1
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Solarturm Kraftwerke mit Hochtemperatur- Wärmespeicher
Robert Pitz-PaalSolarforschungInstitut für Technische Thermodynamik
2
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Parabolic Trough Power Tower Dish StirlingSolarkraftwerke
3
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Parabolic Trough Power Tower
Komponenten übertragen MWs an Leistung
Deutsche Industrie gehört zu den führenden Herstellern und Projektentwicklern
Heute 900 GWh pro Jahr
Netzgekoppelt Stromerzeugung
+ potentiell 15 GW bisl 2020bei 5-8 cents/kWh
+ 500 MW bis 2006 bei 12-18 cents/kWh
Source SolarPACES
1 9 8 0 1 9 9 0 2 0 0 0 2 0 1 0 2 0 2 0
So
lar
Ge
ne
ratio
n C
ost
in E
uro
Ce
nts
/kW
h
1 5
2 5
5 0
8
1 0 0
S p a n is hP r e m iu m s2 0 0 0 k W h / m ²
S E G S I I I - V I I
R & DD e m o
G r a n t s
I E A S S P S , C E S A - I
S O L A R O N E
S O L A R T W O
C a l i f o r n iaP r e m iu m s
2 7 0 0 k W h / m ² a
S E G S - IS E G S - I I
S E G S V I I I - I X
G r e e nP r ic i n g
R & D a n dD E M OP h a s e
C a l i f o r n i aS u b s i d i z e d
M a r k e t s
E u r o p e a nS u b s i d i z e d
M a r k e t s
G r e e nP o w e r
M a r k e t s
A n d a S o l 1
A n d a S o l N
S o l a r T r e sP S 1 0 Next
Generation Technology
New Marktet Entry
4
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Steigerung von Erlösen durch thermische Energiespeicher• Pufferspeicher• Abgabe-Management • Erhöhung des
Kapazitätsfaktors• Reduzierter
Teillastbetrieb• Größerer Solaranteil
Energiespeicher sind unbedingt erforderlich für die erfolgreiche Markteinführung solarthermischer KraftwerkeEffiziente Speichertechnologie mit hohe Lebensdauer und niedrigen spezifischen Kosten
=> Verbesserter Wirkungsgrad=> Niedrigere Stromgestehungskosten (LEC) => Reduktion der CO2-Emissionen
ThermischeEnergiespeicher
5
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Thermische Energiespeicher
2000 h
+2000 h
75
80
85
90
95
100
105
0 5 10 15
Storage capacity [full-load hours]
Rela
tive
ele
ctri
city
cos
ts [
%]
no storage, electricity costs =
100%
* assuming specific investment costs for the storage of 10 Euro/kWh
6
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Speicherkonzepte für ParabolrinnenNutzbare Temperaturdifferenz im Speicher nur 100 K 290 °C -> 390°C !Direkte thermische Energiespeicher
Wärmeträgerfluid (WTF) ist auch Speichermedium=> nicht wirtschaftlich (WTF und Druckbehälter zu teuer)
Indirekte thermische EnergiespeicherRegenerator-Systeme: WTF transportiert Energie zu und von einem festen,flüssigen oder latenten Speichermaterial=> Flüssig-Salz 2-Tank Speicher (Übertragung vom Turmkraftwerk aber 3 x so teuer)=> Hybride (latent/sensibel) Wärmespeicher für Wasser/Dampf-
Systemebislang nicht entwickelt=> Feststoffspeicher mit Beton oder Gießkeramik (Projekt WESPE,
BMU)
ThermischeEnergiespeicher
7
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Speicherkonzepte für TurmkraftwerkeNutzbare Temperaturdifferenz im Speicher 300 - 700 K !Salzschmelze als Wärmeträgerfluid und Speichermedium
2-Behälter: Heißspeicher und Kaltspeicher (Realsiert 105 MWh)Nachteile: Teures Speichermedium und eine aufwendige
Begleitheizung ist notwendig
Feststoffschüttung als Speichermedium und Luft als Wärmeträgerfluid1 Behälter mit keramischen Füllkörpern (realisert 3 MWh)Nachteile: Der Druckverlust steigt mit der Speichergröße und es
ist nur eine unvollständige Nutzung des Speichermaterials möglich
ThermischeEnergiespeicher
8
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
PHOEBUS- und Salzsystem
Storage TankCold Salt
Storage TankHot Salt
ConventionalEPGS
Steam Generator
o C565290 o C
»Th erm al S to ra ge
Heliostat Field
Hot Air 680°C
ThermalStorage
Blower BlowerCold Air110°C
Steam Generator
Power Block
Steam65 bar, 460°C
Receiver
Anlagenschema Solar 2 mit 2-Tank Salzspeicher(USA 1996 - 99, 110 MWhth)
