59
UNIVERSITEIT GENT FACULTEIT ECONOMIE EN BEDRIJFSKUNDE ACADEMIEJAAR 2008 – 2009 Defining the technoeconomic optimal configuration of hybrid solar plants Masterproef voorgedragen tot het bekomen van de graad van Master in de Bedrijfseconomie Bosschem Siemon Debacker Alice onder leiding van Prof. Johan Albrecht

UNIVERSITEIT GENT - UGent

  • Upload
    others

  • View
    13

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: UNIVERSITEIT GENT - UGent

    

     

 UNIVERSITEIT GENT 

   

FACULTEIT ECONOMIE EN BEDRIJFSKUNDE   

ACADEMIEJAAR 2008 – 2009     

  

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants 

   

Masterproef voorgedragen tot het bekomen van de graad van Master in de Bedrijfseconomie 

      

Bosschem Siemon Debacker Alice 

 onder leiding van 

Prof. Johan Albrecht 

Page 2: UNIVERSITEIT GENT - UGent

   

Page 3: UNIVERSITEIT GENT - UGent

     

UNIVERSITEIT GENT    

FACULTEIT ECONOMIE EN BEDRIJFSKUNDE   

ACADEMIEJAAR 2008 – 2009     

  

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants 

   

Masterproef voorgedragen tot het bekomen van de graad van Master in de Bedrijfseconomie 

      

Bosschem Siemon Debacker Alice 

 onder leiding van 

Prof. Johan Albrecht      

Page 4: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  IV  

PERMISSION 

The undersigned certifies that the contents of this master thesis can be consulted and/or reproduced, 

if source acknowledged. 

 

Bosschem Siemon & Alice Debacker 

   

Page 5: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  V  

FOREWORD 

We want  to  thank  several people without whom we would not have been  able  to  complete  this 

project so smoothly. 

 

First of all, we would like to thank our supervisor, Prof Johan Albrecht for the time and advice he has 

given us.  

We  also want  to  thank  Jonas Verhaeghe  for his  availability  and  the  time he  spent  answering our 

numerous questions.  

In addition, we thank CEG for all the information set at our disposal which helped us getting started 

easily.  

Lastly, we thank all the people who helped us find information, supported us all along and helped in 

any way. 

 

   

Page 6: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  VI  

TABLE OF CONTENTS 

 

PERMISSION ................................................................................................................................................ IV 

FOREWORD .................................................................................................................................................. V 

TABLE OF CONTENTS ................................................................................................................................... VI 

LIST OF TABLES .......................................................................................................................................... VIII 

LIST OF FIGURES ........................................................................................................................................... IX 

ABBREVIATIONS ........................................................................................................................................... XI 

1  INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 1 

2  HYBRID SOLAR POWER .......................................................................................................................... 3 

2.1  HYBRID SOLAR POWER ................................................................................................................................ 3 

2.1.1  Solar Power Technologies.................................................................................................................. 3 

2.1.2  Conventional Thermal Power ............................................................................................................ 4 

2.2  ISCC ........................................................................................................................................................ 7 

2.3  CURRENT AND FUTURE PROJECTS ................................................................................................................... 8 

2.4  ENERGY TRANSPORTATION NETWORK ........................................................................................................... 10 

3  ECONOMIC ANALYSIS .......................................................................................................................... 11 

3.1  INTRODUCTION ........................................................................................................................................ 11 

3.2  REFERENCE PLANT ..................................................................................................................................... 12 

3.3  PLANT SCALE UP ....................................................................................................................................... 14 

3.4  TECHNOLOGY, COST AND BENEFIT ................................................................................................................ 15 

3.4.1  Parabolic Trough ............................................................................................................................. 15 

3.4.2  Central receiver systems (CRS) ........................................................................................................ 16 

3.4.3  Investment costs and LEC ................................................................................................................ 17 

3.4.4  Sensitivity on LEC ............................................................................................................................. 18 

3.4.5  Conclusion ....................................................................................................................................... 19 

3.5  THERMAL ENERGY STORAGE ....................................................................................................................... 20 

3.5.1  Thermal Storage Technologies ........................................................................................................ 21 

3.5.2  Impact on the costs of the power plant ........................................................................................... 24 

3.6  EXTRA BURNER ........................................................................................................................................ 28 

3.7  OPERATION AND MAINTENANCE .................................................................................................................. 29 

3.8  FINANCIAL INCENTIVES, GRANTS .................................................................................................................. 31 

Page 7: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  VII  

3.8.1  Feed‐in Tariffs .................................................................................................................................. 31 

3.8.2  Other National incentives ................................................................................................................ 32 

3.8.3  Other International Support Mechanisms ....................................................................................... 33 

3.9  SITE SOLAR RESOURCES, DNI ...................................................................................................................... 35 

3.10  NATURAL GAS AND ELECTRICITY PRICES ......................................................................................................... 37 

4  CONCLUSION ....................................................................................................................................... 40 

BIBLIOGRAPHY ............................................................................................................................................ 44 

ANNEXES ..................................................................................................................................................... 47 

ANNEX 1 : LIFE‐CYCLE ASSESSMENT OF GREENHOUSE GAS EMISSIONS [38] ........................................................................ 47 

ANNEX 2 : INCENTIVE SYSTEMS BY COUNTRY IN EUROPE ................................................................................................ 48 

 

 

 

Page 8: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  VIII  

LIST OF TABLES 

Table 2‐1. List of planned hybrid solar plants [9] [17]............................................................................. 9 

Table 3‐1. ISCC Reference plant properties .......................................................................................... 12 

Table 3‐2. Investment costs of different ISCC technologies [18] .......................................................... 17 

Table 3‐3. Investement costs of thermal storage for different solar technologies [18] ....................... 24 

Table 3‐4. Operation and Maintenance costs of different ISCC Technologies and CC ......................... 29 

Table 3‐5. Operation and Maintenance costs selected to calculate the LEC [1] ................................... 30 

Table 3‐6. Feed‐in tariffs in Algeria [30] ................................................................................................ 32 

Table 3‐7. Feed‐in laws in several countries [30] .................................................................................. 32 

 

   

Page 9: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  IX  

LIST OF FIGURES 

Figure 2‐1. Electric energy generation from solar power [2] .................................................................. 3 

Figure 2‐2. Concentrated Solar Power, types of solar receivers [2] ........................................................ 4 

Figure 2‐3. Combined Cycle Power Plant [4] ........................................................................................... 5 

Figure 2‐4. Net efficiency of different technologies in maximum capacity factor [6] ............................ 5 

Figure 2‐5. Integrated Solar Combined Cycle plant with PT [7] .............................................................. 7 

Figure 3‐1. LEC and Investment costs of the ISCC reference plant ....................................................... 13 

Figure 3‐2. Scale‐up effect : LEC vs Total capacity of the power plant ................................................. 14 

Figure 3‐3. Scale‐up effect: Specific investment cost vs Total capacity of the power plant ................. 14 

Figure 3‐4. Levelized Electricity Cost of different ISCC technology ....................................................... 17 

Figure 3‐5. Investment costs of different ISCC technology ................................................................... 18 

Figure 3‐6. Levelized Electricity Cost with reduction of the solar field ................................................. 19 

Figure 3‐7. Solar Tower power plant using two‐tanks molten salt storage [20] ................................... 20 

Figure  3‐8.  Growth  factor  of  the  solar  field  with  the  hours  of  thermal  storage  in  two  different 

locations [21] [18] ................................................................................................................................. 25 

Figure 3‐9 CSP Investment Cost of 3h storage in Barstow and Seville compared with no storage. ..... 25 

Figure 3‐10. Evolution of the LEC with the thermal storage time for two sites with different DNI ..... 26 

Figure 3‐11. Evolution of  the annual solar contribution with  the  thermal storage  time  for  two sites 

with different DNI .................................................................................................................................. 27 

Figure 3‐12. Evolution of the CO2 emission with the thermal storage time for two sites with different 

DNI ......................................................................................................................................................... 27 

Figure 3‐13. Annual electric production and LEC of ISCC power plants with or without extra burner  28 

Figure 3‐14. Comparison of the CO2 emissions of ISCC plants with or without extra burner and a CC 

plant ...................................................................................................................................................... 28 

Figure 3‐15. Direct Normal Irradiance map ........................................................................................... 35 

Figure 3‐16. Levelized Electricity Cost of various DNI levels and different solar shares ....................... 36 

Figure 3‐17. Carbon Dioxide Emissions for various DNI levels and different solar shares .................... 36 

Figure 3‐18. Oil, coal and liquefied natural gas prices from1970 to 2007 ............................................ 37 

Figure 3‐19. Gas prices for medium size industries in Europe and Spain [34] ...................................... 38 

Figure 3‐20. Evolution of the LEC with the gas price for different ISCC Technologies and CC .............. 38 

Figure 3‐21. Electricity prices in Spain from 1998 till 2008 [36] ........................................................... 39 

Page 10: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  X  

Figure 4‐1 LEC vs CO2 emission for different evolutions of the solar share  (green),   thermal storage 

(purple), DNI (dark blue), plant size (red) and extra burner (light blue) ............................................... 41 

Figure 4‐2. EUA prices from January 2008 till May 2009 [37] ............................................................... 42 

Figure 4‐3 LEC vs annual green energy production for different evolutions of the solar share (green), 

thermal storage (purple), DNI (dark blue), plant size (red) and extra burner (light blue) .................... 43 

   

Page 11: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  XI  

ABBREVIATIONS 

CC  Combined Cycle CLFR  Compact Linear Fresnel Reflector CSP  Concentrated Solar Power CRS  Central Receiver System DNI  Direct Normal Irradiance DSG  Direct Steam Generation EUMENA  Europe (EU), the Middle East (ME) and North Africa (NA) GEF  Global Environment Facility GT  Gas Turbine GW  Gigawatt (109 watt) HRSG  Heat Recovery Steam Generator HTF  Heat Transfer Fluid HVAC  High Voltage Alternative Current HVDC  High Voltage Direct Current ISCC  Integrated Solar Combined Cycle LEC  Levelized Electricity Cost MENA  Middle East and North American Countries MW  Megawatt (106 watt) MWe  Megawatt electric MWhe  Megawatt hour electric MWhth  Megawatt hour thermal  PCM  Phase Changing Materials PT  Parabolic Trough RTIL  Room Temperature Ionic Liquids SEGS  Solar Energy Generating System ST  Solar Tower TES  Thermal Energy Storage  

Page 12: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants  | 2009  1  

1 INTRODUCTION 

 The world’s resources are diminishing day by day. The worst predictions plan the depletion of main 

resources  like oil, natural gas and coal  in  the next 100 years. Besides,  the  climate  changes due  to 

global warming are pushing energy producers to think of new possibilities. 

