Solar-hybride Gasturbinen-Systeme mit Abwärmenutzung durch Absorptions-Kältemaschinen

Stefano Giuliano*, Reiner Buck, Christoph Schillings, Saeed Al Nuaimi1, Abdulaziz Al Obaidli1

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) e. V., Institut für Technische Thermodynamik, Solarforschung,

Pfaffenwaldring 38-40, 70569 Stuttgart

Zusammenfassung Im Projekt USHYNE wurde gemeinsam mit dem Masdar Research Network (Vereinigte Arabische Emirate, VAE) eine Machbarkeitsstudie für ein solar-hybrides Gasturbinen-System in Verbindung mit einer Absorptionskältema-schine erstellt (Leistungsmaßstab 5 bis 7,5 MWe). Das Projekt dient der Vorbereitung einer Demonstrations-anlage. Im Projekt wurden auf Basis der analysierten solaren Einstrahlung und der bestehenden Infrastruktur in der Region VAE für zwei potentielle Standorte verschiedene konzeptionelle Systeme mit oder ohne Kraft-Kälte-Kopplung ausgelegt und deren Betriebsverhalten simuliert.

1 Einführung und Ziele Die Forschung und Entwicklung solarthermischer Turmkraftwerke in Verbindung mit solar-hybrid befeuerten Gasturbinen wurde während der letzten Jahre kontinuierlich vorangetrieben und konnte in einem Systemtest erfolgreich auf der Plataforma Solar de Almería (PSA, Spanien) demonstriert werden[1]. Aktuell befassen sich Forschungsarbeiten mit Anlagen für den Einsatz in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anwendungen. Dabei sollen die heißen Abgase der Gasturbine beispielsweise zur Kälteerzeugung genutzt und damit höchste solare Wirkungsgrade erzielt werden[2]. Als ersten Schritt zur Markteinführung wird derzeit im Rahmen des EU-geförderten Projekts SOLHYCO ein solar-hybrides Mikroturbinensystem mit einer Leistung von 100 kWe entwickelt[3]. Da in dieser niedrigen Leistungsklasse die Kopplung mit einer Dampfturbine nicht sinnvoll ist, kann die Abwärme der Gasturbine zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) genutzt werden. Auf diese Weise wird ein sehr hoher Gesamtnutzungsgrad des solar-hybriden Mikroturbinensystems erreicht. Zur Nutzung der Abwärme kommt in erster Linie die Kälteerzeugung mittels einer Absorptionskältemaschine in Frage. Eine erste Demonstrationsanlage wird derzeit entwickelt und soll im Jahr 2009 in Spanien in Betrieb genommen werden. Bereits im Jahr 2009 wurde im neuen EU-geförderten Projekt SOLUGAS mit der Realisierung eines vor-kommerziellen solar-hybriden Gasturbinen-Kraftwerks mit 5 MWe bei Sevilla begonnen. Unter industrieller Leitung leistet das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt wesentliche Beiträge zur Auslegung des Gesamtsystems. Insbesondere die Auslegung des Hochtemperatur-Receivers, der die Luft bis auf maximal 800 °C erhitzen soll, liegt in den Händen des DLR. Die Anlage soll neben der PS10-Anlage in Sevilla (Spanien) erstellt werden und komplett mit Heliostatenfeld und Turm im Jahr 2010 in Betrieb gehen. Aufbauend auf den Ergebnissen und Erkenntnissen aus dem Projekt SOLHYCO zur Entwicklung eines solar-hybriden Mikrogasturbinensystems mit Abwärmenutzung durch eine Absorptionskältemaschine wurden in der vom BMU geförderten Studie USHYNE Systeme im größeren Leistungsmaßstab betrachtet (von 5 bis 7,5 MWe). Die Studie wurde gemeinsam mit dem Masdar Research Network (Vereinigte Arabische Emirate, VAE) bearbeitet. Das Projekt dient der Vorbereitung einer Demonstrationsanlage. Da sowohl für Strom als auch für Klimakälte ein stark zunehmender Bedarf prognostiziert wird, werden dieser Technik sehr gute Markchancen eingeräumt. In dieser Leistungsgröße bietet sich bereits die effiziente und wirtschaftliche Nutzung der heißen Abgase der Gasturbine zum Betrieb einer nachgeschalteten Dampfturbine an. Die Studie untersucht ob es von Vorteil ist, eine Kraft-Kälte-Kopplung über eine thermisch angetriebene Absorptionskältemaschine zu machen, womit man hochwertigen Dampf aus dem Dampfkreislauf entnehmen muss und somit Stromeinbußen erfährt. Alternativ ist es auch möglich den Dampf soweit wie möglich zu entspannen, damit maximale Stromausbeute zu erreichen und dann eine elektrisch betriebene Kompressionskältemaschine zu betreiben. Abbildung 1 zeigt die Grundkonzepte für eine solar-hybride Gasturbine zur Erzeugung von Strom und Kälte.