Anlagenschema PHOEBUS, Speicher mit einer Schüttung aus Keramikkugeln (Deutschland, Spanien 1992 - 93, 1 MWhth)
9
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Vorteile eines Sandspeichers gegenüber anderen Technologien
billiges Speichermaterial drucklose Speicherung kein Einfrieren des Speichermaterials der Heißspeicher kann zu 100% genutzt werden der Druckverlust des Wärmetauschers und des
Fließbettkühlers ist unabhängig von der Größe des Speichers
der heiße Sand gelangt über ein einfaches Fallrohr in den Heißspeicher und von dort weiter in den Fließbettkühler, es ist keine Förderanlage für dieses heiße Material notwendig
10
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Spezifische Speichermasse, Speichervolumen und Materialkosten
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Sand Sattelkörper Salz Hitec XL Solar Salt
Mas
se in
kg/
MW
h K
oste
n in
€/M
Wh
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
Volu
men
in m
3 /MW
h
Speichermasse Kosten des Speichermaterials Speichervolumen
150°C - 800°C
150°C - 800°C
150°C - 500°C
250°C - 600°C
11
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Anlagenschema des SandsystemsReceiver
KaltspeicherHeißspeicher
Fließbettkühler
Turm
Sand-Luft Wärmetauscher
Turbine
Umgebungsluft
Solarstrahlung vom Heliostatfeld
12
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Receiverbauarten
T
Gas
Eintritt
Austritt
Mat
eria
lFluid
T
Gas
Material
Röhrenreceiver volumetrischer Receiver
Eintritt Austritt
KonzentrierteSolarstrahlung~ 200 kW/m2
KonzentrierteSolarstrahlung~ 1000 kW/m2
13
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Wirbelschicht
• Die Wirbelschicht (Fließbett, Fluidized Bed) liegt strömungsmechanisch zwischen Festbett und Flugstrom
• Intensive Durchmischung des Feststoffs
• Näherungsweise isotherm: Feststofftemperatur gleich Gastemperatur und ortsunabhängig
• Guter Wärmeübergang zwischen Feststoff und Wand/Einbauten
Festbett Wirbelschicht Flugstrom
u0 < umf u0 > utumf < u0 < ut
14
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Schema des FließbettkühlersSandzufuhr
Sandabzug
Fluidisierungsluft
Luftaustritt
Freiraum
Düsenboden
Tauchheizflächen(Rohrbündel)
15
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Verteilung der Kosten für einen 2-Tank Salzspeicher
Tanks18%
Salz-Öl-Wärme-tauscher
26% Salz56%
• 2-Tank Salzspeicher für ein Parabolrinnen-kraftwerk
• Kapazität: 688 MWh
• Material: Solar Salt
• Speichertemperaturen: 295 / 380°C
Daten aus: Pacheco, J.E.; Showalter, S.K.; Kolb, W.J.; Development of a Molten-Salt Thermocline Thermal Storage System for Parabolic Trough Plants, Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 124, May 2002, pp. 153-159
16
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Kostenvergleich Speichermaterial und Behälter
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
rela
tiver
Wer
t
Sand Sattelkörper Salz Hitec XL Solar Salt
Speichervolumen Kosten Speichermaterial Kosten Behälter und Inventar
Temperaturgefälle:Sand: 150 - 800°CSattelkörper: 150 - 800°CHitec XL: 150 - 500°CSolar Salt: 250 - 600°C
17
26.0
4.23
DLR, Solarforschung
Bei dem Kostenvergleich bisher nicht berücksichtigte, wesentliche Bauteile
Sandsystem Feststoff-schüttung
Salzsystem
Dampferzeuger Fließbettkühler Abhitzekessel Salz-DampfWärmetauscher
Transport Sandförderung Heißgasleitung(Turm zum Boden)
Rohrleitungen,Pumpen undVentile
Zusatzaggregate Luft-SandWärmetauscher
Begleitheizung
18
26.0
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DLR, Solarforschung
Zusammenfassung
Thermische Energiespeicher sind wichtig für den Einsatz solarthermischer Kraftwerke im größeren Umfang
Die bisher für Solarturmkraftwerke erprobten Speichersysteme haben Schwächen
Der Sandspeicher bietet ein Potenzial zur Kostenreduktion gegenüber den erprobten Systemen
Weitere Untersuchungen zu Details werden noch durchgeführt
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