Solarturm Kraftwerke mit Hochtemperatur- Wärmespeicher Robert Pitz-Paal Solarforschung Institut für Technische Thermodynamik 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Solarkraftwerke Parabolic Trough Power Tower Dish Stirling Parabolic trough collectors, poweer towers and parabolic dish system are concnetrating solar systems for power production Other than PV systems, they concentrate the sun-light and convert it to heat which is used instead heat from fuel burning to a coneventional power cycel This programm topic focusses only on the first two, becaus they are best suited for low-cost bulk power production 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Netzgekoppelt Stromerzeugung + 500 MW bis 2006 bei 12-18 cents/kWh Source SolarPACES Heute 900 GWh pro Jahr Parabolic Trough Power Tower Next Generation Technology New Marktet Entry Netzgekoppelt Stromerzeugung Komponenten übertragen MWs an Leistung + potentiell 15 GW bisl 2020 bei 5-8 cents/kWh These systems consits of single collector units of several 100 sqm of unit and of units of several sqm of high temperture receiver , they transfer Megawatts of power - a constraints which needs the background of large scale research center rathe rthan a university to handle such a developmemt task Today 900 GHW of electrity are feed into the grid every year from the nine commercial power plants in california errected their in the late eighties,According to the Iea statistics this is even today 4 times more electricity that all PV systems on the world feed into the grid. However the first California sucess teh depolyment of the technology cam to ahlt due to decreasing fuel prices and incnetives, so that since than no further power palnt has been built. Now we facxe a new window of opportunity. New incentives in in varies countires like spain, the US , or the wolrd bnakk ahs brought nthe boundary conditions dor a variety ofeconomically sound oopportunities, so that at least 500 w OD ADDITIONAL CAPACITY Aare expected until 06 This is potentiall only the beginning of a further spread of the technology with could at reasonable groth rates provide 15 GW of capacity until 2020 at very competetive prices While the currrent systems are implemented at tmoment at a price level of 15 cents/kWh the next generation technology has to be developed to facilityte the markete entry in broader green pricing market German companies are amaong leading suppliers and developers, backing their R&D needs on the support of Germans only reseach center working on CSP, the DLR Deutsche Industrie gehört zu den führenden Herstellern und Projektentwicklern 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Steigerung von Erlösen durch thermische Energiespeicher Pufferspeicher Abgabe-Management Erhöhung des Kapazitätsfaktors Reduzierter Teillastbetrieb Größerer Solaranteil => Verbesserter Wirkungsgrad => Niedrigere Stromgestehungskosten (LEC) => Reduktion der CO2-Emissionen Pufferspeicher => glättung von Strahlungsschwankungen Abgabe-Management >= Verschiebung der Stromerzeugung in Perioden mit höheren Strompreisen bzw. in Perioden ohne Einstrahlung Kapazitätsfaktor = erzeugte elektr. Energie/theoretisch mögliche (=Nennleistung mal jahresstundenzahl) Energiespeicher sind unbedingt erforderlich für die erfolgreiche Markteinführung solarthermischer Kraftwerke Effiziente Speichertechnologie mit hohe Lebensdauer und niedrigen spezifischen Kosten 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Thermische Energiespeicher 75 80 85 90 95 100 105 5 10 15 Storage capacity [full-load hours] Relative electricity costs [%] no storage, electricity costs = 100% * assuming specific investment costs for the storage of 10 Euro/kWh +2000 h 2000 h 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Speicherkonzepte für Parabolrinnen Thermische Energiespeicher Speicherkonzepte für Parabolrinnen Nutzbare 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 Energiespeicher Regenerator-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-Systeme bislang nicht entwickelt => Feststoffspeicher mit Beton oder Gießkeramik (Projekt WESPE, BMU) Direkte: 1-Tank thermocline Speicher (geschichtet) 2-Tank -System heiß/kalt nicht wirtschaftlich bei Rinne, wegen Druck bei Turm ist WTF drucklos indirekt: PCM chemisch (reaktionsenthalpie) fest =>sensible flüssig => sensible Wärme (Salzschmelze) 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Speicherkonzepte für Turmkraftwerke Thermische Energiespeicher Speicherkonzepte für Turmkraftwerke Nutzbare 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 Wärmeträgerfluid 1 Behälter mit keramischen Füllkörpern (realisert 3 MWh) Nachteile: Der Druckverlust steigt mit der Speichergröße und es ist nur eine unvollständige Nutzung des Speichermaterials möglich Direkte: 1-Tank thermocline Speicher (geschichtet) 2-Tank -System heiß/kalt nicht wirtschaftlich bei Rinne, wegen Druck bei Turm ist WTF drucklos indirekt: PCM chemisch (reaktionsenthalpie) fest =>sensible flüssig => sensible Wärme (Salzschmelze) 16.04.2017 DLR, Solarforschung

PHOEBUS- und Salzsystem 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) 16.04.2017 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 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Spezifische Speichermasse, Speichervolumen und Materialkosten 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Anlagenschema des Sandsystems 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Receiverbauarten 16.04.2017 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 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Schema des Fließbettkühlers 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Verteilung der Kosten für einen 2-Tank Salzspeicher 2-Tank Salzspeicher für ein Parabolrinnen-kraftwerk Kapazität: 688 MWh Material: Solar Salt Speichertemperaturen: 295 / 380°C 16.04.2017 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 DLR, Solarforschung

Kostenvergleich Speichermaterial und Behälter 16.04.2017 DLR, Solarforschung

Bei dem Kostenvergleich bisher nicht berücksichtigte, wesentliche Bauteile 16.04.2017 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 16.04.2017 DLR, Solarforschung