Solar power is the most powerful natural resource on earth but we cannot take full advantage of it. 

The  first problem  resides  in  turning  this energy  into electricity or heat usable  in everyday  life. The 

second problem is linked to the fluctuating and unpredictable nature of solar power. 

Actual  solar  plants  are  developed  and  solutions  are  thought  of  to  reduce  the  issue  of  partial 

production.  Unfortunately  these  projects  are  not  profitable  and would  never  be  brought  to  life 

without the financial help of governments and environmentally concerned organizations. 

 

One promising  solution  is  the hybrid  solar  thermal power plant.  Instead of producing  solar power 

only, the energy coming from the solar field  is used to  improve the efficiency and to  lower the CO2 

emissions of a common thermal power plant. 

If solar power  is maturating, ISCC  is still young. In the  literature, a few studies can be found on the 

feasibility  of  a  ISCC  power  plant. However,  these  studies  are  usually  conveyed  to  determine  the 

viability of a certain project, in a defined place, with a defined technology…   

This project aims to define the optimal configuration of hybrid solar plants. 

The results presented in this master thesis are based on the work of Jonas Verhaeghe and Bram Van 

Eeckhout, for Clean Energy Generation [1]. 

 

The first section describes what a hybrid solar plant  is and how  it works.  It also describes the main 

technologies that are used to produce solar‐based energy as well as how it can be combined with a 

conventional thermal power plant. It follows the choice of Integrated Solar Combined Cycle. 

The second section analyses the impact of the main parameters on the green production, plant costs 

and CO2 emissions of the ISCC power plant. Among others, the type of solar technology, the use of 

Page 13: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  2  

thermal  energy  storage,  the  different  incentives  and  grants  systems  of  several  countries  and  the 

importance of the site are studied. 

Finally, optimal configurations are presented for the corresponding priorities and personal choices of 

the investors. 

   

Page 14: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  3  

2 HYBRID SOLAR POWER 

2.1 HYBRID SOLAR POWER 

For ages, mankind has tried to tame the energy of the sun. Many different technologies have been 

born, some efficient, others not. 

To increase the efficiency of solar power and make it competitive, the concept of hybrid power plant 

has been developed. By combining solar thermal energy with conventional thermal energy, a basic 

electric load can be assured at all times while solar power can be used to reduce the consumption of 

classic fuel and decrease greenhouse gas emissions. 

2.1.1 SOLAR POWER TECHNOLOGIES 

In the large‐scale production of electricity, the most developed technology is CSP, Concentrated Solar 

Power.  The  sunlight  is  concentrated  on  a  focal  point  by  reflecting  surfaces.  Solar  radiation  is 

concentrated and  then converted  into  thermal energy. This  thermal energy  can be converted  into 

electricity by means of a thermodynamic cycle. 

Solar power can be converted to electricity directly if the HTF is steam which drives a steam turbine. 

To reach higher temperatures with liquid mediums, oil or high phase change temperature fluids can 

be used as HTF. Then, a heat exchanger is needed to warm up the steam driving the turbine. 

 Figure 2‐1. Electric energy generation from solar power [2] 

Page 15: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining 

g the techno‐‐economic optimal configguration of hhybrid solar pplants | 20099  4 

 

The mos

and the 

Paraboli

to  those

power b

that can 

 

2.1.2 CO

Solar  po

Australia

on  the a

power p

 

A combi

steam b

feeds a s

 

st common C

parabolic dis

c troughs an

e  of  convent

block of para

be produce

ONVENTION

ower  can  be

a, solar powe

availability d

lants are bas

ined cycle p

y passing  it 

steam turbin

Rec

CSP  technolo

sh or dish Sti

nd solar tow

tional  powe

abolic dishes

d is greatly li

Figure 2‐2.

NAL THERMA

e  combined 

er is used to

ifferent kind

sed on comb

ower plant 

through a h

ne from a Ran

ceiver

ogies are th

irling. 

e parabolic trough, centtral solar recceiver or sollar tower 

ers can be d

r  plants.  Th

s  is situated 

imited. 

developed in

ese  are  use

at  the  focal

 large fields 

d  for  large‐

l point of  th

with a powe

scale  produ

e dish. Ther

er block quit

ction  of  ene

refore,  the e

te similar 

ergy.  The 

electricity 

. Concentrated

AL POWER

with  differe

o enhance th

ds of  fuel ar

bined cycles.

uses  the wa

eat recovery

nkine cycle. 

 Solar Power, t

nt  types  of 

he efficiency 

e chosen  to

aste heat  fro

y steam gen

types of solar re

conventiona

of existing c

power new

om  the exha

erator (HRSG

 

eceivers [2] 

al  thermal  p

coal power p

w plants. Mo

power  gener

plants [3]. De

st of  the ne

ration.  In 

epending 

w hybrid 

ust of a gas

G). Then, the

s  turbine  to 

e Steam of t

generate 

the HRSG 

Page 16: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining 

g the techno‐‐economic optimal configguration of hhybrid solar pplants | 20099  5 

Such a t

electricit

of the pl

Combine

efficienc

emission

heavy oi

 

               1 Annex 1 

thermal cycle

ty. If the com

ant can add 

ed  cycle pow

cy,  they  hav

ns (see figure

l or bitumino

Figur

                      

: Life‐cycle asse

e allows the

mbined cycle

up to 85% [5

wer plants  c

ve  relatively 

e 2‐4). The e

ous coal1. 

re 2‐4. Net effic

                       

essment of gree

Figure 2‐3. Co

 plant efficie

 is used for c

5]. 

an assure b

low  investm

mission of to

ciency of differ

enhouse gas em

mbined Cycle P

ency to grow

cogeneration

ase  load as 

ment  costs, 

oxic gases lik

rent technologi

missions [38] 

Power Plant [4]

w from 30‐40

n of electricit

well as pea

long  life  cy

ke SO2 and N

ies in maximum

0% to 60% f

ty and heat, 

k productio

ycle  and  low

Ox is also mu

 

 

for the prod

the overall e

uction of 

efficiency 

n. Besides  t

w  greenhou

uch lower th

heir high 

use  gases 

han diesel, 

m capacity factor [6] 

Page 17: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  6  

The  integration of CSP  technology with a  combined  cycle power plant  is a very  interesting hybrid 

power  plant  configuration.  This  configuration  is  referred  to  as  integrated  solar  combined  cycle 

systems (ISCCS).  

The net efficiency of  ISCC  is higher  than  that of SEGS but also higher  than a Combined Cycle plant 

(see  figure2‐4).  Therefore  in  this  project,  the  type  of  hybrid  thermal  solar  power  studied,  is  the 

Integrated Solar Combined Cycle. The key question is how to design and optimize the integration of 

the solar field and the power cycle.  

 

   

Page 18: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  7  

2.2 ISCC 

Integrated solar combined cycle (ISCC) are modern combined cycle power plants with gas and steam 

turbines and additional thermal input of energy from a solar field [7]. The plant concept was initially 

proposed by Luz Solar International [8]. 

 

Figure 2‐5. Integrated Solar Combined Cycle plant with PT [7] 

Solar thermal energy can be used in two different ways. The first use is presented in figure 2‐5. In this 

schematic power plant, the heat of the HTF  is transferred  in the solar steam generator to produce 

steam to drive the steam turbine. In case the steam cannot be warmed up enough, because of lack of 

sunlight, the duct burner produces the additional heat by burning gas. 

In other designs, the solar field produces an additional volume of steam, directly as HTF or through a 

heat exchanger, to drive the steam turbine. This design requires the steam turbine to be oversized 

and work at a partial load when the sun is not shining. 

  

   

Page 19: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  8  

2.3 CURRENT AND FUTURE PROJECTS 

ISCC is a very young technology and the investments in these projects are still risky. However, a few 

projects  are  already  in  construction  phase  and  they will  soon  be  finished.  Six  countries  are  now 

constructing an  ISCC plant: Algeria, Egypt,  Iran,  Italy, Morocco and  the U.S.  In Australia a Compact 

Linear Fresnel Reflector field has already been finished and added to an old coal‐fired power plant [9] 

[10] [11] [12]. 

 

One of  the  first  ISCC plants  to be built  is Yazd Solar Thermal Power Plant,  in  Iran. Since 1997,  the 

government of  Iran has been  interested  in  the  implementation of a 200.000–400.000m² parabolic 

trough field  into a 300MW natural‐gas‐fired combined cycle plant  in the Luth desert  in the area of 

Yazd [3]. Later on they raised up the total capacity to 430MW with 67MW solar field plant [13]. To 

finance the incremental cost of the solar field, Iran approached GEF with a request for a $50 million 

grant. But as GEF was not  in  the position  to hand out any grants,  in 2005,  Iran changed  the plant 

configuration  and  now  intends  to  build  a  solar  field  equivalent  to  about  17MW.  The  total  plant 

capacity will be 467MW [3]. 

 

In Ain Beni Mathar, Morocco, an ISCC project of 472MW, supported by GEF is being built. The plant 

includes  a parabolic  trough  solar  component of  20MW  (180.000m2) with  an  expected  annual net 

production of 3.538 GWh per year. The solar output is estimated at 1,13% of the annual production 

representing 40GWh per year [14]. According to the constructors (Abener), they started the works on 

the 28th of March 2008 and plan to be finished in August 2010 [15]. 

 

Abener is currently building the second ISCC Power Plant in Hassi’Mel, Algeria [15]. The complex will 

comprise a 130MW combined cycle, with a gas turbine power of the order of 80MW and a 75MW 

steam turbine. A 25MW solar field, requiring a surface of around 180.000m2 of parabolic mirrors, will 

be the source of non‐fossil energy. The  investment will be nearly 140 million dollars and  is the first 

privately financed solar thermal plant  in North Africa, based on the feed‐in  law of Algeria [16]. The 

construction of the ISCC is planned to finish in August 2010. 

