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Solarthermische Kleinkraftwerke (MSTPP) Add-On-Systeme |
Solarthermische Kollektorfelder als Ergänzung zu fossilbefeuerten KraftwerkenRüstet man ein bestehendes oder neues fossilbefeuertes Kraftwerk mit einem Kollektorfeld aus, dann spricht man von einem so genannten solaren Add-On. Solare Add-Ons sind ein Untergruppe der hybriden Kraftwerke, in denen gleichzeitig sowohl fossile als auch regenerative Energien zur Stromerzeugung genutzt werden. Der Effekt ist, dass im fossilbefeuerten Kessel des Kraftwerks weniger Brennstoff verbrannt werden muss, um die gleiche Menge an Elektrizität zu erzeugen. Man spricht im Englischen auch von so genannten Fuel Saver Anlagen. Ein solarthermisches Add-On ist prinzipiell ein Kollektorfeld, welches heißes Wasser oder Dampf produziert und diesen in den Wasser/Dampf-Kreislauf des (existierenden) fossilen Kraftwerks einspeist. Ein in 2005 veröffentlichter Report
für die Weltbank bescheinigt diesem Konzept gute Eignung zur Markteinführung
von solarthermischen Kollektoren zur Stromerzeugung sowie auch gute
energetische Wirkungsgrade. Das erste Kollektorfeld, das später als solares Add-On zu einem fossilbefeuerten Kraftwerk dienen soll, wurde Mitte 2004 durch Solar Heat and Power Pty. Ltd. in Betrieb genommen. Es hat eine Nennleistung von 1 MWth und wird an einem 500 MW Block des Kohlekraftwerks Liddell in New South Wales in Australien angeschlossen sein. Die Ergebnisse der Kollektor-Testphase waren so gut, dass der Kunde, der größte australische Kraftwerksbetreiber Macqarie Generation die Erweiterung des Feldes auf die 15-fache Größe und den Anschluss an das Kraftwerk in Auftrag gegeben hat. Das Team der Sustainable Heat & Power Europe GmbH mit ihrem Erfahrungsschatz aus der konventionellen Kraftwerksbranche sieht das Add-On Konzept als den logischen Weg an, die Technologie zur Nutzung von Solarenergie in die großtechnische Stromerzeugung einzuführen. Die Risiken für den Kraftwerksbetreiber sind minimal. Auf der anderen Seite können eine Menge Synergieeffekte genutzt werden, wenn die junge Solartechnik mit der etablierten Kraftwerksindustrie zusammenarbeitet.
AnwendungsbereicheDas Konzept der solarthermischen Add-Ons ist hauptsächlich auf die gewaltige Flotte existierender fossiler Kraftwerke ausgerichtet, die gemäß ihrer technischen Lebensdauer noch 2 Dekaden betrieben werden sollen. Man stelle sich nur alle gas- oder ölbefeuerten Kraftwerke im Nahen Osten vor, oder die Menge an Kohlekraftwerken in anderen sonnigen Gebieten der Erde. Ob wir es in Mitteleuropa wollen oder nicht, diese Kraftwerke werden in den Schwellenländern allein wegen fehlender Liquidität für Ersatzmaßnahmen weiterbetrieben werden und nicht durch effizientere oder gar rein regenerative Kraftwerke ersetzt werden. Solare Add-Ons bieten den betroffenen Ländern eine ideale Lösung, bei geringer Investion Emissionen und Brennstoff kosten einzusparen (und zusätzliche Spitzenleistung zu gewinnen). Add-Ons können für eine Vielzahl von Anwendungen vorgesehen werden. Diese Unterscheiden sich hauptsächlich im Verhältnis zwischen solarer und fossiler Energie sowie der Position der Einspeisung in den Wasser/Dampf-Kreislauf = das benötigte Druck/Temperatur-Niveau des solaren Dampfes bzw. Druckwassers. Das einfachste und momentan kosteneffektivste Konzept ist es, die aus der Turbine zur Vorwärmung des Speisewassers entnommene Energiemenge zu reduzieren und mit solarer Energie zu ersetzen. Dies hat 2 Effekte auf das Kraftwerk: a) die spezifischen Emissionen pro kWh erzeugten Stroms werden geringer, da ein Teil des Brennstoffs durch die CO2-freie