Thermische Kältemaschinen Perfektes Lastprofil für solar erzeugte Wärme Technik: Sorptionskältemaschinen Beispiel: Absorptionskältemaschine © Fraunhofer ISE Kondensator Austreiber Verdampfer Absorber Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen Möglichkeiten der Auskopplung im Heizkreis WärmeKraftmaschine Speicher Generator G Verdampfer Kondensator Wasser Luft/ Wasser Pumpe Prozessdampf Entnahme von Niedertemperatur-Prozessdampf © Fraunhofer ISE Kühlung Kollektorfeld Dampf Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen Möglichkeiten der Auskopplung im Kühlkreis Speicher Kältemaschine WKM T=50-100°C G Verdampfer Generator Kondensator Wasser Pumpe Luft/ Wasser Prozessdampf Nutzung der Kondensationswärme © Fraunhofer ISE Kühlung Kollektorfeld Dampf Auskopplung von Wärme in solarthermischen Anlagen Möglichkeiten der Auskopplung im Arbeitskreis Speicher WKM Dampf Generator HD ND G HT Prozessdampf Luft/Wasser Wasser Pumpe NT Prozessdampf el. Wirkungsgrad/Turbinenleistung sinkt Auskopplung von Hochtemperatur Prozessdampf © Fraunhofer ISE Kühlung Kollektorfeld T=50-100°C 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 © Fraunhofer ISE 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 Meerwasserentsalzungseinheiten Untersuchung verschiedener Komponenten hinsichtlich solarthermischer Eignung Ausarbeitung verschiedener Regelregime zur Automatisierung © Fraunhofer ISE © Fraunhofer ISE 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 © Fraunhofer ISE Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Daniel Willert www.ise.fraunhofer.de [email protected] © Fraunhofer ISE