 

Page 20: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  9  

In Egypt, there is a project in building phase with a total capacity of 140 MW. Also it has a large solar 

contribution of 30MW and  is  supported by GEF with a $50 million grant.  In  Italy a a  solar  field of 

30MW is being added to an existing power plant of 700MW. The U.S. is in the process of building an 

ISCC plant in Victorville, CA. Three others are planned in California and Florida. In Mexico there is an 

ISCC project approved by GEF in 2006 and in India a 150MW ISCC plant is being planned with a solar 

contribution of 30MW. But this project is not yet approved by GEF. 

  Country  Technology  Capacity 

(MWe) Solar Capacity (MWe)

Solar Share 

DNI Phase  Online date 

Australia ,  Lake Lidde 

Coal CLFR 

2004,4 4,4 0,2% 2300‐2400 

Finshed  2008

Iran,  Yazd 

ISCCS PT 

467 17 3,6% 2500 Under construction 

2010

Algeria,  Hassi R’mel 

ISCCS PT 

150 25 16,7% 2300 Under Construction 

2010

Morocco,  Ain Beni Mathar 

ISCCS PT 

472 20 4,2% 2300 Under Construction 

2010

Egypt,  Kuraymat 

ISCCS PT 

140 40 28,6% 2400 Under Construction 

2010

U.S.,  Victorville, CA 

ISCCS PT 

563 50 8,9% 2200‐2600 

Under Construction 

2010

U.S.,  Indiantown, FL 

ISCCS PT 

1125 75 6,7% ‐ ‐ 2010

Italy,  Siracusa 

ISCCS PT 

730 30 4,1% 2100 Under construction 

2010

U.S.,  Fresno County, CA 

Biomass PT 

187 107 57,2% ‐ ‐ 2011

U.S.,  Palmdale, CA 

ISCCS PT 

570 50 8,8% 2200‐2600 

Planned  2013

Mexico,   Sonora State 

ISCCS PT 

500 30 6,0% 2600 Approved by World Bank/GEF 

‐ 

India ,  Mathania 

ISCCS PT 

150 30 20,0% 2250 ‐ ‐ 

Table 2‐1. List of planned hybrid solar plants [9] [17] 

  Table 2‐1 above shows that most of the projects contain a small solar share. This  is because of the 

high equipment cost of the solar field and the scanty support by incentives for ISCC projects. Only in 

Morocco, Egypt and Mexico will the projects be supported by GEF. However several ISCC projects are 

supported by private investments. This indicates that ISCC can be competitive without large grants.  

   

Page 21: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  10  

2.4 ENERGY TRANSPORTATION NETWORK 

Many highly populated areas in the world don’t have the ability to produce competitive solar energy, 

although  there  is  a  great potential  for  solar  energy on  this planet. By building  a well  functioning 

electricity network over big distances, solar power can be transferred from thousands of kilometers. 

With such a large electric infrastructure, all types of renewable energy sources can provide electricity 

over huge distances.  

 

Europe  (which has  little solar potential) and  the MENA  (high solar potential) have plans  to build a 

large electricity network which will  interconnect  the greatest power plants over the EUMENA. This 

project fits into a major concept, DESERTEC. This concept describes the perspective of a sustainable 

supply of electricity for Europe, the Middle East and North Africa up to the year 2050. According this 

scenario, several GW of solar energy produced  in the deserts of MENA can be transported towards 

the less sunny regions in Europe. This electricity‐network won't be operative before 2020, but it will 

be necessary for the redundancy and stability of the future power supply system. 

 

The currently used technology (HVAC)  is not sufficient to create such a  large scale network without 

having huge  energy  losses. Therefore  a  technology,  called HVDC,  can be used. These HVDC wires 

have less electricity losses than the currently used AC‐grid (HVAC), particularly in the case of overseas 

connections. Over smaller distances, AC‐grid can be used, which is more useful for small distances. 

    

Page 22: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  11  

3 ECONOMIC ANALYSIS 

3.1 INTRODUCTION 

The  objective  of  this  economic  analysis  is  to  assess  the  cost  efficiency  of  ISCCS  power  plants,  to 

determine  the  economics  of  plants  with  different  specifications  and  to  compare  it  with  the 

conventional power generation system, combined cycle. The specifications that will be studied in this 

analysis are the type of solar thermal technology, the number of storage hours, the use of an extra 

burner, the level of DNI, the plant scale, gas prices …  

 

For the comparative assessment, the Levelized Energy Cost (LEC) is used as the figures of merit. The 

LEC is the present value of the life‐cycle costs converted into a stream of equal yearly payments. As 

an  advantage,  the  LEC  figure  allows  an  economic  evaluation  of  different  power  generating 

technologies with varying capacities, full load hours, lifetime, etc [7]. 

The LEC values for power generation systems are computed by the following methodology: 

 

   (€/MWhe) 

  

 p

  Cost  no fuel expenses   €      Total annual ca ital Cost  €  

 Total annual Operational & Maintenance    Total annual fuel expenses  €     Annual electricity production  MWhe  

   

Page 23: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  12  

3.2 REFERENCE PLANT 

As reference plant for this study, a 265 MW ISCC plant is chosen with a solar contribution of 36MW. 

The plant has 3 solar towers of 12 MWe peak capacity each. The Heat Transfer fluid is steam. Values 

for O&M cost, solar equipment cost and efficiencies are used from CEG [1] and ECOSTAR [18].  

Item  Parameter Units Solar Technology  Solar Tower (CRS)  Fuel type  Natural gas  Nominal power   265 MWe Gas turbine power   146,7 MWe Steam turbine power   109,3 MWe Solar contribution  36 (3 x 12) MWe Plant Capacity factor ISCC 63 % Efficiency CC  52 %    DNIannual   2100 kWh/m²/yDNIpeak   850 W/m² Thermal storage   0 hours Solar‐to‐thermal efficiency (%)   50 % Extra burner  no     Depreciation time  20 years Mortgage repayment time 20 years Debt capital/total capital 80 % Debt capital interest rate 6 % Capital cost venture capital  12 % Inflation  2 % Taxes  0 % Fuel price Gas   20 €/MWhth   Investment CSP  57,42 € mio Investment Power block (CC)  94,03 € mio Investment Civil and structural work  4,51 € mio Investment Indirect costs 43,00 € mio Investment ISCC (total)  198,97 € mio    Annual production   1411,18 GWh/yAnnual solar production  59,2 GWh/yEmissions  335,8 kg/MWheLEC (min)2 58,3 €/MWheLEC (max)  73,1 €/MWhe

Table 3‐1. ISCC Reference plant properties 

   

                                                            2 In further calculations, the minimum LEC is always shown in graphs and texts. 

Page 24: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  13  

The biggest part of the investment cost is attributed to the power block which contains the gas and 

steam  turbine. The  second part goes  to  the  solar  contribution  (CSP), which  contains  costs  for  the 

solar  field,  tower  infrastructure,  receivers,…  The  segment  ‘indirect  costs’  includes  engineering, 

contingencies and service during implementation. 

 

 

21%

15%64%

LEC

Total Capital Cost

Total Operational Cost

Fuel Expenses

47%

2%29%

22%Investment costPower block

Civil and structural work

CSP

Indirect costs

Figure 3‐1. LEC and Investment costs of the ISCC reference plant 

 

The  Levelized Electricity Cost of  the  reference plant  consists of 15% operational and maintenance 

cost, 21% capital cost and 64% fuel expenses. Regarding the LEC, the fuel expenses are very high and 

the capital cost rather low, because of the small solar share of the reference plant.  

The LEC (min) is the cost of the ISCC plant in the first year of operation. The LEC (max) is the cost of 

plant in the 20th year of operation. The LEC (max) is much higher, due to increasing operational costs 

by inflation and increasing gas prices. An increase of the gas prices by 1,34% per year has been taken 

into account for calculating  the LEC (max). 

The  solar  output  is  estimated  at  4,2%  of  the  annual  production  representing  59,2GWh  green 

electricity per year. The annual avoided CO2 emission of the reference plant is 20.611 tonne. 

   

Page 25: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  14  

3.3 PLANT SCALE UP 

One of the primary opportunities to reduce costs is to increase the size of the power plant. In general, 

power plant equipment costs decrease with the size of the plant. Looking at the specific investment 

cost of several Combined Cycle plants, the costs drop significantly with the net plant output. This  is 

also  the case  for  the  ISCCS plants where more  than 50% of  the equipment cost of  the plant  (14% 

solar  share)  goes  to  the  Combined  Cycle  installation  (power  block).  ‐Huge  cost  reductions would 

ensue if the ISCC plant capacity doubled (figures 3‐2 and 3‐3). 

A  big  plant  however,  implies  great  investment  costs.  It  can  be  difficult  to  find  enough  financial 

resources, especially for the ISCC technology which is in a premature phase. 

 Figure 3‐2. Scale‐up effect : LEC vs Total capacity of the power plant 

58,3 56,6 55,9 55,5 55,353,554,054,555,055,556,056,557,057,558,058,559,0

256 512 768 1024 1280

Total capacitiy of plant (MW)

LEC (€/MWhe)

 Figure 3‐3. Scale‐up effect: Specific investment cost vs Total capacity of the power plant 

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

256 512 768 1024 1280

Total capacitiy of plant (MW)

Specific investment cost (€/W)

CIVIL STR WORK

CSP

POWER BLOCK

Page 26: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  15  

3.4 TECHNOLOGY, COST AND BENEFIT 

 To  capture  solar  energy,  there  are  several  technologies  existing  today.  However  it  cannot  be 

predicted which of  the  technologies may  finally achieve what market  share or which options may 

eventually drop. For  ISCC  two  interesting options have been developed: Parabolic Trough  (PT) and 

Solar Tower (CRS) [18]. 

 

3.4.1 PARABOLIC TROUGH  

Today  all  ISCC  projects  are  planned  using  the  Parabolic  Trough  technology.  One  of  the  possible 

reasons is because the PT technology is more commercially developed. A Trough is constructed as a 

long parabolic mirror (usually coated silver or polished aluminum) with a tube running  its  length at 

the  focal  point.  Sunlight  is  reflected  by  the mirror  and  concentrated  on  the  tube.  The  trough  is 

usually aligned on a north‐south axis, and rotated to track the sun as  it moves across the sky each 

day. Parabolic trough technology can only be deployed in very flat area with slope below 3%.  

