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Solare Energiesysteme im Sonnengürtel: Neue Entwicklungen
Bernhard Hoffschmidt
AKE, 21.03.2019
Bad Honnef
Inhalt
• CSP Technologie
• Kosten- und Marktentwicklung
• CSP 4.0
• Hochtemperaturpartikelreceiver
• Hybridkraftwerke
• Wärmespeicherkraftwerke
Inhalt
• CSP Technologie• Kosten- und Marktentwicklung
• CSP 4.0
• Hochtemperaturpartikelreceiver
• Hybridkraftwerke
• Wärmespeicherkraftwerke
Kommerzieller Markt seit 2007 Heute weltweit mehr als 90 Kraftwerke mit 5 GW an Leistung
Große thermische Speicher in solarthermischen Kraftwerken entwickelt und erprobt
DLR.de • Chart 4
Thermal Storage vs. Electric Storage
CSP with thermal storage and fossil back provides reliable dispatchable power
at no additional cost
2000 h
+2000 h
>95 %
= 75%
200 h
Firm capacity
DLR.de • Chart 5
Inhalt
• CSP Technologie
• Kosten- und Marktentwicklung• CSP 4.0
• Hochtemperaturpartikelreceiver
• Hybridkraftwerke
• Wärmespeicherkraftwerke
CSP PPA Sales Price
Source: IA Tech GmbH
DLR.de • Chart 7
CSP Market
Source: IA Tech GmbH
DLR.de • Chart 8
Inhalt
• CSP Technologie
• Kosten- und Marktentwicklung
• CSP 4.0• Hochtemperaturpartikelreceiver
• Hybridkraftwerke
• Wärmespeicherkraftwerke
Vision: autonomer, voll automatisierter und optimierter Betrieb
Controllroom
GST
Plant
HTSQ.
Pe.
.
Heliostat
Receiver
Power
Tower
Energy
Data
Controller
Q
Process Heat Consumer
DLR.de • Chart 10
Solarthermische Kraftwerke sind komplexe Systeme
110 MW
10 h Speicher
> 10.000 Heliostate á 115 m²
Turmhöhe 195 m
500 GWhe Jahresproduktion
(entspricht ca. 200 MW PV)
Crescent Dunes Solar Energy Project (Tonopah)
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
10
/15
11
/15
12
/15
01
/16
02
/16
03
/16
04
/16
05
/16
06
/16
07
/16
08
/16
09
/16
10
/16
11
/16
12
/16
01
/17
02
/17
03
/17
04
/17
05
/17
06
/17
07
/17
08
/17
09
/17
10
/17
11
/17
12
/17
MW
h
CSP Plant CRESCENT DUNES monthly generation
Crescent Dunes Solar Energy Cum
DLR.de • Chart 11
Herausforderung: Regelung der Strahlungsflussverteilung
?
Optische Effizienz Betriebssicherheit
?Das Problem ist komplex• hoher Freiheitsgrad • Größe und Form der Heliostatbrennflecken unterschiedlich • zeitlich variable• endliche Nachführgenauigkeit
DLR.de • Chart 12
Stand der Technik
Gemessene und simulierte Strahlungsflussverteilung eines einzelnen Heliostaten
gemessenSimulation basiert auf statistischen Fehlerannahmen
Geringe Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung
DLR.de • Chart 13
Berücksichtigung der Reflektorform mittels Deflektometrie
Automatisches Deflektometrie Messsystem
Jülich2014/15
• Automatische Auswahl der Heliostaten
• Automatische Messung und Auswertung
• Messintervall: ~60sec./hel.
DLR.de • Chart 14
Validierung durch Vergleich von Messung und Simulation
Messung Simulation
DLR.de • Chart 15
Modulnummer horizontal
Mod
ulnu
mm
er v
ertik
al
1 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1
6
12
18
24
30
36
100kW
300kW
500kW
700kW
900kW
1100kW
Zielpunkt Optimierung @ Solar Tower Jülich
Referenz Fall
Erfahrung des Operators
Leistung = 100%
Intercept Optimierung
Power Output 111.31 %
Modulnummer horizontal
Mod
ulnu
mm
er v
ertik
al
1 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1
6
12
18
24
30
36
100kW
300kW
500kW
700kW
900kW
1100kW
DLR.de • Chart 16
Messung der Strahlungsflussdichte auf einem großen Receiver
• Große Receiver ohne Target, das durch den Strahlengang gefahren wird.