* Korrespondenzautor: Tel.: +49 711 6862 633, Fax:+49 711 6862 747, e-mail: Stefano.Giuliano@dlr.de 1 Masdar Institute of Science and Technology, P.O. Box: 54224, Abu Dhabi, UAE

Solar-strahlung

Erdgas

Input OutputEnergiewandlung

Kälte

Kraftwerks-block

Kraftstoff

Wärme

Mit Kraft-Kälte-Kopplung

Absorptions-kältemaschine

SolareWärme

Strom

Strom

Kälte

Strom

KraftwerkSolarturm KWK-Technologie

Solarfeld

Speicher(optional)

Solar-strahlung

Erdgas

Input OutputEnergiewandlung

Kälte

Kraftwerks-block

Kraftstoff

Ohne Kraft-Kälte-Kopplung

Kompressions-kältemaschine

SolareWärme

Strom

Strom

Kälte

Strom

KraftwerkSolarturm KWK-Technologie

Solarfeld

Speicher(optional)

a) Solar-hybride Gasturbine mit Kraft-Kälte-Kopplung b) Solar-hybride Gasturbine ohne Kraft-Kälte-Kopplung

Abbildung 1: Grundkonzepte einer solar-hybriden Gasturbine zur Erzeugung von Strom und Kälte

2 Resultate Im Projekt wurden auf Basis der analysierten solaren Einstrahlung und der bestehenden Infrastruktur in der Region VAE für zwei potentielle Standorte verschiedene konzeptionelle Systeme mit oder ohne Kraft-Kälte-Kopplung ausgelegt und deren Betriebsverhalten simuliert. Die Konzepte mit Kraft-Kälte-Kopplung beinhalten für den solar-hybriden Gasturbinenteil ein Heliostatenfeld, einen druckaufgeladenen Solarreceiver, der auf einem Turm montiert ist, eine für den solar-hybriden Betrieb modifizierte Gasturbine und eine Absorptionskältemaschine (AKM), welche die Abwärme der Wärmekraftmaschine nutzt, um Klimakälte bereitzustellen. Für die Referenzkonzepte ohne Kraft-Kälte-Kopplung kommen Kompressionskältemaschinen (KKM) zum Einsatz. Im Rahmen dieser Konzeptstudie wurden folgende Komponenten betrachtet: effiziente rekuperierte Gasturbinen oder Gas- und Dampfturbinen (GuD) im Leistungsmaßstab von ca. 5 MWe bis 7,5MWe; trocken- oder nassgekühlte ein- oder zweistufige AKM (ca. 3-12MWth); trocken- oder nassgekühlte hocheffiziente KKM; die Rückkühlung wurde an die örtlichen Gegebenheiten angepasst, womit Trocken- oder Nasskühler betrachtet wurden.

Rekuperator

Absorptions-kältemaschine

Kühlturm

Kältever-braucher

Receiver

Gasturbine

Brennkammer

SolarturmSolarfeld

Dampfturbine

Absorptions-kältemaschine

KühlturmKältever-braucher

RekuperatorReceiver

Gasturbine

Brennkammer

SolarturmSolarfeld

a) Solar-hybride rekuperierte Gasturbine mit Kraft-Kälte-Kopplung durch Absorptionskältemaschine

b) Solar-hybride Gas- und Dampfturbine mit Kraft-Kälte-Kopplung durch Absorptionskältemaschine

Abbildung 2: Anlagenschema eines solarthermischen Turmkraftwerks in Kombination mit einer hybrid befeuerten Gasturbine und Absorptionskältemaschine

Die Ergebnisse der Jahressimulationen zeigen, dass bzgl. der Jahresenergieerträge, der Effizienz und weiterer Kennwerte, es nicht möglich ist, pauschale Antworten über den Vergleich der jeweiligen Konzepte zu geben. Dies ist stark abhängig von den Randbedingungen und den örtlichen Gegebenheiten. Im USYHNE Projekt hat sich mit den gemachten Annahmen bzw. den gewählten Komponenten gezeigt:

Die Art der Rückkühlung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Jahresenergieerträge und die Effizienz. Da sowohl für den Kraftwerksblock (hier nur für GuD) und die Kältemaschine dies die Auswahl der Komponenten und den Betrieb entscheidend bestimmt, zeigt sich dass Konzepte mit Nasskühlung einen klaren Vorteil zeigen. In Ländern wie VAE ist Nasskühlung allerdings nicht an jedem Standort möglich, da die natürlichen Wasserressourcen beschränkt sind und Frischwasser hauptsächlich durch Meerwasserentsalzung gewonnen wird.

Der Gesamtwirkungsgrad (für Strom und Kälte) und der Solaranteil sind bei Konzepten mit einer Gas- und Dampfturbine höher als bei Konzepten mit rekuperierter Gasturbine.

An Standorten mit Nasskühlung hat die solar-hybride Kraft-Kälte-Kopplung keinen Vorteil gegenüber der getrennten Erzeugung von Strom und Kälte. Vorausgesetzt ist hier, dass moderne hocheffiziente Kompressionskältemaschinen verwendet werden.

