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Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal.

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1 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal Power and Water from Sun and Sea

2 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 2 Warum solarthermische Meerwasserentsalzung? Großer Bedarf an Trinkwasser und Strom geht meist einher mit großem Angebot an Meerwasser und Sonne –Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung sind oft auch von Trockenheit betroffen –Ballungsräume mit hohem Bedarf an Wasser und Strom liegen oft in Küstennähe Die Versorgung mit den (lebens-)wichtigen Gütern Wasser und Strom kann dort in Zukunft unabhängig von steigenden Rohstoffpreisen und klimaneutral sichergestellt werden.

3 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 3 3 Fragen über ein erstes solarthermisches Kraftwerk zur kombinierten Erzeugung von Wasser und Strom: 1.Was kostet solarthermische Koerzeugung heute in einem kleinen (<5MW) Pilotkraftwerk? 2.Welches Entsalzungsverfahren sollte gewählt werden? 3.Ist die Kombination mit Meerwasserentsalzung hilfreich oder hinderlich bei der Markteinführung solarthermischer Kraftwerke?

4 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 4 Gliederung des Vortrages Einführung in die Verfahren der Meerwasserentsalzung –Welche? –Wie funktionieren sie? –Gesamtprozess? Vorausetzungen für einen Vergleich der Verfahren –Schnittstelle des Wärme-Kraft- und des Trennprozesses –Skalierung Ergebnisse als Antworten auf die zuvor aufgeworfenen Fragen –Auswertung des Vergleichs der Entsalzungsverfahren –Kosten –Vor- und Nachteile für die Einführung von CSP Zusammenfassung A B C D

5 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 5 Geeignete Entsalzungsverfahren Führende Verfahren bei kleinen Kapazitäten (bis 10.000 m³/d): 1.Multi-Effekt- Verdampfung, MEE (thermisch) 2.Umkehrosmose, RO (mechanisch) z.B.: Phasengrenze (bei MEE) oder Membran (bei RO) A

6 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 6 Trennprinzip thermischer Entsalzung Entsalzungsenergie über Siedepunktserhöhung: 0,7 kWh/m³ bei 35g salz /kg wasser A

7 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 7 Trennprinzip mechanischer Entsalzung Entsalzungsenergie über osmotischen Druck: 0,7 kWh/m³ bei 35g salz /kg wasser A

8 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 8 Multieffektentsalzung A

9 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 9 Umkehrosmose mit Energierückgewinnung A

10 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 10 Gesamtprozess A

11 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 11 13% bei T s =75°C Leistungsverlust durch Kraft-Wärme-Kopplung bei konstantem Primärenergieeintrag von 10MW ( (T s =35°C)= 41,8%) 17% bei T s =75°C B

12 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 12 Quantifizierung der Synergien Die Kostenschätzungen für MEE- und RO-Anlagen betragen jeweils rund 1000 $/(m³/d) für Anlagen Kapazitäten von 10 000 m³/d Investition MEE = Effekte + Wasserfassung (Feed + Kühlwasser) + Kondensator Investition RO = RO + PT + Wasserfassung (Feed + Kühlwasser) + Kondensator In den Kostenschätzungen für MEE enthalten In den Kostenschätzungen für RO enthalten B Die Investitionssumme einer Umkehrosmoseanlage ist um die Kosten für die Kraftwerkskühlung höher als die Investitionssumme der Multi-Effekt-Anlage. Der Unterhalt dieser Komponenten muss ebenfalls addiert werden.

13 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 13 Berechnungsalgorithmus der spezifischen Wassergestehungskosten B 4,8-5,6 kWh/m³ 4,1-4,4 kWh/m³ 3,9-4,6 kWh/m³ 3,2-3,4 kWh/m³ B

14 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 14 Die ausgewerteten Beispielstandorte C

15 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 15 Kosten der kombinierten Anlage mit ~3,4 MW und ~3000-3500 m³/d C

16 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 16 Wirkungsgrade von MEE und RO im wirtschaftlichen Optimum C

17 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 17 Wassergestehungskosten [$/m³] C

18 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 18 Vor- und Nachteile kombinierter Wasserentsalzung für die Markteinführung von CSP + Der Unterschied zwischen solar- und konvetionell erzeugten Wasserpreisen ist geringer als bei Strompreisen - Die absolute Investitionssumme der Kombianlage ist ca. 50% größer als für das solarthermische Kraftwerk allein + Risikodiversifikation durch Verkauf eines zweiten Produktes + In Regionen, in denen die Strompreise nicht kostendeckend sind, kann eine Kombianlage ggf. durch den Wassererlös finanzierbar sein - Das technische Projektrisiko ist größer aufgrund der technischen Kopplung mehrerer Prozesse C

19 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 19 Erweiterung des wirtschaftlichen Einsatzbereiches bei Kombination mit MEE water price [$/m³] CSP MEE CSP, CSP-COGEN CSP, CSP-COGEN, MEE CSP-COGEN, MEE CSP-COGEN C MEE MEE-cogen Stromverkauf subventioniert Wasserverkauf

20 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 20 Erweiterung des wirtschaftlichen Einsatzbereiches bei Kombination mit RO RO RO-stand-alone RO-cogen C

21 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 21 Zusammenfassung 1.Was kostet solarthermische Koerzeugung (<5MW) heute? –Eine Anlage kostet ~16 Mio $ (je ~1/3 für MWE, Solarfeld und Kraftwerk). –Die Wassergestehungskosten liegen zwischen 0,80 und 1,90 $/m³ bei 7% Verzinsung. Es gibt Regionen, in denen Wasserpreise bis 2 $/m³ gezahlt werden. 2.Welches Verfahren sollte gewählt werden? –Die Synergien zwischen dem Wärme-Kraft-Prozess solarthermischer Kraftwerke und dem thermischen Entsalzungsverfahren sind so groß, dass sich die MEE an allen untersuchten Standorten als das günstigere Verfahren erweist. 3.Ist Wasserentsalzung Hilfe oder Hindernis bei der Einführung von CSP? –Die Kombination mit Meerwasserentsalzung bringt zahlreiche Vorteile für die Markteinführung solarthermischer Kraftwerke, vor allem durch Herstellung und Verkauf eines zusätzlichen Produktes (1.Strom, 2.Wasser). D

22 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal Power and Water from Sun and Sea Vielen Dank!

23 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 23 Energiewandlungen im Gesamtprozess mit MEE A

24 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 24 Energiewandlungen im Gesamtprozess mit RO A

25 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 25 Basis für den Vergleich Assumptions Impact on… 1)Optimisation of each technology for each specific plant location is obligatory Computing procedure 2)The optimisation is carried out for the economically isolated but technically colocated desalination plant Model and computing procedure 3)The steam is charged according to the loss of electrical power caused by the condensing temperature being higher than in a reference plant at the same site. A suitable power plant model is needed. Additional technical power plant model 4)Both desalination plants have to provide the solar thermal power plant with equal service. Thus cooling facilities must be added to the RO plant. Extension of technical and economical RO-model by a cooling model 5)The absolute values of the freshwater output need to match to meet the same water demand. Computing procedure 6)The power to water ratio must be identical for both plants. With the previous point equal absolute values of the electricity output of both plants follow. Computing procedure B

26 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 26 Stromverbrauch abhängig von der Prozesskonfiguration

27 Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal 27 Kosten der Entsalzungsanlagen


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