• Strahlungsflussmessung auf Receiveroberfläche bislang sehr ungenau
• Neues Verfahren mit Genauigkeit < 8%
DLR.de • Chart 17
STRAL®
Was passiert bei Wolkendurchgängen?
DLR.de • Chart 18
Time ��
����
�
ℎ
����
Time ��ℎ =
�(�� − ��)
cot �� − cot ��
Bestimmung von Heliostatfeldverschattungen mittels Wolkenkameras
Cloud height can be derived if vpixel/s and vm/s are known
DLR.de • Chart 19
Orthoimage(5m per pixel)
Schattenkamerabild (4 pro Minute)
Standard Überwachungskamera
Schattenkamerasysteme zur Validierung der Wolkenmodelle
DLR.de • Chart 20
QFly – Drohnen sind ein Schlüssel zur schnellen Analyse großer Solarfelder
50 MW PTC solar field (Andasol I)QFly UAV
QFly – Überflug einer ParabolrinneRaw Data
DLR.de • Chart 22
MessprinzipVerzerrter Reflex des Absorberrohrs erlaubt Bestimmung von Formfehlern
Slide 23 www.dlr.de/enerMENA> 21. Kölner Sonnenkolloquium > Pitz-Paal/Hoffschmidt > 4. Juli 2018
DLR.de • Chart 23
Evaluation
•Correction of lens distortion
•Image rectification
•Image treatment
•Edge detection
•Input of geometrical set-up
•Calculation of slope errors
Slide 24 www.dlr.de/enerMENA> 21. Kölner Sonnenkolloquium > Pitz-Paal/Hoffschmidt > 4. Juli 2018
DLR.de • Chart 24
Inhalt
• CSP Technologie
• Kosten- und Marktentwicklung
• CSP 4.0
• Hochtemperaturpartikelreceiver• Hybridkraftwerke
• Wärmespeicherkraftwerke
Advanced SaltTmax > 600°C
ParticlesTmax > 900°C
Liquid MetalTmax > 800°C
Challenges and Objectives
• High Concentration + High Temperature
= High Efficiency = Low Cost
• Advanced heat transfer media needed for:
High temperature operation
Efficient storage integration
Break todays temperature limit
of 400°C (trough) / 560°C (tower)
Risk
Silicon OilTmax = 480°C
AirTmax > 700°C
Third party funding Helmholtz Funding
DLR.de • Chart 26
• CentRec® system concept and performance modelling
• Particle flow: theory, model, experiments
• Design of 500 kW receiver
• First results from 500 kW receiver test
Infrastructure:
Solar receiver test platform
@Juelich Solar Power Tower
Can ceramic particles be used as efficient heat transfer media at
T >650°C to achieve ηsys >20%?
Can ceramic particles be used as efficient heat transfer media at
T >650°C to achieve ηsys >20%? Research Question 1 Research Question 1
DLR.de • Chart 27
Result: Concept of Particle Receiver
Bauxite particles
• Cheap (500 – 1000 €/t)
• Stable >1000°C
• Direct absorption
• Direct storage
• Low cost to move
• Residence time controlled by rotational speed• Cylinder walls isolated by particle layer
CentRec® rotating receiver concept
DLR.de • Chart 28
Results: Particle Receiver – detailed modelling
+ 15 % Output
DLR.de • Chart 29
Surface roughness
Results: How to achieve Homogeneous Particle Flow
• One- or two-phase flow depending on layer
thickness
• Avalanches below critical mass flow
• Flow characteristics depend on
Mass flow,
Surface roughness,
Particle diameter and roughness
Inclination angle
• No models available in literature to predict
flow conditions
DLR.de • Chart 30
Results:500 kW Receiver Design and Testing
Risk of “avalanches” avoided by design:
• Thin particle film regime (1-phase flow)
• Profiled wall surface structure
• Periodic modulation of rotation speed
Integration into Juelich Solar Tower: 05/2017
• Begin of solar testing: 24/09/2017
• Test campaign 2018 : 60 hours of solar operation
• Maximum particle exit temperature: 965°C
DLR.de • Chart 31
DLR.de • Chart 32
Outlook
Particle Receiver Concept
• Industrial interest attracted:• Development of all critical components• 1MWth complete system test starting 2020 @Juelich Solar Tower• Partner: German industry consortium and DLR spin-off company
