Solare Energiesysteme im Sonnengürtel: Neue Entwicklungen

Bernhard Hoffschmidt

AKE, 21.03.2019

Bad Honnef

Inhalt

• CSP Technologie

• Kosten- und Marktentwicklung

• CSP 4.0

• Hochtemperaturpartikelreceiver

• Hybridkraftwerke

• Wärmespeicherkraftwerke

Inhalt

• CSP Technologie• Kosten- und Marktentwicklung

• CSP 4.0

• Hochtemperaturpartikelreceiver

• Hybridkraftwerke

• Wärmespeicherkraftwerke

Kommerzieller Markt seit 2007 Heute weltweit mehr als 90 Kraftwerke mit 5 GW an Leistung

Große thermische Speicher in solarthermischen Kraftwerken entwickelt und erprobt

DLR.de • Chart 4

Thermal Storage vs. Electric Storage

CSP with thermal storage and fossil back provides reliable dispatchable power

at no additional cost

2000 h

+2000 h

>95 %

= 75%

200 h

Firm capacity

DLR.de • Chart 5

Inhalt

• CSP Technologie

• Kosten- und Marktentwicklung• CSP 4.0

• Hochtemperaturpartikelreceiver

• Hybridkraftwerke

• Wärmespeicherkraftwerke

CSP PPA Sales Price

Source: IA Tech GmbH

DLR.de • Chart 7

CSP Market

Source: IA Tech GmbH

DLR.de • Chart 8

Inhalt

• CSP Technologie

• Kosten- und Marktentwicklung

• CSP 4.0• Hochtemperaturpartikelreceiver

• Hybridkraftwerke

• Wärmespeicherkraftwerke

Vision: autonomer, voll automatisierter und optimierter Betrieb

Controllroom

GST

Plant

HTSQ.

Pe.

.

Heliostat

Receiver

Power

Tower

Energy

Data

Controller

Q

Process Heat Consumer

DLR.de • Chart 10

Solarthermische Kraftwerke sind komplexe Systeme

110 MW

10 h Speicher

> 10.000 Heliostate á 115 m²

Turmhöhe 195 m

500 GWhe Jahresproduktion

(entspricht ca. 200 MW PV)

Crescent Dunes Solar Energy Project (Tonopah)

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

10

/15

11

/15

12

/15

01

/16

02

/16

03

/16

04

/16

05

/16

06

/16

07

/16

08

/16

09

/16

10

/16

11

/16

12

/16

01

/17

02

/17

03

/17

04

/17

05

/17

06

/17

07

/17

08

/17

09

/17

10

/17

11

/17

12

/17

MW

h

CSP Plant CRESCENT DUNES monthly generation

Crescent Dunes Solar Energy Cum

DLR.de • Chart 11

Herausforderung: Regelung der Strahlungsflussverteilung

?

Optische Effizienz Betriebssicherheit

?Das Problem ist komplex• hoher Freiheitsgrad • Größe und Form der Heliostatbrennflecken unterschiedlich • zeitlich variable• endliche Nachführgenauigkeit

DLR.de • Chart 12

Stand der Technik

Gemessene und simulierte Strahlungsflussverteilung eines einzelnen Heliostaten

gemessenSimulation basiert auf statistischen Fehlerannahmen

Geringe Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung

DLR.de • Chart 13

Berücksichtigung der Reflektorform mittels Deflektometrie

Automatisches Deflektometrie Messsystem

Jülich2014/15

• Automatische Auswahl der Heliostaten

• Automatische Messung und Auswertung

• Messintervall: ~60sec./hel.

DLR.de • Chart 14

Validierung durch Vergleich von Messung und Simulation

Messung Simulation

DLR.de • Chart 15

Modulnummer horizontal

Mod

ulnu

mm

er v

ertik

al

1 5 10 15 20 25 30 35 40 45

1

6

12

18

24

30

36

100kW

300kW

500kW

700kW

900kW

1100kW

Zielpunkt Optimierung @ Solar Tower Jülich

Referenz Fall

Erfahrung des Operators

Leistung = 100%

Intercept Optimierung

Power Output 111.31 %

Modulnummer horizontal

Mod

ulnu

mm

er v

ertik

al

1 5 10 15 20 25 30 35 40 45

1

6

12

18

24

30

36

100kW

300kW

500kW

700kW

900kW

1100kW

DLR.de • Chart 16

Messung der Strahlungsflussdichte auf einem großen Receiver

• Große Receiver ohne Target, das durch den Strahlengang gefahren wird.