 

The  collector  as  the  dominant  cost  fraction  of  the  whole  plant  is  estimated  (by  ECOSTAR  [18]) 

between 206‐190 €/  f , depending on the type of heat transfer fluid (HTF) running through 

the tube.  In spite of the high maturity, PT still has a potential for slight performance  improvement 

and  significant  cost  reduction.  ECOSTAR  [18]  predicts  a  cost  drop  of  10%  due  to  technological 

improvements. Sargent & Llundy  [19] predicts a drop of  the solar  field costs around 20% between 

2004 and 2020. 

 

The parabolic  trough  can use  two  types of heat  transfer  fluids, Thermal Oil or DSG  (Direct  Steam 

Generation). Trough systems using thermal oil can be considered as the most mature CSP technology. 

Major limitations of today’s trough systems are caused by synthetic thermal oil, which is costly, may 

raise environmental concerns and  is  limited  in  its application temperature. DSG or steam collectors 

do not  face  the  limits of  the  thermal oil. Also,  the direct  superheating of  the  steam  increases  the 

efficiency. This saves costs, reduces heat  losses, pumping parasitic and eliminates the temperature 

limit.  

Page 27: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  16  

3.4.2 CENTRAL RECEIVER SYSTEMS (CRS) 

Central  receiver  systems, or  solar  tower, use a circular array of  large,  individually  tracking mirrors 

(heliostats) to concentrate sunlight onto a central receiver mounted on top of a tower. Heat is then 

transferred  for  power  generation  through  a  choice  of  transfer media.  There  are  three  types  of 

transfer media: molten salt3, steam and atmospheric air [18].  

Today  there  are no planned  ISCCS with  a  Solar Tower. The CRS  technology needs 2  axis  tracking, 

instead of 1 axis tracking like PT. In the past, 2 axis tracking was very expensive and hard to produce. 

Therefore PT was more commercially developed and is nowadays cheaper. Nevertheless the CRS has 

interesting  prospects.  ECOSTAR  [18]  predicts  a  20%  drop  of  solar  field  cost,  due  to  very  large 

heliostats  or  ganged  heliostat  concepts.  Sargent &  Llundy  [19]  estimate  the  cost  reduction  even 

higher, up to a maximum of 70%. 

 

Molten salt 

With  respect  to  Central  Receiver  Systems, molten  salt  technology  is  the most  developed.  This  is 

mainly  attributed  to  very  attractive  costs  for  the  thermal  energy  storage  that  benefits  from  a 

temperature rise in the three times greater than in the parabolic trough system. Additionally a higher 

annual capacity  factor  is possible  for CRS due  the  smaller difference between  summer and winter 

performance compared to parabolic trough systems [18]. 

Saturated steam 

Steam receivers that have been built in several demonstration plants showed operational difficulties 

in the past, mainly attributed to the superheating of steam. This means  it doesn’t benefit from the 

high  temperatures of  the molten  salt, which  leads  to a more expensive  storage option. Saturated 

steam  is  considered  as  a  low  risk  approach.  Design  concepts  are  based  on  experience  in  steam 

generator  technology. This  leads  to  relatively  low  investment costs  for  the  receiver and combined 

with the low temperature, to a high receiver performance [18]. 

Atmospheric air 

The benefit of this technology is mainly regarded for its simple design concept based on atmospheric 

air  as  heat  transfer  medium  compared  to  synthetic  oil  or  molten  salt  systems.  The  CRS  with 

                                                            3 Molten Salt is a nitrate mixture mainly of Sodium and Potassium. It has a relatively high melting point between 120 and 220 °C [41]. 

Page 28: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  17  

atmospheric air receiver technology may benefit from its simple design that promises quick start‐ups. 

However,  this  technology  is  still  in  R&D  phase  and  it  is  only  being  tested  in  pilot  plants.  Further 

improvements are necessary to achieve cost figures similar to the other technologies presented here 

[18]. 

Technology  PT Oil  PT DSG CRS M.Salt CRS Steam  CRS AirSolar field (€/m²)  206  190 150 150  150 Receiver & piping (€/kWth)  0  0 125 110  115 Civil works + tower (€/tower)  2% 4 2% 4 1000000 1000000  1000000Thermal storage (€/kWhth)  31  30 14 100  60 Indirect costs  20%  20% 20% 20%  20%      Land‐use factor  30%  30% 35% 35%  35% Solar to thermal eff.  46,2%  48,4% 52% 50%  47,7% HTF Temperature5  (°C)  371  411 565 260  680 

Table 3‐2. Investment costs of different ISCC technologies [18] 

 

3.4.3 INVESTMENT COSTS AND LEC 

The trough option with steam has the lowest LEC (57,5 €/MWhe). The differences in LEC between the 

technologies are not  large, partially due to  the modest solar  fraction. The  larger the solar  fraction, 

the larger the differences will be. The slight differences in LEC prove that the 5 technologies are very 

competitive nowadays. 

 Figure 3‐4. Levelized Electricity Cost of different ISCC technology 

58,3 57,5 58,3 58,3 58,949,0

51,0

53,0

55,0

57,0

59,0

61,0

ISSC PT Oil  ISCC PT DSGISSC CRS M.SALT       

ISSC CRS  STEAM

ISCC CRS AIR

Levelized Electricity Cost (€/MWhe)

LEC

CC

                                                            4 For parabolic trough, 2% of the investment cost is charged for the civil works. 5 Temperature at field exit [18] 

Page 29: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  18  

3.4.4 SENSITIVITY ON LEC 

We can assume that the cost of the solar field and heliostats will decrease over time because of scale 

effects and technological improvements. The cost fraction of the solar field for a Trough field is a lot 

higher than the CRS option. This leads to a more sensitive LEC when the solar field or heliostat field 

cost decreases. The  second biggest  cost of  the CRS  technology  is  the  receiver  (30‐40% of  the CSP 

cost).  

 Figure 3‐5. Investment costs of different ISCC technology 

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

ISSC PT Oil  ISCC PT DSGISSC CRS M.SALT       

ISSC CRS  STEAM

ISCC CRS AIR

Investment Cost of CSP 

Land

Civil works + tower

Receiver & piping

Solar field

 In the  long run cost drops of more than 70% are been predicted by Sergeant & Llundy for the CRS 

technology.  The  trough  technology  has  less  reduction prospects  (20%)  [19].  The  figure  3‐6 below 

indicates the interesting future for CRS, in particular for Molten Salt and DSG. CRS with Saturated air 

is more expensive now but will benefit in the long run from the same cost reductions as DSG. 

 

Page 30: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  19  

 Figure 3‐6. Levelized Electricity Cost with reduction of the solar field 

54

55

56

57

58

59

60

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

Reduction solar field/heliostat field

Levelized Electricity Cost (€/MWhe)

Parabolic trough Oil Parabolic trough DSG

CRS M.Salt CRS Steam

CRS Steam (20% reduction reciever) CRS Steam (50% reduction reciever)

CRS Air

 

3.4.5 CONCLUSION 

If we compare the LEC now for an ISCC with Parabolic Trough and an ISCC with Solar Tower, we can 

see there are slight differences. The key difference has to be sought in the potential cost reduction of 

the solar field, due to scale effects and technological  improvements. Also the  low prices of thermal 

storage for CRS with Molten Salt can result in very low costs. According to the predictions of Sargent 

& Llundy, the CRS technology with DSG will become the cheapest solution.  

 

   

Page 31: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  20  

3.5 THERMAL ENERGY STORAGE 

The main problem associated with solar power  is  its  irregularity. The sun only shines  for a  limited 

period of the day and can be obscured by clouds or others things. Therefore, solar power has mainly 

been used to provide peak power. 

The use of  thermal storage can  lengthen  the working hours of a solar plant. This allows  furnishing 

base load instead of peak and reduces the inconveniences linked to the daily starting of the turbine. 

There are two kinds of thermal storage. Short term thermal storage (a few minutes to one hour) can 

prevent inefficiency of the power plant in case clouds hide the sun for some time. Long term storage 

(up to 15 hours) is used to assure constant production of electricity even during night time. 

 

A part of the heat generated by the solar field goes into the heat recovery steam generator while the 

rest is stored for later use. Some systems use the heat transfer fluid to store heat, others make use of 

a heat exchanger between two different fluids. 

 

 

Figure 3‐7. Solar Tower power plant using two‐tanks molten salt storage [20] 

 

   

Page 32: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  21  

3.5.1 THERMAL STORAGE TECHNOLOGIES 

Thermal storage media can be solid, liquid or gaseous. The most common types of storage are [18] 

• Molten salt storage and Room Temperature Ionic Liquids (RTILs) • Concrete Storage • Phase Changing Materials (PCM) • Storage using solid materials • Storage for saturated water/steam 

Molten salt storage and RTILs 

A  state  of  the  art  storage  type  is  the  2‐tank  molten  salt  storage  tested  in  the  Solar  Two 

demonstration project  in combination with a Central Receiver Solar Power Plant using solar salt as 

heat transfer fluid. 

This  2‐tank molten  salt  storage was  also  proposed  for  parabolic  trough  solar  power  plants with 

synthetic oil as heat  transfer  fluid. Therefore  it  is necessary  to have a heat exchanger  for  the heat 

transfer from oil to salt. The heat exchanger between molten salt and oil leads to security issues from 

possible chemical reactions and explosions in case of leaks [21]. 

Pacheco et al.  [22] published experimental  results and  theoretical  investigations on  the usage of a 

thermocline molten salt storage with a filler material in a parabolic trough power plant. The general 

idea is to reduce costs through the replacement of expensive salt by cheaper materials. The authors 

are  nominating  a  cost  reduction  of  about  one  third  compared  to  a  2‐tank molten  salt  storage. 

Therefore the 1‐tank thermocline storage for parabolic trough plants, the selection of a durable filler 

material and the optimization of charging and discharging methods and devices are the main items. 

The development risk for them is low. And in the short term the technology can be implemented. 