• IEA SolarPACES: working group established to benchmark technology
Particle Receiver Concept
• Industrial interest attracted:• Development of all critical components• 1MWth complete system test starting 2020 @Juelich Solar Tower• Partner: German industry consortium and DLR spin-off company
• IEA SolarPACES: working group established to benchmark technology
• Longer term: Chemically active particles for thermochemical solar fuels production
• Longer term: Chemically active particles for thermochemical solar fuels production
DLR.de • Chart 33
Inhalt
• CSP Technologie
• Kosten- und Marktentwicklung
• CSP 4.0
• Hochtemperaturpartikelreceiver
• Hybridkraftwerke• Wärmespeicherkraftwerke
NREL | 35
Hybride erneuerbare Systeme ermöglichen einen kostengünstigen und flexiblen Betrieb
Concentrating solar power (CSP) PV plus battery
Image © NREL / Al Hicks
DLR.de • Chart 35
NREL | 36
DLR.de • Chart 36
NREL | 37
DLR.de • Chart 37
NREL | 38
Hybridtechnologie kann Energieerzeugungskosten senken
• Eine kürzlich von NREL und der Colorado School of Minesdurchgeführte Analyse zeigte eine vielversprechende Verbesserung der Kosten und der Leistung für einen Standort im Norden Chiles
• Wann sind Hybridanlagen sinnvoll?• Wenn Kapazität und Zuverlässigkeit wichtig sind und
diese vergütet werden• Wenn sowohl die Tages- als auch die Nachtproduktion
wertvoll sind
• Wann sind Hybriden nicht sinnvoll?• Wenn der Zeitpunkt oder die Konsistenz der Produktion
nicht wichtig ist
• Hybridanlagen erfordern Methoden zur Optimierung des Zeitpunkts der Energieerzeugung aus jedem Teilsystem
10094,9
51,3
72,969,2
85,1
PPA PRI C E ( U S $ / M WH)
L C O E ( U S $ / M WH) C A PA C I T Y F A C T O R ( % )
CSP only Hybrid
DLR.de • Chart 38
Inhalt
• CSP Technologie
• Kosten- und Marktentwicklung
• CSP 4.0
• Hochtemperaturpartikelreceiver
• Hybridkraftwerke
• Wärmespeicherkraftwerke
CSP Kraftwerk
2000 h
+2000 h
>95 %
= 75%
200 h
Firm capacity
DLR.de • Chart 40
Wärmespeicherkraftwerk der 1. Stufe (40 % Wirkungsgrad)
Wärmespeicherkraftwerke liefern mit geringer fossiler Zufeuerung die notwendige Versorgungssicherheit
>4000 h
>95 %
XX h
Gesicherte Versorgung
41
DLR.de • Folie 41
Wärmespeicherkraftwerk der 2. Stufe (70 % Wirkungsgrad)
>4000 h
>95 %
XX h
Gesicherte Versorgung
42
M
DLR.de • Folie 42
Wärmespeicherkraftwerke liefern mit geringer fossiler Zufeuerung die notwendige Versorgungssicherheit
DLR.de • Folie 43
Pilotanlage in einem der RWE Kohlekraftwerke (Reallabor)
ErneuerbareStromerzeugung
(Wind, PV, ...)
Vorhandenes Kraftwerk der RWE
Neu zu errichtende Wärmespeicheranlage mit Dampferzeuger
heißerSalztank
kalterSalztank
Pumpe
Pumpe
ElektrischerErhitzer
KohlebefeuerterDampferzeuger
Kohle
Konden-sator
Kühlturm
Dampfturbinemit GeneratorG
Speisewasser-pumpe
Überschussstromaus Kraftwerk
Rauch-gas
mit Flüssigsalzbeheizter Dampf-erzeuger
Dampf-erzeuger
G
Speisewasser
Frischdampf Turbine und Generator
DLR.de • Chart 44
Wärmespeicherkraftwerke (WSK) nehmen Variable Regenerative Elektrizität (VRE) aus dem Netz und liefern Dargebots-unabhängige Regenerative Elektrizität (DRE) in das Netz
Speise-wasser-pumpe
DRE
KondensatorElektro-heizer
HeißerTank
Kalter Tank
Entlade-Pumpe
Lade-Pumpe
OptionalZufeuerung
VRE
DLR.de • Chart 45
Beispiel: Photovoltaikstrom deckt Grundlastbedarf
Variable Regenerative Elektrizität
Dargebots-unabhängigeRegenerativeElektrizität
direkte Nutzung so weit möglich
PV
Le
istu
ng
Strom in WärmeWärme (und Brennstoff) in Strom nach Bedarf
Wärmespeicherkraftwerk
Zeit
DLR.de • Chart 46
Herzlichen Dank für ihre Aufmerksamkeit!