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Wasserverbrauch und Wassereinsparung bei solarthermischen Kraftwerken J. Dersch, C. Richter, DLR
Wasserverbrauch und Wassereinsparung bei solarthermischen Kraftwerken J. Dersch, C. Richter, DLR
Folie 2 > Sokoll 2010
Inhalt
Grundlagen Kühlung
Typen von Kühlanlagen
Meteorologische Daten der Standorte
Erweiterte Ergebnisse
Zusammenfassung
Folie 3 > Sokoll 2010
Physikalische Zusammenhänge
Solarthermische Kraftwerke arbeiten in der Regel nach dem Clausius- Rankine Kreisprozess
Die Leistung der Turbine ist umso größer, je niedriger der Kondensationsdruck ist
Der Kondensationsdruck wiederum hängt von der Temperatur ab
Eine Wärmesenke mit möglichst niedriger Temperatur verbessert den Wirkungsgrad
h
s
01
2
3
hTurbine
hKondensator
kP
Folie 4 > Sokoll 2010
Kühloptionen 1:
Kondensat
Dampf
Turbine
Fluss
Durchlaufkühlung
Turbine
Dampf
Kondensat
Oberflächen-kondensator
Kühlturm
Nasskühlturm
Folie 5 > Sokoll 2010
Kühloptionen 2: Trockenkühlung
Luftgekühlter Kondensator Heller Kühlsystem
Turbine
Dampf
Kondensat Kondensat
Dampf
Turbine
Kühlturm
Misch-kondensator
Folie 6 > Sokoll 2010
Typischer Wasserverbrauch eines solarthermischen Kraftwerks mit Nasskühlturm
Kühlturm91.8%
Spiegelreinigung2.0%
Trinkwasser0.1%
Dampfkreislauf6.1%
Spez. Wasserverbrauch der SEGS-Anlagen ca. 3800 l/MWh (bezogen auf die Netto- Stromerzeugung)
Der größte Anteil entfällt auf die Kühlung
Der Dampfkreislauf verbraucht Wasser für Abschlämmung, Entgasung, Stopfbuchsendampf…
Die Spiegelreinigung macht nur etwa 76 l/MWh aus. (27 l/m²a)
Folie 7 > Sokoll 2010
Übergang auf Trockenkühlung
Wasserverbrauch
Geschlossenes Kühlsystem
Investitionskosten
Größere Wärmeübertragungsflächen
Brutto-Wirkungsgrad
Höherer Kondensatordruck
Eigenverbrauch
Höhere Antriebsleistung
Quelle: SPX
Quelle: GEA
Folie 8 > Sokoll 2010
Das Projekt EFCOOL
Jahressimulationen für unterschiedliche Standorte mit einem stationären Modell
Kennlinien-Modelle für die unterschiedlichen Kühlsysteme
Es wurden Jahresertrags-Simulationen mit stündlicher Auflösung durchgeführt
Für jede Anlage und jeden Standort wurde jeweils die Solarfeldgröße optimiert
Referenzsystem: Parabolrinnenkraftwerk 50 MW mit Nasskühlturm
Vergleich Jahresertrag an Elektrizität, LEC und Wasserverbrauch
Förderung durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (FKZ: 16UM0077)
Zwei zusätzliche Standorte
Folie 9 > Sokoll 2010
Die optimale Solarfeldgröße
0.150
0.155
0.160
0.165
0.170
0.175
0.180
180000 200000 220000 240000 260000 280000 300000 320000
aperture area in m²
LCO
E in
€/k
Wh
optimale Solarfeldgröße
Apertur in m²
LEC
in €
/kW
h
Folie 10 > Sokoll 2010
Tabellarischer Vergleich der Standorte
Standort
Breiten- grad
mittlere Umgebungs-temperatur in °C
mittlere relative Luftfeuchte in %
mittlere Umgebungs-temperatur bei DNI > 250 W/m² in °C
mittlere relative Luftfeuchte bei DNI > 250 W/m²in %
mittlere Feuchtkugel-temperatur bei DNI > 250 W/m² in °C
Jahres-summe Direkt-strahlung in kWh/m2
Spanien 37 19.6 65 24.2 43 16.6 2015
Kalifornien 35 19.8 33 24.3 25 14.4 2791
Marokko 34 16.7 57 20.7 43 13.0 1945
Ver. Arabische Emirate 24 29.5 38 34.1 27 21.0 2128
Folie 11 > Sokoll 2010
Temperaturen
0
200
400
600
800
1000
0 10 20 30 40 50
Temperatur in °C
DN
I in
W/m
2
0
200
400
600
800
1000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0
Temperatur in °C
DN
I in
W/m
2
Ver. Arabische Emirate, Tm : 34.1°C, DNI Jahressumme 2128 kWh/m²
Spanien, Tm : 24.2°C, DNI Jahressumme 2128 kWh/m²
0
200
400
600
800
1000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0
Temperatur in °C
DN
I in
W/m
2
Marokko, Tm : 20.7°C, DNI Jahressumme 1945 kWh/m²
0
200
400
600
800
1000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0
Temperatur in °C
DN
I in
W/m
2
Kalifornien, Tm : 24.3°C, DNI Jahressumme 2791 kWh/m²
Folie 12 > Sokoll 2010
Feuchtkugel-Temperaturen
Ver. Arabische Emirate, DNI Jahressumme 2128 kWh/m²
Spanien, DNI Jahressumme 2128 kWh/m²
0
200
400
600
800
1000
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00Feuchtkugel-Temperatur in °C
DN
I in
W/m
2
0
200
400
600
800
1000
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00Feuchtkugel-Temperatur in °C
DN
I in
W/m
2
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00Feuchtkugel-Temperatur in °C
DN
I in
W/m
2
Marokko, DNI Jahressumme 1945 kWh/m²
0
200
400
600
800
1000
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00Feuchtkugel-Temperatur in °C
DN
I in
W/m
2
Kalifornien, DNI Jahressumme 2791 kWh/m²
Folie 13 > Sokoll 2010
Ergebnisse der Jahresrechnungen
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
1.15
ACC Kalifornien ACC Spanien ACC Marokko ACC UAE
rela
tiver
Wer
t
SolarfeldgrößeJahres-ElektrizitätserzeugungLECGesamt-InvestitionskostenWassereinsparung
Referenzwert (1.0) ist eine Anlage mit Nasskühlturm am jeweiligen Standort
Folie 14 > Sokoll 2010
Zusammenfassung
Der Übergang von nasser Rückkühlung auf Trockenkühlung erhöht die Investitionskosten und verringert den Wirkungsgrad von (solarthermischen) Kraftwerken
Die Stromgestehungskosten steigen um ca. 3-10%
Die Wassereinsparung beträgt mehr als 90%
Der Einfluss der Umgebungsbedingungen am einzelnen Standort ist dominant, so dass quantitative Aussagen nur für den Einzelfall gelten
Eine standortspezifische Auslegung und Optimierung ist unverzichtbar