The  usage  of  new  storage  materials,  so  called  Room  Temperature  Ionic  Liquids  (RTILs),  may 

overcome this general drawback since these materials are liquid even at low temperatures. RTILs are 

organic  salts  with  negligible  vapour  pressure  in  the  relevant  temperature  range  and  a  melting 

temperature below 25°C [23]. Room temperature ionic liquids are quite new materials and it is rather 

uncertain, whether  they are stable up  to  the  temperature  level required  for CSP and also whether 

they may be produced at reasonable cost [24]. 

The  two‐tanks  technology  is  already  well  used.  The  time  required  for  full  development  and 

commercial implementation is estimated at less than 5 years. The 1‐tank thermocline meanwhile will 

need 5 to 10 years to be commercially interesting. As for the RTILs, they will still need more than 10 

years [18]. 

Page 33: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  22  

Concrete storage 

The concept of using concrete or castable ceramics to store sensible heat in parabolic trough power 

plants with synthetic oil as heat transfer fluid (HTF) has been investigated. 

Since  the  steel  tube  register  inside  the  storage material  are  rather  expensive,  a  tubeless  storage 

could lead to lower specific costs, but there are still some investigations needed for this design. The 

costs for the tubing are about 45‐55% of the total storage costs. 

Advanced charging/discharging modes need additional investment in tubes and valves, but they may 

considerably  increase the storage capacity  for a given size and material. The basic  idea of modular 

storage charging and discharging is to increase storage capacity by raising the temperature variation 

between  both  operating modes.  Computer  simulations  from  Tamme  et  al.  [25]  showed  that  the 

capacity  of  a  given  storage  size  could  be  increased  by  about  200%  compared  to  the  base  case 

operation. 

The  implementation  of  a  concrete  storage  system  can  be  realized within  less  than  5  years.  The 

uncertainties and risks are for both cases (with or without tubes) in a medium range. And in addition 

the charging/discharging modes are promising [18]. 

Storage with Phase Change Materials (PCM) 

Phase change materials (PCM) are potential candidates for latent heat storage, which is of particular 

importance for systems which have to deal with  large fractions of  latent heat, such as direct steam 

generating systems. PCM storages are not restricted to the solid‐liquid transition, they could also use 

solid‐solid or  liquid‐vapour  transition, but  actually  the  solid‐liquid  transition has  some  advantages 

compared to the other phase transitions. At present, two principle measures are being investigated: 

• encapsulation of small amounts of PCM • embedding of PCM in a matrix made of another solid material with high heat conduction. 

 The first measure is based on the reduction of distances inside the PCM and the second one uses the 

enhancement of heat conduction by other materials. 

Storages based on PCM are in an early stage of development and many of the proposed systems are 

only theoretical or laboratory scale experimental work. Therefore cost estimation is difficult, but the 

cost target is to stay below 20 €/kWh based on the thermal capacity. Even the uncertainties and risks 

of  the  PCM  storage  technology  are  in  a  medium  range.  The  technology  time  required  for  full 

development and commercial implementation is more than 10years. PMC storage can be used for PT 

as well as ST power plants. 

Page 34: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  23  

Storage for air receivers using solid materials 

Storage  types  using  solid material  for  sensible  heat  are  normally  used  together with  volumetric 

atmospheric or pressurized air systems. The heat has  to be  transferred  to another medium, which 

may be any kind of solid with high density and heat capacity. Other parameters for a solid material 

storage are size and shape of the solids which may be chosen in order to minimize pressure loss (high 

pressure loss cause high parasitic). 

Beside fixed solid material as storage medium a new concept using silica sand as  intermediate heat 

transfer medium was developed by DLR to avoid the disadvantages of storage vessels filed with fixed 

solid material in CSR with open volumetric air technology. 

The fixed solid storage medium technology is realizable within a shorter term (less than 5 years) than 

the moving solid storage medium technology (5 to 10 years) also the uncertainties and risks are in a 

medium range for solid medium and in a high range for the moving storage material system. 

Another innovation is to develop for pressurized closed air receivers a storage container that has to 

be  pressure  resistant  up  to  about  16–20  bar  depending  on  the  gas  turbine  pressure  ratio.  The 

receiver and the solar field for such a system would be able to deliver thermal power in excess of the 

power  needed  by  the  gas  turbine  during  high  insolation  periods.  This  excess  power  is  utilized  to 

charge the thermal storage using a second air cycle driven by an additional blower. In the discharging 

mode,  during  non  sunshine  hours,  the  receiver  is  bypassed  and  the  flow  direction  through  the 

storage  is reversed.  In addition  it would be possible to split up the compressor air  flow during  low 

insolation periods,  in order to use thermal energy from the receiver and from the storage. For this 

case the time for development and implementation is 10 year and the risks and uncertainties are in a 

medium range. 

Storage for saturated water/steam 

In principle the steam drum, which is a common part in many steam generators, is a certain kind of 

storage because it contains an amount of pressurized boiling water. Steam could be produced from 

this  component  solely by  lowering  the pressure. This  storage  type has been built  several  times as 

process  heat  storage  in  industries  thus  the  time  required  for  full  development  and  commercial 

implementation  is  rather  low. The main problem  is  the  size of  the  steam vessel  for  larger  storage 

capacity and the degradation of steam quality during discharge. 

Page 35: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  24  

3.5.2 IMPACT ON THE COSTS OF THE POWER PLANT 

The investment costs for thermal storage that can be found in ECOSTAR [18] show that the cheaper 

technology with  the  longer  storage  possibilities  is  the  2‐tank molten  salt  (Table  3‐3).  It  is more 

profitable to use molten salt also as heat transfer fluid.  It would reduce the  losses due to the heat 

exchanger between the HTF and the storage medium. Besides, a molten salt cycle can reach higher 

temperatures than steam cycles. 

 

Plant Technology‐HTF 

Plant Capacity 

Thermal Storage Technology 

Storage Capacity 

Thermal Capacity of the Storage 

Spec. Investment Cost for Storage 

Investment Storage  (% of total investment) 

PT‐thermal oil  50MW 2‐tank molten  3h 434.66MWh 31€/kWhth  7.64% 

CSR‐molten salt  17MW 2‐tank molten  3h 153.80MWh 14€/kWhth  3.42% CSR‐molten salt  50MW 2‐tank molten  3h 461.41MWh 13€/kWhth  3.38% CSR‐saturated steam 

11MW Water/steam 50min 15MWh 100€/kWhth  4.03% 

CSR‐atmospheric air 

10MW Ceramic thermocline 

3h 94MWh 60€/kWhth  12.88% 

Table 3‐3. Investement costs of thermal storage for different solar technologies [18] 

 

The 17MW Solar Tres will be  the  first  commercial molten‐salt  central  receiver plant  in  the world. 

With a 15h molten‐salt storage system it will be able to furnish electricity almost constantly. 

 

One of the other costs associated with thermal storage is the extra solar field needed to secure the 

same  peak  production while  storing  heat  for  later  use.  The  following  figure  (3‐8)  compares  the 

growth factor of the solar field in two different locations. The DNI influences greatly the need in extra 

solar field. For a plant in Barstow (DNI 2700) the solar field has to be doubled up to implement a 15h 

storage (figure 3‐8). For the plant in Seville (DNI 2000‐2100) the solar field has to be tripled to add a 

thermal storage of 15 hours6.  

                                                            6 The growth factor for Seville is an estimation, based on data of Barstow from the document “Two‐tank molten salt storage for parabolic trough solar power plants” [21]. 

Page 36: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  25  

 Figure 3‐8. Growth factor of the solar field with the hours of thermal storage in two different locations [21] [18] 

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

0 1 3 6 9 12 15

Storage size (h)

Growth factor of the solar field

Barstow (DNI=2700)

Seville (DNI=2014)

 

Calculations of the  impact of thermal storage on the cost of an ISCC power plant are based on two 

solar tower plants using molten salt as heat transfer fluid [18]. The two sites investigated are Barstow, 

in the Mojave Desert, California where the plant Solar Two [21] was built, and Seville, Spain where 

Solar Tres is planned to be built.  

Figure 3‐9 CSP Investment Cost of 3h storage in Barstow and Seville compared with no storage. 

0 20 40 60 80

3h Storage (Seville, M.Salt)

3h Storage (Barstow, M.Salt)

0h Storage (Seville, DSG)

Millions

CSP Investment Cost (€)Civil Works Solar field Extra solar field Land  Reciever & Piping Storage

 

As  shown  in  figure  3‐9,  adding  a  storage  of  3h  implies  increasing  investment  costs  for  the  CSP 

installation. The biggest rise  in cost of the thermal storage  is the extra solar field. This cost  is much 

higher for Seville due to the higher growth factor. The second main extra cost is the equipment cost 

for storage. The receiver and the land costs also increase. 

Page 37: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  26  

Figure 3‐10 shows that a longer storage implies a higher LEC. This is mainly due to the increasing size 

of the solar field and the equipment cost of thermal storage. The lower the DNI, the higher the solar 

field growth and thus the higher the LEC. 

 Figure 3‐10. Evolution of the LEC with the thermal storage time for two sites with different DNI 

52

54

56

58

60

62

64

66

68

70

72

0 1 3 6 9 12 15

Hours storage (h)

LEC (€/MWhe)

DNI 2000 (Seville) DNI 2700 (Barstow)

 

The figures 3‐11 and 3‐12 show that the solar contribution and the carbon dioxide emission evolve in 

desired direction as thermal storage increases. For high storage capacity (6h or more), the plant with 

the  smallest DNI gives better  results. This can be explained by  the overrated growth  factor of  the 

solar field of Seville.  

Page 38: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  27  

 Figure 3‐11. Evolution of the annual solar contribution with the thermal storage time for two sites with different DNI 

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

0 1 3 6 9 12 15

Hours storage (h)

Annual solar contributionDNI 2000 (Seville) DNI 2700 (Barstow)

 

 Figure 3‐12. Evolution of the CO2 emission with the thermal storage time for two sites with different DNI 

295300305310315320325330335340

0 1 3 6 9 12 15

Hours storage (h)

Carbon dioxide emissions (kg/MWhe)

DNI 2000 (Seville) DNI 2700 (Barstow)

   

Page 39: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  28  

3.6 EXTRA BURNER 

To increase the efficiency of the steam cycle of a common combined cycle an extra burner is usually 

added to super heat the steam already heated by the exhaust gases from the gas turbine. As these 

exhaust gases still contain a sufficient level of oxygen, the added fuel can burn. 