An Standorten mit Trockenkühlung ist die Auswahl der möglichen am Markt verfügbaren AKM stark eingeschränkt. Die verfügbaren Anlagen sind relativ ineffizient bei der höheren Rückkühltemperatur. Dadurch hat sich gezeigt, dass es besser ist, die solar-hybride Gasturbine ohne Kraft-Kälte-Kopplung zu betreiben, aber einen Teil des erzeugten Stromes zu verwenden, um eine Kompressionskältemaschine anzutreiben.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass – wenn möglich - es vorteilhafter ist, die Abwärme der Gasturbine über eine angeschlossen Dampfturbine zu verstromen und dann über eine KKM Kälte zu erzeugen, anstatt die Abwärme über eine AKM in Kälte zu wandeln.

In einer detaillierten wirtschaftlichen Bewertung der simulierten Konzepte, hat sich gezeigt:

Eine solar-hybride Gasturbine mit Kraft-Kälte-Kopplung mit Nasskühlung kann unter bestimmten Voraussetzungen wirtschaftliche Vorteile bieten.

Konzepte mit Trockenkühlung konnten keinen wirtschaftlichen Vorteil für die gemeinsame Erzeugung von Strom und Kälte zeigen.

Bei einer konkreten Planung einer solchen Anlage sollten diese Aussagen individuell unter Beachtung der örtlichen Rahmenbedingungen für die Kosten der Komponenten, die Brennstoffkosten und mögliche Einspeisetarife für den solar erzeugten Strom bzw. solar erzeugte Kälte geprüft werden, da die Ergebnisse sich nicht entscheidend unterscheiden und stark von den genannten Parametern abhängen.

Eine Analyse der CO2-Emissionen hat gezeigt, dass die Wahl der Referenz für einen Vergleich wichtig ist: Wird die solar-hybride Gasturbine mit Kraft-Kälte-Kopplung mit einer dezentralen Anlage oder mit einem Großkraftwerk verglichen?

Vergleich der USHYNE Systeme mit nicht solaren, dezentralen Anlagen der gleichen Leistungsklasse: Je nach Konzept lassen sich CO2-Emissionen bis zu 26% einsparen. Wählt man Solarreceiverkonzepte, die eine höhere Temperatur zulassen, womit sich der Solaranteil der solar-hybriden Gasturbine erhöht, sind Einsparungen bis zu 38% möglich. Überraschend ist das Ergebnis, dass die Kraft-Kälte-Kopplung nicht zwangsläufig einen Vorteil bzgl. der CO2-Emissionen liefert. Die CO2-Einsparungen kommen ausschließlich über den solaren Anteil der solar-hybriden Gasturbine.

Vergleich der USHYNE Systeme mit einem Großkraftwerk: In den VAE muss man sich mit einem hocheffizienten Kraftwerkspark vergleichen, da hauptsächlich große GuD-Kraftwerke betrieben werden. Dadurch resultiert, dass die dezentrale solar-hybride Gasturbine mit oder ohne Kraft-Kälte-Kopplung nur dann CO2-Emissionen vermeiden kann, wenn der Jahressolaranteil möglichst hoch ist (ca. >25%). Hierdurch sind CO2-Einsparungen bis zu 28% möglich.

3 Zusammenfassung und Ausblick Die technische und wirtschaftliche Machbarkeit eines solar-hybriden Gasturbinenkraftwerkes im kleinen Leistungsbereich mit Abwärmenutzung durch eine Absorptionskältemaschine lässt sicht nicht einfach beantworten. Bei einer konkreten Planung einer solchen Anlage sollte das Energiekonzept zur dezentralen Versorgung mit Strom und Kälte, beispielsweise von Hotelanlagen, Krankenhäusern, Wohngebieten, usw., individuell unter Beachtung der örtlichen Rahmenbedingungen für die Kosten der Komponenten, die Brennstoffkosten und mögliche Einspeisetarife für den solar erzeugten Strom bzw. solar erzeugte Kälte geprüft werden. Es ist nicht ohne weiteres möglich, pauschale Antworten über den Vergleich der jeweiligen Konzepte zu geben, da dies ist stark abhängig von den Randbedingungen und den örtlichen Gegebenheiten ist. Die Autoren danken dem Deutschen Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) für die finanzielle Förderung der Arbeiten im Rahmen des Projektes USHYNE (03UM0088).

L iteratur [1] SOLGATE – Solar Hybrid Gas Turbine Electric Power Systems, Final Technical Report, European Commission, 2004. [2] Buck, R.; Friedmann, S.; Solar-Assisted Small Solar Tower Trigeneration Systems, Solar Energy Engineering, 129, 349 – 354, 2007. [3] Heller, P.; Buck, R.; Uhlig, R.; Jedamski, J.; Stand der Entwicklung von solar-hybriden Gasturbinensystemen für Kraft-Wärmekopplung und Kombiprozesse, 11. Sonnenkolloquium, 2008.