Solarenergie ersetzt wird, und b) die Spitzenlastfähigkeit des Kraftwerks wird größer. Letzterer Effekt beruht darauf, dass durch das Schließen oder Androssseln der Dampfentnahmeleitung an der Hochdruck-Turbine mehr Dampf in der Turbine zur Verfügung bleibt und somit auch durch die nachfolgenden Mittel- und Niederdruckstufen der Turbine strömen kann. Dort erzeugt dieser sonst nicht verfügbare Dampf eine zusätzliche Menge Strom. Es ist unsere feste Überzeugung, dass die solarthermische Stromerzeugung in den nächsten Jahren in andere, anspruchsvollere Anwendungen in Dampfkraftwerken wachsen wird. Dies wird die solare Erzeugung von Sattdampf auf Mittel- und Hochdruckniveau (330°C/ 130 barg) und schließlich auch die Bereitstellung von überhitztem Dampf auf dem Niveau moderner Kraftwerke (585°C / 270 barg) sein. Produkt/SystemDas Kollektorfeld-Design und die angewandte Kollektortechnologie hängt hauptsächlich vom benötigten Temperatur/Druck-Niveau des Betriebsmediums am Austritt des Kollektors ab. Als überschlägige Regel sind Fresnel Kollektoren auf dem momentanen Entwicklungsstand am besten für niedrige und mittlere Temperaturen (bis ca. 300 °C) und Parabolrinnen für mittlere Temperaturen (330 °C bis ca. 400 °C) geeignet. Stark konzentrierende Systeme wie Dish und Solarturmkonzepte sind gegenwärtig die einzigen Möglichkeiten, die in modernen und geplanten Kraftwerken benötigten hohen Frischdampf-Temperaturen (über 600 °C) zu erreichen. Kraftwerksbetreiber denken aufgrund ihrer Aufgabe, die Versorgungssicherheit zu allen Zeiten zu gewährleisten, in der Technologiewahl zu Recht sehr konservativ und risikoscheu. Dieser Ansatz muss auch und gerade bei solaren Add-Ons befolgt werden. Die Integration und der Betrieb des Solarkollektorfelds darf also weder die bestehenden Installationen gefährden, noch darf es zu Einschränkungen oder Risiken für die Betriebsführung des Kraftwerks, dessen Verfügbarkeit und insbesondere dessen Zuverlässigkeit kommen. Bis jetzt können nur Fresnel-Kollektoren, die für die Speisewasservorwärmung vorgesehen sind, diese Eigenschaften erfolgreich nachweisen. In der Sustainable Heat & Power Europe GmbH verfolgen wir den Ansatz „das einfache zuerst“. Daher ist unser momentanes Fokus ein Fresnel Kollektorfeld zur Speisewasservorwärmung bis ca. 290 °C, Dies ist im Hinblick auf die gewaltige Menge an möglichen Kraftwerkserweiterungen allein für diese solare Speisewasservorwärmung bereits ein sehr gewaltiger Markt. Da der Kollektor aber in der Lage ist, Sattdampf auf diesem Temperaturniveau zu liefern, kann das Solarfeld auch als Dampferzeuger für Mitteldruckdampf bei ca. 70 barg genutzt werden, sofern das Kraftwerk diese Druckschiene besitzt.
VorteileEntscheidet sich ein Kraftwerkbetreiber für ein solares Add-On, so erntet er verschiedene Vorteile. Mit der solaren Koppelung werden nicht nur die Emissionen an CO2 und anderen Abgasen reduziert, auch die Brennstoffmenge und die Kosten nehmen ab. Hinzu kommt, dass die solare Energie die Spitzenlastfähigkeit des Kraftwerks erhöht. Dies insbesondere in Zeiten, in denen am Netz der höchste Bedarf an Strom vorliegt. Dieser wird in den südlichen Ländern häufig durch den Einsatz von Klimaanlagen hervorgerufen, so dass es eine hervorragende Korrelation zwischen Lastanfall und verfügbarer Energie gibt. Der Kraftwerksbetreiber wird mit einem solaren Add-On also teilweise entlastet, Spitzenlast mit teuren Diesel- oder Heizöl-befeuerten Generatoren zu erzeugen oder wertvolle Wasservorräte aus Speicherkraftwerken zu entnehmen. In einem deregulierten Markt kann er zudem mehr Strom zu einem höheren Erzeugerpreis an den Netzbetreiber verkaufen.