The  same  system  can  be  installed  in  ISCC  plants. However,  the  goal  of  ISCC  technology  being  to 

reduce  non‐renewable  resources  consumption  and  lowering  greenhouse  gases  emissions, we  can 

question the merits of an extra burner. 

 Figure 3‐13. Annual electric production and LEC of ISCC power plants with or without extra burner 

1411 15841300

1350

1400

1450

1500

1550

1600

NO EXTRA BURNER WITH EXTRA BURNER

Anual production  (GWhe/y)

58,3 59,457,5

58,0

58,5

59,0

59,5

NO EXTRA BURNER WITH EXTRA BURNER

Levelised Electricity Cost (€/MWhe)

 Figure 3‐14. Comparison of the CO2 emissions of ISCC plants with or without extra burner and a CC plant 

335,8 347,2 348,2325,0

330,0

335,0

340,0

345,0

350,0

NO EXTRA BURNER WITH EXTRA BURNER

CC

Carbon dioxide emissions (kg/MWhe)

 Figure 3‐13  shows an  increased annual production  for  the plant with extra burner, as anticipated. 

Also the LEC is slightly higher because of extra expenses of fuel for the duct burner. The CO2 emission 

per MWhe on the other side is almost the same as emitted by a combined cycle (figure 3‐14).  

Page 40: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  29  

3.7 OPERATION AND MAINTENANCE  

The  operation  and  maintenance  (O&M)  of  a  parabolic  trough  power  plant  is  very  similar  to 

conventional steam power plants that cycle on a daily basis [6]. 

Parabolic  trough power plants  typically  require  the  same  staffing and  labour  skills  to operate and 

maintain them 24‐hours per day. However, they require additional O&M requirements to maintain 

the solar fields. 

Initial  plants  required  a  substantial  number  of mechanics,  welders,  and  electricians  to maintain 

immature  solar  technology. Modern  parabolic  trough  solar  technology  is much more  robust  and 

requires minimal preventive or  corrective maintenance. The one exception  is mirror washing. The 

high‐pressure demineralised water system (called Mr. Twister) has sprayers that spin as they move 

down when washing the mirrors. 

Experience has shown that solar field mirrors must be washed frequently during the summer. But the 

increase  in  solar  output  pays  for  the  cost  of  labour  and water.  Current  power  plants may wash 

mirrors weekly during the peak solar times of the year. It's usually only necessary every few months 

during the winter. 

The reduction of O&M cost  is primarily a result of the  increase  in annual plant capacity factor [19]. 

The plant capacity  increases as a result of the  increase  in thermal storage. However,  increasing the 

size  (MWe)  and  utilization  (capacity  factor)  of  the  power  plant  incurs  very  little  increase  in O&M 

expenses  ($/year). This  is because  the quantity and complexity of  the equipment  remain constant 

and staffing remains fairly constant. 

The following table gives a comparison of O&M costs for a parabolic trough ISCC, a solar tower ISCC 

and a combined cycle plant. As expected, the fixed O&M costs are much lower for a CC plant than for 

solar technology while the variable costs are higher [26]. 

 

  Unit  HTF‐trough Air‐Tower Reference CC Fixed O&M cost  $/kW/a  15.5 14.3 7.2 Variable O&M cost ¢/kWh  0.166 0.165 0.204 Total O&M cost  ¢/kWh  0.398 0.379 0.313 

Table 3‐4. Operation and Maintenance costs of different ISCC Technologies and CC 

   

Page 41: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  30  

For the calculation of the LEC, the following O&M costs were selected. 

Solar:  O&M costs + contingencies  Fixed O&M: Equipment costs (% of inv.)  3 % Variable O&M: water use  1,3 €/MWhe Variable O&M: other  0,5 €/MWhe Unforeseen Cost (% of Inv)  2 % Other Cost (% of Inv)  2 % CC: O&M costs + contingencies  Fixed O&M: Equipment costs (% of inv.)  2 % Variable O&M: other  1,97 €/MWhe Unforeseen Cost (% of Inv)  2 % Other Cost (% of Inv)  2 % 

Table 3‐5. Operation and Maintenance costs selected to calculate the LEC [1] 

Page 42: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  31  

3.8 FINANCIAL INCENTIVES, GRANTS 

Nowadays, the costs of electricity production from solar energy are still too high for the technology 

to  be  attractive  on  the market. Most  countries  have  to  decrease  greatly  their  greenhouse  gases 

emissions. Therefore, they develop ways to encourage firms to invest in green and renewable energy 

[3] [27] [28]. 

3.8.1 FEED‐IN TARIFFS 

The feed‐in law is the most common policy for electricity renewables [27]. It has been developed in 

several countries such as Spain, the US, Denmark or Germany and has given promising results. The 

PS10 plant, promoted by the company Abengoa, will benefit from the solar premium of € 180/MWh 

that is supplied by Spanish Government to solar thermal installations producing electricity [29]. 

Feed‐in  tariffs vary  from country  to country. They  sometimes have a maximum capacity  threshold 

and are usually related to the cost of generation. The tariffs generally decline over time but last for 

the typical lifetime of the plants. 

Some policies provide a fixed tariff (Germany) while others provide fixed premiums added to market 

or cost‐related tariffs (or both, in Spain). The reduction of risk surcharges on capital investments by 

feed‐in laws reduces the cost of market introduction because in the case of renewables, the capital 

cost is the main component of the generation cost. 

 

The new Spanish Feed‐In Law for CSP [30] 

• Cost covering with 0.27€/kWh • Bankable with 25 year guarantee • Annual adaptation to inflation  • 12‐15% natural gas back up allowed to grant dispatchability and firm capacity • After implementation of first 500MW tariff will be revised for subsequent plants to achieve 

cost reduction  

   

Page 43: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  32  

Algeria  passed  a  feed‐in  law  in  2004  including  solar  thermal  power  for  both  hybrid  solar‐gas 

operations  in  steam  cycle  as  well  as  integrated  solar,  gas‐combined  cycle  plants.  For  electricity 

produced  by  solar‐gas  systems,  if  the  solar  share  is  25%,  the  premium  amounts  to  200%  of  the 

market electricity price per kWh. 

Solar share (% of primary energy produced) 

Premium (% of market electricity price per kWh) 

25%  200%20‐25%  180%

15‐20%  160%10‐15%  140%

5‐10%  100%0‐5%  0

Table 3‐6. Feed‐in tariffs in Algeria [30] 

Some  countries  have  feed‐in  laws  to  finance  exclusively  solar  only  projects while  other  support 

hybrid  projects  [30].  In most  cases, when  the  solar  share  is  small,  hybrid  solar  projects  are  not 

supported by feed‐in laws. 

Country  Capacity Tariff  Duration (year) 

Inflation ajustement 

Restricions  Hybrid

Algeria  ISCC  100‐200%  Lifetime ‐ ‐ yesFrance  max 12MW  0.30€/kWh 20+ no max 12MW, 

max 1500h/a no 

Germany    0.46€/kWh Lifetime no ‐ no Greece  up to 5MW 

over 5MW 0.23‐0.25€/kWh0.25‐0.27€/kWh 

10+1010+10 

nono 

‐ yesyes 

Israel  up to 20Wover 20MW 

0.20$/kWh0.16$/kWh 

20+1020+10 

yesyes 

‐ max 30%max 30% 

Portugal  up to 10MW over 10MW 

0.21€/kWh0.16€/kWh 

1515 

nono 

‐ no no 

Spain  up to 50MW  0.27€/kWh 25+ yes max 50MW  max 15%Table 3‐7. Feed‐in laws in several countries [30] 

 

3.8.2 OTHER NATIONAL INCENTIVES 

Renewable Portfolio Standards 

Sweden’s or Poland’s Renewable Portfolio Standards (RPS) require consumers or electricity suppliers 

to  purchase  a  given  annual  percentage  of  renewable  shares  through  electricity  purchases  or 

renewable certificates purchase. 

Page 44: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  33  

Renewable Energy Funds 

Some  countries  have  established  renewable  energy  funds  used  to  directly  finance  investments, 

provide low‐interest loans or facilitate markets in other ways. The largest funds of this type are the 

“public benefit funds”  in 4 states of the USA. These funds, applied to energy efficiency as well, are 

commonly collected from a surcharge on electricity sales. 

Net Metering 

Net metering has been instrumental in facilitating grid‐connected solar PV markets in the US, Canada 

and Japan. 

Competitive Bidding 

Policies for competitive bidding of specified quantities of renewable generation, originally used in the 

United Kingdom now exists in at least 7 countries: Canada, China, France, India, Ireland, Poland, and 

the United States. 

Renewable Energy Certificates 

Tradable  renewable  certificates  are  typically  used  in  conjunction  with  voluntary  green  power 

purchases  or  obligations  under  renewable  portfolio  standards. Many  regulatory measures  can  be 

steps  towards  future  renewable  energy markets, particularly  in developing  countries  (Mexico  and 

Turkey for example). 18 European countries are member of a renewable energy certificate system. 

Green Power Purchasing 

Green  power  consumers  are  supported  by  tax  exemption  on  green  energy  purchase  in  Finland, 

Germany, Switzerland, the Netherlands and the United Kingdom. 

 

3.8.3 OTHER INTERNATIONAL SUPPORT MECHANISMS 

There  are many  other  forms  of  policy  support  for  renewable  power  generation  including  direct 

capital investment subsidies, rebates, tax incentives, credits, direct production payments…  

Several  international  funds  have  also  been  raised  to  enhance  the  renewable  share  in  the  energy 

consumption. The Global Environment Facility (GEF) supports technological development and aims to 

increase the market share of low greenhouse gas‐emitting technologies that are not yet commercial 

but promise to be so in the future. 4 CSP projects entered the GEF CSP portfolio with a grant volume 

Page 45: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  34  

of $ 194.2 million, managed by the World Bank [31]. Also 3 ISCC projects are being supported by the 

GEF. 

The German KfW bank supports several projects with soft  loans  like a 140MWe  ISCC  in Rajasthan, 

India [29] [32]. 

The  European  Union  department  of  Energy  and  Transportation  has  decided  to  allocate  funds  to 

renewable energy production projects. The project PS10 for example  is worth some € 16.7 million, 

with an EU contribution of € 5 million. The AndaSol project  is worth a total € 14.3 million, with EU 

backing of € 5 million [29]. 

Page 46: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  35  

3.9 SITE SOLAR RESOURCES, DNI 

The location of the plant has a large impact on a solar project economics. The amount of solar energy 

shining on each location is different. The annual energy that can be captured in 1m² is expressed by 

the DNI (KWh/m²/y) or Direct Normal Irradiance. In very sunny regions of southern Europe (e.g. Spain) 

the DNI can reach values up to 2100KWh/m²/yr. Outside Europe, for example Africa, South America, 

Central America, parts of Asia, Middle East and Australia, the DNI can reach up to 2800.  

 

Figure 3‐15. Direct Normal Irradiance map 

 

 If the DNI of the reference plant increases, the yearly production of solar energy changes significantly, 

while  the  specific  investment  cost of  the  solar  field  stays  the  same  (figure 3‐16). This means  that 

more  production  leads  to  less  cost  per  kWh  produced  electricity.  The  LEC  sensitivity  of  the  ISCC 

increases if the solar share of an ISCC rises. Thus, it is not recommended to develop ISCC plants with 

high  Solar  shares  in  low DNI  areas.  ISCC  plants with  small  solar  shares  are  less  sensitive  for DNI 

variation.  

Page 47: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  36  

 Figure 3‐16. Levelized Electricity Cost of various DNI levels and different solar shares 

45

50

55

60

65

70

75

1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600

DNI  (kWh/m²/y)

Levelized Electricity Cost (€/MWhe)

32,9%

24,7%

17,9%

9,8%

CC

 Regarding  the  corresponding  CO2  emission  (figure  3‐17),  we  see  a  significant  decrease  of  CO2 

emission per MWh  if  the DNI  rises. The  larger  the  solar share,  the more  important  the DNI of  the 

plant will be to reduce costs en CO2 production. 

 

 Figure 3‐17. Carbon Dioxide Emissions for various DNI levels and different solar shares 

270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600

DNI  (kWh/m²/y)

Carbon dioxide emissions (kg/MWhe)

32,9%

24,7%

17,9%

9,8%

CC

 

Page 48: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  37  

3.10 NATURAL GAS AND ELECTRICITY PRICES 

The world’s natural resources are being depleted, and so is natural gas. The prices of gas, oil and coal 

will  increase  with  time.  The  operational  cost  of  CC  en  ISCC  will  increase,  while  costs  of  green 

technologies  like  wind,  hydro  and  solar  will  drop  because  of  scale  effects,  competition  and 

technological improvements. New energy generating technologies’ LEC’s are less sensitive to the gas, 

oil and coal prices. 

 Figure 3‐18. Oil, coal and liquefied natural gas prices from1970 to 20077 

  The natural gas prices in Europe for industrial users doubled over the last 10 years. As the market for 

gas  continues  to  globalize  and  gas  and  coal  are  increasingly  used  to  produce  transport  fuel  and 

petrochemicals, it is reasonable to expect global gas prices to converge with oil prices [33].  

As base cost for the natural gas, 20 €/MWh  is chosen for the reference plant. However, the cost of 

natural  gas  for medium  size  industries  is  nowadays much  higher  (figure  3‐19).  But  the  prices  for 

larger  industries and certainly for electricity producers are 20 to 30 %8  lower than the medium size 

industries. 

                                                            7 Nominal prices converted to SDRs and deflated by the G7 CPI. Indexed to 1995. Prices are as at January for 1970–2007 and as  at April  for 2008.  Table  compiled by  the Centre  for  International  Economics based on  IMF  IFS  Statistics, OECD Main Economic Indicators, Financial Times, and CIE estimates [39]. 8 Source:Eurostat, gas prices for large industries and medium industries, without taxes [34] [40]. 

Page 49: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  38  

 Figure 3‐19. Gas prices for medium size industries in Europe and Spain [34] 

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

199719981999200020012002200320042005200620072008

Gas prices for medium size industries Eurostats, without taxes (€/kWh), source: Eurostat

EU (27 countries)

EU (15 countries)

Spain

 

The figure 3‐20 shows a high sensitivity of the LEC of the CC plant. The ISCC plants have almost the 

same sensitivity as CC plants because of the  large fraction of gas expenses  in the LEC. However the 

LEC of the ISCC plants converge towards the CC‐LEC. An increasing solar share, leads to a  lower LEC 

sensitivity, but the LEC doesn’t seem to cross the cost of the CC plant rapidly. 

 

 Figure 3‐20. Evolution of the LEC with the gas price for different ISCC Technologies and CC 

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

‐75% ‐50% ‐25% BASE +25% +50% +75% +100% +125% +150% +175% +200%

Gas price variation 

LEC (€/MWhe)

CC ISCCS (14 % Solar share)

ISCCS (With extra burnder) ISCCS (32,9 % Solar share)

Page 50: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  39  

Rising gas prices will result in higher LEC for the ISCC and CC plants. Because of the high correlation 

between the electricity prices and the natural gas prices, these higher LEC’s can be compensated by 

selling the electricity at higher prices. 

 

Looking  at  the  electricity  prices  of  the  Spanish  electricity market,  called  the  OMEL,  there  is  an 

increasing trend of the average electricity price (figure 3‐21). A growing share of Europe’s electricity 

trading  is  conducted  on  electricity  exchanges  like  the  OMEL,  where  producers,  retailers,  major 

industrial  companies and  financial players  conduct  trading. Prices on  the electricity exchanges are 

determined by supply and demand, and also serve as a benchmark for other electricity trading [35]. 

 

 Figure 3‐21. Electricity prices in Spain from 1998 till 2008 [36] 

020,00040,00060,00080,000

100,000120,000140,000160,000180,000

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Electricity prices OMEL Spain (€/MWh)

Minimum price

Average price

Maximum price

 

 At  the end of 2004,  the  average prices popped out of  the 40€/MWh.  In 2008  the  average prices 

increased even more towards 60€/MWh. This means the reference plant with a LEC of 58,3 €/MWh 

can be competitive  in 2008. Especially because the ISCC plant produces the most electricity at peak 

hours, when the electricity prices are more than 60 €/MWh. 

    

Page 51: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  40  

4 CONCLUSION 

Many factors have an effect on cost of power, the production of green electricity and CO2 emission. 

As proven before, it is unlikely to add an extra burner to the ISCC. Indeed it would produce almost as 

much CO2 as a normal CC plant. Other factors like a growing solar share and thermal storage imply a 

larger LEC but also a great decrease in carbon dioxide emission. The DNI is the most interesting cost 

factor, because  it  tends  to  lower  the LEC and  the CO2 emission. Plant scale‐up entails a significant 

cost‐reduction, but no CO2 reduction. 

 

The choice of technology, hours of storage, solar share, plant scale and more, depends on the goals 

and priorities of the investment in ISCC. The more CO2 emissions need to be reduced, the more the 

costs will increase. However it is advised to augment the DNI first, then the thermal storage and the 

solar  share.  The  solar  share  and  the  thermal  storage  are  the most  expensive  but  also  the most 

effective solution to decrease the carbon dioxide emission (see figure 4‐1).  

 

If  the cost of  the  ISCC has  to be reduced,  the DNI and  the plant scale‐up should be  increased  (see 

figure 4‐1). These  factors  imply an decrease of  carbon dioxide emission and  an  increase of green 

energy  production.  A  strong  diminishing  of  the  LEC  can  be  induced  by  lowering  the  solar  share. 

However a lower solar share implies a higher level of CO2 emission and decreases the green energy 

production. 

 

As described in the economic analysis, the preferred technology is Parabolic trough (see figure 3‐4). 

This is the cheapest solution and the most commercially developed. Especially it is common to design 

an  ISCC plant with PT and steam as heat  transfer  fluid. The  technology CRS with steam, chosen as 

reference  plant, will  probably  be  the most  interesting  technology  in  the  long  term,  especially  if 

storage is planned to be implemented.  

 

Page 52: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  41  

Figure 4‐1 LEC vs CO2 emission for different evolutions of the solar share (green),  thermal storage9 (purple), DNI (dark blue), plant size (red) and extra burner (light blue) 

DNI2600

Plant scale‐up 1100 MW

Solar share32,9% 

Storage15h

Extra burner

Reference plant

CC Plant

305

310

315

320

325

330

335

340

345

350

355

50 55 60 65 70 75

Carbon

 dioxide

 emission

 (kg/MWhe

 )

LEC (€/Mwhe)

LEC vs CO2

 

If an ISCC project is not supported by any incentives, great thermal storage may not be an interesting 

option. Thermal storage of more than 5 hours makes  it possible to produce solar power during the 

night, when electricity prices are low. With little thermal storage, the plant only produces energy at 

peak  level when  the electricity  sells at  its highest price and  so  the average earnings per  kWh are 

higher. 

 

With  incentives,  thermal  storage  is  a  very  attractive way  to  produce more  solar  energy.  In  some 

countries, the peak production of the plant has to be  limited to receive  incentives per kWh.  In this 

case  long  thermal  storage  can greatly  increase  the annual production of  solar energy and as  such 

benefit proportionally from more incentives. 

 

   

                                                            9 The LEC for the storage is calculated with the Molten‐Salt HTF technology, not with Steam HTF like the reference plant. 

Page 53: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  42  

Electricity  producers  can  also  profit  from  the  avoided  CO2  emission which  can  be  sold  since  the 

agreement of the Kyoto protocol. If the price per tonne of CO2 rises,  it will become more and more 

interesting  to  invest  in  ISCC  projects.  The  annual  avoided  CO2  emission  of  the  reference  plant  is 

20.611t, and has today a value of 292.670,4 €10. 

 

As shown on figure 4‐2, the price of a EUA has decreased at the end of 2008, probably due to the 

international financial crisis. 

 

 

0

5

10

15

20

25

30

2/01

/2008

2/02

/2008

2/03

/2008

2/04

/2008

2/05

/2008

2/06

/2008

2/07

/2008

2/08

/2008

2/09

/2008

2/10

/2008

2/11

/2008

2/12

/2008

2/01

/2009

2/02

/2009

2/03

/2009

2/04

/2009

2/05

/2009

EU Allowance Unit (EUA) price (€/unit)1 tonne of CO2 = 1 EUA

Figure 4‐2. EUA prices from January 2008 till May 2009 [37] 

 

   

                                                            10 Based on the price of 1t of CO2 on the 04/05/2009 [37] 

Page 54: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  43  

In some countries the green energy production is rewarded instead of taxing the CO2 emission. From 

figure  4‐3,  the  same  conclusions  can  be  drawn  as  for  CO2  production:  a  greater  solar  share  or  a 

longer thermal storage increase the green energy production and, in a smaller extent, a rise of DNI. 

 

Figure 4‐3 LEC vs annual green energy production for different evolutions of the solar share (green), thermal storage11 (purple), DNI (dark blue), plant size (red) and extra burner (light blue) 

DNI2600

Plant scale‐up 1100 MW

Solar share32,9% 

Storage15h

Extra burner

Reference plant

CC Plant0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

50 55 60 65 70 75

Ann

ual green

 produ

ction 

(relative to th

e total produ

ction)

LEC (€/Mwhe)

LEC vs Green production

   

                                                            11 The LEC for the storage is calculated with the Molten‐Salt HTF technology, not with Steam HTF like the reference plant. 

Page 55: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  44  

BIBLIOGRAPHY  

[1]  Jonas Verhaeghe, Bram Van Eeckhout. Possible buisness plan Cyprus (Confidential). sl : Clean Energy Generation, 2008. 

[2]  López, Antonio. Solar Thermal Concentrating Systems, State‐of‐the‐art and future developments. sl : High Solar Concentration Technologies, CIEMAT‐ Plataforma Solar De Almería , 2008. 

[3]  Rainer Aringhoff, Georg Brakmann (ESTIA), Dr. Michael Geyer (IEA SolarPACES), Sven Teske (Greenpeace). Concentrated Solar Power – NOW! sl : http://www.greenpeace.org/raw/content/international/press/reports/Concentrated‐Solar‐Thermal‐Power.pdf, September 2005. 

[4]  Research, Institute for Energy and Environmental. sl : http://www.ieer.org/cc‐plant.gif. 

[5]  Technologies, Cogeneration. Cogeneration Technologies . sl : http://www.cogeneration.net/Combined_Cycle_Power_Plants.htm. 

[6]  Technical and economic assessment of the integrated solar combined cycle power plants in Iran. R. Hosseini, M. Soltani, G. Valizadeh. 2005, Renewable Energy 30, pp. 1541–1555. 

[7]  Trough integration into power plants‐a study on the performances and economy of integrated solar combined cycle systems. Jürgen Dersh, Michael Geyer, Ulf Herrmann, Scott A. Jones, Bruce Kelly, Rainer Kistner, Winfried Ortmanns, Robert Pitz‐Paal, Henry Price. 947‐959, sl : Energy 29, 2004. 

[8]  Johansson TB, et al. Renewable energy, sources for fuels and electricity. Washington DC : Washington, DC: Island Press, 1993, pp. 234–5. 

[9]  Marta Pérez Martínez, MªJosé Cuesta, Sylvia Núñez Crespí, Juan Antonio Cabrera. Energia Solar Termoélctrica. sl : http://www.ciemat.es/recursos/doc/Areas_Actividad/Prospectiva_Tecnologica/460393455_211200911841.pdf, January 2008 . 

[10] SolarPACES. SolarPACES. sl : http://www.solarpaces.org/. 

[11] Effect, Global Warming Climate Change Greenhouse. Global Warming Climate Change Greenhouse Effect. sl : http://www.global‐greenhouse‐warming.com/solar‐parabolic‐trough.html. 

[12] Liddell Solar Project Update, Macquarie Generation. Liddell Solar Project Update, Macquarie Generation. sl : http://www.macgen.com.au/News/2006News/LiddellSolarProjectUpdate.aspx. 

[13] M.A.Tahani, Mr. The Integrated Solar Combined Cycle (ISCC) Power Plant Project in Yazd, Iran. sl : http://www.solarpaces.org/berlin_conference/Presentation‐Tahani.pdf, June 2002. 

[14] Bank, World. sl : http://web.worldbank.org/external/projects/main?pagePK=64312881&piPK=64302848&theSite

Page 56: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  45  

PK=40941&Projectid=P041396)/. 

[15] Abener. sl : http://www.abener.es/, 16.04.2008. 

[16] Geyer, rDr Michael. Deployement of Towers and Troughs from the Perspective of Abengoa Solar. sl : Abengoa Sola, http://213.133.109.5/video/energy1tv/Jan%20NEU/Konferenz/Wirtschaft/10,000_SGW/24_MS/24_04_MS_06_Desertec_Abengoa.pdf. 

[17] Parsons, Worley. Cross‐answer testimony of Lowrey Brown on behalf of Western Resource Advocates. sl : WRA Exhibit, April 2009. 

[18] Robert Pitz‐Paal, Jürgen Dersch, Barbara Milow. ECOSTAR, European Concentrated Solar Thermal Road‐Mapping. sl : Deutsches Zentrum für Luft‐ und Raumfahrt e.V., February 2005. 

[19] Sargent & Lundy LLC Consulting Group, Chicago, Illinois. Assessment of Parabolic Through and Power Tower Solar Technology Cost and Performance Forecasts. sl : National Renewable Energy Laboratory, October 2003. 

[20] Hale, Mary Jane. Solar Two Performance Evaluation. sl : National Renewable Energy Laboratory, http://www.nrel.gov/docs/fy99osti/26642.pdf, August 1999. 

[21] Two‐tank molten salt storage for parabolic trough solar power plants. Ulf Herrmann, Bruce Kelly, Henry Price. 2004, Energy 29, pp. 883‐893. 

[22] Development of a Molten‐Salt Thermocline Thermal Storage System for Parabolic Trough Plants. Pacheco J.E, Showalter S.K., Kolb, W.J. 2002, Journal of Solar Energy Eng., Vol. 124, pp. 153‐159. 

[23] Advanced thermal storage fluids for parabolic trough systems. Moens L., Blake D.M., Rudnicki D.L., Hale M.J. Reno/Sparks, Nevada : sn, June 2002. Proceedings of the National Solar Energy Conference, Solar 2002, . 

[24] Lifetime of Imidazolium Salts at elevated Temperatures. Blake D.M., Moens L., Rudnicki D., Pilath H. Portland, Oregon : sn, July 2004. Proceedings of the ISEC 2004 International Solar Energy Conference. 

[25] Advanced Thermal Energy Storage Technology for Parabolic Trough. Tamme R., Laing D., Steinmann W.‐D. Hawaii : sn, March 2003. Proceedings of the 2003 International Solar Energy Conference. pp. 15‐18. 

[26] Economic analysis of integrated solar combined cycle power Plants. A sample case: The economic feasibility of an ISCCS power plant in Egypt. Mechthild Horn, Heiner Führing Jürgen Rheinländer. 2004, Energy 29, pp. 935–945. 

[27] German Aerospace Center (DLR), Institute of Technical Thermodynamics, Section Systems Analysis and Technology Assesment. Trans‐Mediterranean Interconnection for Concentrating Solar Power, Final Report. Germany : Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety, http:/www.dlr.de/tt/trans‐csp. 

[28] Martinote, Eric. Renewables 2005 – Global Status Report. Washington DC : Worldwatch 

Page 57: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  46  

Institute, http://www.ren21.net, 2005. 

[29] Commission, European. Concentrating Solar Power From Research to Implementation. sl : Directorate – General for Energy and Transport, Directorate – General for Research, http://ec.europa.eu/energy/renewables/solar_electricity/csp/doc/2007_concertrating_solar_power.pdf, 2007. 

[30] Geyer, Dr. Michael. Introducing Concentrated Solar Power on the International Markets, Worldwide Incentives, Policies and Benefits . sl : Abengoa Solar. 

[31] Facility, Global Environment. Assessment of the World Bank/GE Strategy for the Market Development of Concentrating Solar Thermal Power. sl : Global Environment Facility, June 2005.

[32] Bankengruppe, KfW. sl : http://www.kfw.de/. 

[33] Hugh Sharman, Incoteco, John Constable. Electricity Prices in the United Kingdom, Fundamental Drivers and Probable Trends 2008 to 2020. sl : Renewable Energy Foundation, http://www.ref.org.uk/Files/ref.elec.prices.22.05.08.pdf, 2008. 

[34] Eurostat. Gas prices by type of user. sl : http://epp.eurostat.ec.europa.eu/tgm/table.do?tab=table&init=1&language=en&pcode=tsier050&plugin=1. 

[35] Vattenfall. Electricity market affected by fluctuating commodity prices. sl : vattenfall annual report 2008 29, http://report.vattenfall.com/annualreport2008/Menu/Wholesale+prices, 2008.

[36] electricidad, OMEL ‐ Mercado de. Mínimo,medio y máximo del precio del mercado diario (cent/kWh). sl : http://www.omel.es/frames/es/resultados/resultados_index.htm, 2009. 

[37] SENDECO. Informe Mensual de Mercado ‐ Marzo 2009. sl : http://www.sendeco2.com/bank/doc/Informe%20Mercado_2009Marzo.pdf. 

[38] Gagnon, Luc Gagnon. COMPARING Power Generation Options, Greenhouse Gas Emission. sl : Hydro‐Québec, Direction – Environnement, http://www.hydroquebec.com/sustainable‐development/documentation/pdf/options_energetiques/pop_01_06.pdf, January 2003. 

[39] Garnaut. The Garnaut Climate Change Review. sl : http://www.garnautreview.org.au/chp3.htm.

[40] Eurostat. Natural gas prices for large industrial standard consumers . sl : http://epp.eurostat.ec.europa.eu/tgm/table.do?tab=table&init=1&language=en&pcode=ten00104&plugin=1. 

[41] Pacheco, James. Molten Nitrate Salt for Thermal Storage with Parabolic Troughs. sl : http://www.nrel.gov/csp/troughnet/pdfs/1999_pacheco_molten_salt.pdf, 1999. 

 

   

Page 58: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  47  

ANNEXES 

ANNEX 1 : LIFE‐CYCLE ASSESSMENT OF GREENHOUSE GAS EMISSIONS [38] 

Page 59: UNIVERSITEIT GENT - UGent

Defining the techno‐economic optimal configuration of hybrid solar plants | 2009  48  

ANNEX 2 : INCENTIVE SYSTEMS BY COUNTRY IN EUROPE 

 

 Renewable Energy Promotion Policies in Europe [28]