• Strahlungsflussmessung auf Receiveroberfläche bislang sehr ungenau

• Neues Verfahren mit Genauigkeit < 8%

DLR.de • Chart 17

STRAL®

Was passiert bei Wolkendurchgängen?

DLR.de • Chart 18

Time ��

����

�

ℎ

����

Time ��ℎ =

�(�� − ��)

cot �� − cot ��

Bestimmung von Heliostatfeldverschattungen mittels Wolkenkameras

Cloud height can be derived if vpixel/s and vm/s are known

DLR.de • Chart 19

Orthoimage(5m per pixel)

Schattenkamerabild (4 pro Minute)

Standard Überwachungskamera

Schattenkamerasysteme zur Validierung der Wolkenmodelle

DLR.de • Chart 20

QFly – Drohnen sind ein Schlüssel zur schnellen Analyse großer Solarfelder

50 MW PTC solar field (Andasol I)QFly UAV

QFly – Überflug einer ParabolrinneRaw Data

DLR.de • Chart 22

MessprinzipVerzerrter Reflex des Absorberrohrs erlaubt Bestimmung von Formfehlern

Slide 23 www.dlr.de/enerMENA> 21. Kölner Sonnenkolloquium > Pitz-Paal/Hoffschmidt > 4. Juli 2018

DLR.de • Chart 23

Evaluation

•Correction of lens distortion

•Image rectification

•Image treatment

•Edge detection

•Input of geometrical set-up

•Calculation of slope errors

Slide 24 www.dlr.de/enerMENA> 21. Kölner Sonnenkolloquium > Pitz-Paal/Hoffschmidt > 4. Juli 2018

DLR.de • Chart 24

Inhalt

• CSP Technologie

• Kosten- und Marktentwicklung

• CSP 4.0

• Hochtemperaturpartikelreceiver• Hybridkraftwerke

• Wärmespeicherkraftwerke

Advanced SaltTmax > 600°C

ParticlesTmax > 900°C

Liquid MetalTmax > 800°C

Challenges and Objectives

• High Concentration + High Temperature

= High Efficiency = Low Cost

• Advanced heat transfer media needed for:

High temperature operation

Efficient storage integration

Break todays temperature limit

of 400°C (trough) / 560°C (tower)

Risk

Silicon OilTmax = 480°C

AirTmax > 700°C

Third party funding Helmholtz Funding

DLR.de • Chart 26

• CentRec® system concept and performance modelling

• Particle flow: theory, model, experiments

• Design of 500 kW receiver

• First results from 500 kW receiver test

Infrastructure:

Solar receiver test platform

@Juelich Solar Power Tower

Can ceramic particles be used as efficient heat transfer media at

T >650°C to achieve ηsys >20%?

Can ceramic particles be used as efficient heat transfer media at

T >650°C to achieve ηsys >20%? Research Question 1 Research Question 1

DLR.de • Chart 27

Result: Concept of Particle Receiver

Bauxite particles

• Cheap (500 – 1000 €/t)

• Stable >1000°C

• Direct absorption

• Direct storage

• Low cost to move

• Residence time controlled by rotational speed• Cylinder walls isolated by particle layer

CentRec® rotating receiver concept

DLR.de • Chart 28

Results: Particle Receiver – detailed modelling

+ 15 % Output

DLR.de • Chart 29

Surface roughness

Results: How to achieve Homogeneous Particle Flow

• One- or two-phase flow depending on layer

thickness

• Avalanches below critical mass flow

• Flow characteristics depend on

Mass flow,

Surface roughness,

Particle diameter and roughness

Inclination angle

• No models available in literature to predict

flow conditions

DLR.de • Chart 30

Results:500 kW Receiver Design and Testing

Risk of “avalanches” avoided by design:

• Thin particle film regime (1-phase flow)

• Profiled wall surface structure

• Periodic modulation of rotation speed

Integration into Juelich Solar Tower: 05/2017

• Begin of solar testing: 24/09/2017

• Test campaign 2018 : 60 hours of solar operation

• Maximum particle exit temperature: 965°C

DLR.de • Chart 31

DLR.de • Chart 32

Outlook

Particle Receiver Concept

• Industrial interest attracted:• Development of all critical components• 1MWth complete system test starting 2020 @Juelich Solar Tower• Partner: German industry consortium and DLR spin-off company

• IEA SolarPACES: working group established to benchmark technology

Particle Receiver Concept

• Industrial interest attracted:• Development of all critical components• 1MWth complete system test starting 2020 @Juelich Solar Tower• Partner: German industry consortium and DLR spin-off company

• IEA SolarPACES: working group established to benchmark technology

• Longer term: Chemically active particles for thermochemical solar fuels production

• Longer term: Chemically active particles for thermochemical solar fuels production

DLR.de • Chart 33

Inhalt

• CSP Technologie

• Kosten- und Marktentwicklung

• CSP 4.0

• Hochtemperaturpartikelreceiver

• Hybridkraftwerke• Wärmespeicherkraftwerke

NREL | 35

Hybride erneuerbare Systeme ermöglichen einen kostengünstigen und flexiblen Betrieb

Concentrating solar power (CSP) PV plus battery

Image © NREL / Al Hicks

DLR.de • Chart 35

NREL | 36

DLR.de • Chart 36

NREL | 37

DLR.de • Chart 37

NREL | 38

Hybridtechnologie kann Energieerzeugungskosten senken

• Eine kürzlich von NREL und der Colorado School of Minesdurchgeführte Analyse zeigte eine vielversprechende Verbesserung der Kosten und der Leistung für einen Standort im Norden Chiles

• Wann sind Hybridanlagen sinnvoll?• Wenn Kapazität und Zuverlässigkeit wichtig sind und

diese vergütet werden• Wenn sowohl die Tages- als auch die Nachtproduktion

wertvoll sind

• Wann sind Hybriden nicht sinnvoll?• Wenn der Zeitpunkt oder die Konsistenz der Produktion

nicht wichtig ist

• Hybridanlagen erfordern Methoden zur Optimierung des Zeitpunkts der Energieerzeugung aus jedem Teilsystem

10094,9

51,3

72,969,2

85,1

PPA PRI C E ( U S $ / M WH)

L C O E ( U S $ / M WH) C A PA C I T Y F A C T O R ( % )

CSP only Hybrid

DLR.de • Chart 38

Inhalt

• CSP Technologie

• Kosten- und Marktentwicklung

• CSP 4.0

• Hochtemperaturpartikelreceiver

• Hybridkraftwerke

• Wärmespeicherkraftwerke

CSP Kraftwerk

2000 h

+2000 h

>95 %

= 75%

200 h

Firm capacity

DLR.de • Chart 40

Wärmespeicherkraftwerk der 1. Stufe (40 % Wirkungsgrad)

Wärmespeicherkraftwerke liefern mit geringer fossiler Zufeuerung die notwendige Versorgungssicherheit

>4000 h

>95 %

XX h

Gesicherte Versorgung

41

DLR.de • Folie 41

Wärmespeicherkraftwerk der 2. Stufe (70 % Wirkungsgrad)

>4000 h

>95 %

XX h

Gesicherte Versorgung

42

M

DLR.de • Folie 42

Wärmespeicherkraftwerke liefern mit geringer fossiler Zufeuerung die notwendige Versorgungssicherheit

DLR.de • Folie 43

Pilotanlage in einem der RWE Kohlekraftwerke (Reallabor)

ErneuerbareStromerzeugung

(Wind, PV, ...)

Vorhandenes Kraftwerk der RWE

Neu zu errichtende Wärmespeicheranlage mit Dampferzeuger

heißerSalztank

kalterSalztank

Pumpe

Pumpe

ElektrischerErhitzer

KohlebefeuerterDampferzeuger

Kohle

Konden-sator

Kühlturm

Dampfturbinemit GeneratorG

Speisewasser-pumpe

Überschussstromaus Kraftwerk

Rauch-gas

mit Flüssigsalzbeheizter Dampf-erzeuger

Dampf-erzeuger

G

Speisewasser

Frischdampf Turbine und Generator

DLR.de • Chart 44

Wärmespeicherkraftwerke (WSK) nehmen Variable Regenerative Elektrizität (VRE) aus dem Netz und liefern Dargebots-unabhängige Regenerative Elektrizität (DRE) in das Netz

Speise-wasser-pumpe

DRE

KondensatorElektro-heizer

HeißerTank

Kalter Tank

Entlade-Pumpe

Lade-Pumpe

OptionalZufeuerung

VRE

DLR.de • Chart 45

Beispiel: Photovoltaikstrom deckt Grundlastbedarf

Variable Regenerative Elektrizität

Dargebots-unabhängigeRegenerativeElektrizität

direkte Nutzung so weit möglich

PV

Le

istu

ng

Strom in WärmeWärme (und Brennstoff) in Strom nach Bedarf

Wärmespeicherkraftwerk

Zeit

DLR.de • Chart 46

Herzlichen Dank für ihre Aufmerksamkeit!