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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

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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 daniel.willert@ise.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE