20
www.DLR.de DLR-STB-CSP > Jürgen Kern > > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai 25.11.2013 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. System Analysis and Technology Assessment 1 Exportinitiative Erneuerbare Energien Geschäftsreise Qatar und VAE Concentrating Solar Power Plants (CSP) Jürgen Kern DLR (German Aerospace Center) GESCHÄFTSREISEPROGRAMM EXPORTINITIATIVE ERNEUERBARE ENERGIEN 24. – 28. November 2013, Dubai, VAE www.exportinitiative.bmwi.de Energy Shortage of energy ? 25 cm crude oil annually on the hole surface of earth 2 millions barrels per square kilometer Energy for Tomorrow

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 1

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Concentrating Solar Power Plants (CSP)Jürgen KernDLR (German Aerospace Center)

GESCHÄFTSREISEPROGRAMM EXPORTINITIATIVE ERNEUERBARE ENERGIEN 24. – 28. November 2013, Dubai, VAE

www.exportinitiative.bmwi.de

Energy

Shortage of energy ?

25 cm crude oil annually on the hole surface of earth

2 millions barrels per square kilometer

Energy for Tomorrow

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 2

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Power Demand http://nasa.gov

www.DLR.de • Chart 3 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

CSP Supply Power Demand www.desertec.org

www.DLR.de • Chart 4 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 3

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Electricity Demand in EU-MENA (Mediterranean)

First Slowdown: Efficiency Gains & Liberalisation

Second Slowdown: Demand Stabilisation

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

Ele

ctri

city

Pro

du

ctio

nT

Wh

/yea

r

TurkeySpain

PortugalMalta

Italiy

GreeceTunesia

MoroccoLibyaEgypt

AlgeriaJemenUAE

SyriaSaudi Arabia

QatarOman

Libanon

KuwaitJordan

IsraelIrakIran

CyprusBahrainElectrictiy Demand in multiplying, Fossile Fuels are depleting

www.DLR.de • Chart 5 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

2000 2010 2020 2030 2040 2050

Energy Production [TWh/Jahr]

DesalinationExport Solar

PhotovoltaicWindGeothermalHydrotBiomassTide/WaveCSP Oil / GasCoalNuclear

Szenario of Energy Supply in MENA

www.DLR.de • Chart 6 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 4

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Concentrating Solar Power (CSP)

www.DLR.de • Chart 7 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

Wind Power (Enercon) Hydropower (Tauernkraft) Solar Chimney (SBP)

Photovoltaic (NREL) Hot Dry Rock (Stadtwerke Urach) Biomass Power (NREL)

Renewable Energy for Power Generation

www.DLR.de • Chart 8 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 5

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Parabolic TroughLinear Fresnel Dish StirlingSolar Power Technologies Power Tower

www.DLR.de • Chart 9 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

CPVPV

Different Technologies for different use

Market available Technology proofed since 1986

Solar Power Technologies

www.DLR.de • Chart 10 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 6

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Renewable Electricity Potentials in EUMENA

www.DLR.de • Chart 11 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

Biomass (0-1) Wind (0-50)Geothermal (0-1) Hydro (0-50)

Solar (10-250)

A CSP plant of the size of Lake Nasser equals the total Middle East oilproduction

MED-CSPMED-CSP MED-CSPMED-CSP MED-CSPMED-CSP MED-CSPMED-CSP

Renewable Power – Continuous Capacity

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1008 1032 1056 1080 1104 1128 1152 1176

Time (hour of year)

Po

we

r S

up

ply

(M

W)

Concentrating Solar Power Conventional Power

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1008 1032 1056 1080 1104 1128 1152 1176

Time (hour of year)

Po

we

r S

up

ply

(M

W)

Photovoltaic Power Conventional Power

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1008 1032 1056 1080 1104 1128 1152 1176

Time (hour of year)

Po

we

r S

up

ply

(M

W)

Wind Power Conventional Power

Solar power provided by a CSP-plant with 16 hour storage and conventional power from fuel from the same plant for constant 10 MW base load supply.

Power supplied by 10 MW PV capacity and conventional backup power from the grid needed to provide constant 10 MW base load supply.

Power supplied by 10 MW wind capacity and conventional backup power from the grid needed to provide constant 10 MW base load supply.

CSPWind PV

www.DLR.de • Chart 12 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 7

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Concentrating Solar Power (CSP) Technologies

Tower with Heliostats¬ Medium Air, Salt, Water¬ 600-1200°C

Parabolic Trough

¬ Medium Oil, Water/Steam¬ 390-550°C

Linear Fresnel

¬ Medium Water/Steam¬ 270-550°C

Parabolic Dish

¬ small & decentral < 50 kW

¬ Helium/Hydrogen¬ 600-1200°C

www.DLR.de • Chart 13 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

Status of CSP Technologies

Technology

Status Markwt•Residential•Commercial•Utility

Availability LCOE Cost Reduction Potential

Trough Commercial >1985

-C-U +++ € +

Fresnel Commercial>2009

R-C-U ++ € +++

Tower Commercial >2006

-C-U ++ €€ ++

Dish/Stirling

Demo> 1980

R-C- + €€€ ++

www.DLR.de • Chart 14 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 8

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Concentrating Solar Power (CSP) PlantsSEGS, California, USA, 1986 354 MW, commercial Operation since 1986

Quelle: SANDIA Photo Database

www.DLR.de • Chart 15 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

Parabolic TroughANDASOL 1+2(+3) Guadix, Spain, 2009/2010/2011 3 x 50 MW, 7 h Storage, 3600 Full Load Hours per Year

www.solarmillennium.de

www.DLR.de • Chart 16 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 9

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Linear Fresnel

www.solarpowergroup.com

MAN Ferrostaal – Solar Power Group, 2008Demonstration, PSA, Almeria, Spain

www.DLR.de • Chart 17 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

Linear Fresnel

www.novatec-biosol.com

Novatec Puerto Errado PE1 & PE2, Spain2 + 30 MW, 2009/2010, Air Cooling

www.DLR.de • Chart 18 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 10

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Power Towers eSolar - USAPS 10 & 20 - Spain Brightsource – IL/USA

Solar Energy Dev. Cent. SEDC Negev, Israel 4-6 MW

Solar Power Complex IvanpahCA, USA – 400 MW geplant

Sierra SunTower 5 MW:24.000 Heliostats Temperatures 440° CSteamPressure 60 bar

ABENGOA Solar – San LucarPS20 150 000 m²Temperatures 250-300 °C SteamPressure 45 bar

www.DLR.de • Chart 19 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

Power TowersTORRESOL Gemasolar, Sevilla, Spanien, 201120 MW, 15 h Speicher, 5500 Volllaststunden pro Jahr

www.torresolenergy.com

www.DLR.de • Chart 20 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 11

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Latent Heat

Hot WaterPressurized - Ruths

Molten Salt Concrete

Thermal Energy Storage (TES)

www.DLR.de • Chart 21 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

Fujairah II IWPP - VAEAquasol - Spanien Abutaraba – LibyenSea-water Desalination - Multi Effect Destillation

VEOLIA / SIDEM 20033 Modules w/ 13.333 m³/d

GECOL, Libya

Sidem JV 200912 Modules w/ 38.640 m³/dADWEA, Abu Dhabi, VAE

Solare Desalinatio n 1988High-Efficient 14 StagesPlataforma Solar Almeria

www.DLR.de • Chart 22 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 12

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

CSP plants – Design & Operation Configuration

Qualities of CSP Plants:

Operating as peak, medium or base load power plant

Firm & flexible capacity

Power on demand

Spinning reserve

Combined generation of process heat for industry, cooling, desalination, etc…

www.DLR.de • Chart 23 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

PT-1: 6m x 2.3m

LF-11: 7.5m x 4m

PTC1800: 5m x 1.8m

Solar PolyTrough1200

Process Heat Collectors

> DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013www.DLR.de • Chart 26

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www.DLR.de DLR-STB-CSP > Jürgen Kern > > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai

25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 13

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Solar Process Heat Installations

Steinway and Sons piano factory, New York

Collector surface 501 m² ofAbengoa IST Pt-1 collectors

Back-up by natural gas

Heating and cooling, processsteam

Humidity control of piano „action“ department

> DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013www.DLR.de • Chart 27

Solar Cooling in Doha

www.DLR.de • Chart 29 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

Solar cooling with Fresnel collectors LF of Industrial Solar

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www.DLR.de DLR-STB-CSP > Jürgen Kern > > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai

25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 14

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

IWMI 2006

> DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013www.DLR.de • Chart 32

Global Water Scarcity

REACCESS 2009

> DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013www.DLR.de • Chart 33

Global Potential for Concentrating Solar Power (CSP)

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25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 15

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Screening,Filtration

TunnelIntake

Desalination Plant Direct

Discharge

Power Plant

Heat / Power FuelFuel

Anti-Scaling Anti-FoamingAnti-Corrosion

Disinfection

> DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013www.DLR.de • Chart 34

Conventional Desalination Plant

Nano-Filtration

Horizontal Drain Intake orMicro- & Ultrafiltration

Desalination Plant

Multiport Diffuser Discharge

Power Plant

Heat / Power

Concentrating Solar Collector & Storage FuelFuel

catalanadeperforacions.com; cormix.info

> DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013www.DLR.de • Chart 35

Advanced Renewable Desalination Plant

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www.DLR.de DLR-STB-CSP > Jürgen Kern > > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai

25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 16

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Desalination plants require continuous operation Conflict with the intermittent nature of renewable energies CSP offers the option of thermal energy storage (TES) Hybrid operation is possible in the same power block (no “shadow power plant” required)

A fair technology comparison has to be carried out by definition of a load profile! To Wind and PV cost, storage (if available) and back-up cost have to be considered Grid import is not for free

Wind PV CSP

Power Supply Profile - PV + Fossil Backup

0.02.55.07.5

10.012.515.017.520.022.525.0

1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161

Hour of the week [-]

Po

we

r [M

W]

PV Power PV Dump Fossil Backup Power Demand DES

Power Supply Profile - CSP Hybrid

0.02.55.07.5

10.012.515.017.520.022.525.0

1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169

Hour of the week [-]

Po

wer

[MW

]

01002003004005006007008009001000

Sto

red

En

erg

y

[MW

h]

CSP solar CSP fossil Demand DES Stored Thermal Energy

Power Supply Profile - Wind + Fossil Backup

0.02.55.07.5

10.012.515.017.520.022.525.0

1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161

Hour of the week [-]

Po

wer

[M

W]

Wind Power Wind Dump Fossil Backup Power Demand DES

> DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013www.DLR.de • Chart 36

Renewable Energies for Desalination: why CSP?

RO

Solar Field Storage

PowerPlant

Water Power

fuelsolarheat

Power Only

www.dlr.de/tt/aqua-csp

Independent Operation

Site flexibility :

Inland (high DNI, dry‐cooling, electricity transmission, intake)

Coast (medium DNI, evap. Cooling, shared intake)

> DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013www.DLR.de • Chart 40

CSP-Desalination Plants: CSP-RO

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www.DLR.de DLR-STB-CSP > Jürgen Kern > > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai

25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 17

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

MED

Solar Field Storage

PowerPlant

Water Power

fuelsolarheat

heat

Combined Heat & Power

www.dlr.de/tt/aqua-csp

Interdependent Operation

Site constrains for the CSP plant :

Coast (medium DNI, cooling replaced by MED, shared intake)

> DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013www.DLR.de • Chart 41

CSP-Desalination Plants: CSP-MED

www.dlr.de/tt/csp-resources

Electricity Corridors MENA - Europa

Quelle: REACCESS, DLR, 2009

www.DLR.de • Chart 43 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

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www.DLR.de DLR-STB-CSP > Jürgen Kern > > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai

25.11.2013

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.System Analysis and Technology Assessment 18

Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

Strategies

2006 TRANS-CSP Study of DLR

2007 DESERTEC White-Book for EU-MENA

2008 Mediterranean Solar Plan (MSP bzw. PSM)Union for the Mediterranean (UfM bzw. UpM)

2009 DESERTEC Foundation and Dii GmbH

2010 MedGrid (TransGreen), FoSG, …

2011 Morocco Solar Plan MASEN 2 GW - 2020

2011 HELIOS Griechenland 10 GW (PV)

2011 VAE MASDAR City, Shams1 and Noor 1

2012 Saudi Arabia 41 GW (25 GW CSP) – 2032

2013 Kuwait Solar Plan 2 GW ++

www.DLR.de • Chart 44 > DLR-STB-CSP > AHK EIEE > Exportinitiative Erneuerbare Energien - Dubai> Jürgen Kern > 19.11.2013

DESERTEC Vision Szenario für EU-MENA (DLR Studies)

Quelle: DESERTEC Foundation

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Exportinitiative Erneuerbare EnergienGeschäftsreise Qatar und VAE

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MED-CSD www.med-csd-ec.eu/eng/

MENA Regional Water Outlook www.dlr.de/tt/menawater

Financing concentrating solar power in the Middle East and North Africa –Subsidy or investments? Energy Policy 39 (2011) 307-317http://dx.doi.org/10.1016/j.enpol.2010.09.045

Solar electricity imports from Middle East and North Africa to EuropeEnergy Policy 42 (2012) 341-353http://dx.doi.org/10.1016/j.enpol.2011.11.091

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