Die obigen Vorteile können nachvollziehbar mit festen ökonomischen Größen bewertet werden, ohne dass der Betreiber sich Nachteile durch das Add-On einhandelt. Bei der solaren Speisewasservorwärmung sind nur minimale Änderungen am bestehenden Kraftwerk notwendig. Flexibilität in der Betriebsführung, thermischer Wirkungsgrad, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit bleiben auf dem Niveau von vor dem Umbau, wenn nicht gar höher. Markt/Unterstützung/Finanzielle AspekteSolarthermische Add-Ons führen zu mindestens 3 zusätzlichen Einnahmequellen bzw. Einsparpotenzialen:
Unglücklicherweise reichen die ersten 3 der obigen Elemente nicht aus, die noch vorhandene Kostenlücke zwischen fossiler und solarer Energie zu überbrücken. Es muss klar gesagt werden, dass der Emissionshandel bei den momentan vorherrschenden Zertifikatpreisen noch nicht ausreichend ist, die ökonomische Machbarkeit für den Betreiber darzustellen. Die Markteinführung muss daher unterstützt werden durch den Zugang zu günstigen Krediten und Zuschüssen, wie etwa für die momentan laufenden solarthermischen Kraftwerks-Projekte der Weltbank Global Environment Facility vorgesehen. Oder der Betreiber wird berechtigt, für den solaren Anteil der Stromerzeugung im Kraftwerk eine höhere Vergütung zu erlangen, wie dies in einigen Ländern für rein solar erzeugten Strom möglich ist. Leider wurde eine solche anteilige Vergütungsmöglichkeit bisher von den Festtarifsystemen für regenerativen Strom , die in Südeuropa gelten, ausgeklammert. Die kostengünstigste Lösung zur Einführung von Solarenergie in die großtechnische Stromerzeugung benötigt dabei eine weitaus geringere Anschubfinanzierung als alle anderen solaren Optionen. Hier sind die Gesetzgeber aufgefordert zu handeln und diese Hürde zu beseitigen. Mit zunehmendem Marktvolumen, technischem Fortschritt und sinkenden Kollektorkosten ist eine spezielle Unterstützung nur temporär erforderlich. Unser ServiceUnterstützt durch ein Netzwerk an regionalen und internationalen Kooperationspartnern und Lieferanten mit dem notwendigen technischen Know-how kann Sustainable Heat & Power Europe GmbH die folgenden Dienste und Lieferungen anbieten:
BeispielDas folgende Beispiel wurde im Rahmen des World Renewable Energy Congress in Aberdeen im Mai 2005 vorgestellt. Es zeigt die Ergebnisse der ersten Phase einer Studie, die dem portugiesischen Kraftwerksbetreiber EdP von Sustainable Heat & Power Europe GmbH gemeinsam mit Koch do Portugal vorgeschlagen wurde. Ziel der Studie ist es, die technische und ökonomische Machbarkeit eines Solarfelds zur Speisewasservorwärmung am Kohlekraftwerk Sines darzulegen. Hierzu wurde ein Lösungsansatz gewählt, in dem die erprobte Fresnel Kollektortechnologie angewandt wird.
Das Sines Kraftwerk besteht aus 4 Blöcken mit einer Leistung von jeweils 314 MVA. Das Temperaturniveau des letzten HD-Speisewasservorwärmers liegt bei 228°C und die Kesseleintrittstemperatur beträgt 258°C. Dies ist sehr ähnlich dem Anwendungsfall in Kohlekraftwerk Liddell in Australien. Beschränkender Faktor für die Kollektorkapazität in Sines ist die verfügbare freie Fläche innerhalb des Kraftwerkzauns. Sie beträgt ca. 30.000 m², so dass die thermische Nennleistung des Kollektors ca. 11,5 MWth betragen wird. Die obige Leistung korreliert mit einer elektrischen Kapazität von ca. 3,5 MW. Hierfür sind inklusive der Umbau- und Verbindungsarbeiten am bestehenden Kraftwerkblock ca. 3,3 Mio € Investition zu tätigen. Auf Basis der verfügbaren Solarstrahlungsdaten würde der Kollektor damit ca. 3 GWh Strom pro Jahr erzeugen und ca. 1.600 t an CO2-Emissionen vermeiden. Wenn der Portugiesische Tarif für photovoltaisch erzeugten Strom (ca. 28 c/kWh) auf die obige Energiemenge Anwendung finden würde, beträgt die Amortisationszeit der Installation weniger als 4 Jahre! Dies ist natürlich sehr attraktiv für einen Stromerzeuger, der in erneuerbare Energien investieren muss und will. Natürlich ist die Kollektorausbeute unter besseren solaren Bedingungen wie etwa in Nordafrika oder im Nahen Osten erheblich größer. Sie kann dort bis zum Doppelten der portugiesischen Performance ansteigen. Folglich sind die Stromgestehungskosten für diese Anlagen dort erheblich niedriger. In einer gemeinsamen Studie des Fraunhofer Instituts für solare Energiesysteme und E.On wurden die Stromgestehungskosten für die solare Speisewasservorwärmung mittels Fresnel Kollektor für ein ägyptisches Kraftwerk mit nur 5-6 c/kWh kalkuliert. Dies ist sogar günstiger als Windenergie an den meisten Standorten ist!
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