Add-On-Systeme

Solarthermische Kleinkraftwerke (MSTPP)

Einleitung

Solarthermische Kleinkraftwerke MSTPP (Mini Solar Thermal Power Plants) stehen im Wettbewerb mit größeren Photovoltaiksystemen des Leistungsbereiches von über 100-200kWp, wo der Direktstrahlungsanteil der Solarstrahlung überwiegt.
Anders als PV-Anlagen können MSTPP zusätzlich hochwertige thermische Energie bereitstellen, mit der wertvolle zusätzliche Produkte wie etwas Prozessdampf, Kälte oder entsalztes Wasser erzeugt werden können. Und in Kombination mit preisgünstigen und einfachen Methoden der Wärmespeicherung ist es sogar möglich, eine Grundlastversorgung mit dem MSTPP-Konzept bereitzustellen.
Dies sind gravierende technische Vorteile gegenüber PV-Systemen.

Basiskonfiguration

Die Basiskonfiguration eines MSTPP ist prinzipiell ein Dampfmotor, der von einem konzentrierenden Solarkollektorfeld mit Dampf beliefert wird, um Elektrizität zu erzeugen. Der konzentrierende Solarkollektor produziert Sattdampf auf einem Temperaturniveau von ca. 270°C, der direkt zum Betrieb des Dampfmotors genutzt wird. Zusätzlich zum Kollektorfeld und dem Dampfmotor gehören natürlich weitere Kraftwerkskomponenten wie Generator, Stromableitung, Kühlsystem, etc. zur Basiskonfiguration.

Erweiterte Konfigurationen

In erweiterten Konfigurationen können MSTPP durch einen Speicher, eine Zusatz- oder Backup-Feuerung und/oder verschiedene Anwendungen der Wärmenutzung ergänzt werden.
Der Wärmespeicher hilft, auch die solare Wärmeleistung zu nutzen, welche die Nennleistung des Dampfmotors überschreitet. So kann das System auch in Zeiten nicht ausreichender Einstrahlung betrieben werden und somit die Nutzungszeit entscheidend erweitert werden.

Anwendungen zur Nutzung der Wärme können auf verschiedenen Temperaturniveaus erfolgen:

• Auf hohem Temperaturniveau von bis zu ca. 290°C - Nutzung des Dampfes, der direkt vom Kollektor kommt
• Auf mittlerem Temperaturniveau um 100°C – Nutzung der Abwärme, die den Dampfmotor als entspannter Dampf am Auslass verlässt
• Auf niedrigem Temperaturniveau von 40-80°C – Nutzung der Wärme, die das Motor- bzw. das Rückkühlsystem verlässt

Detailliertere Beispiele für die Wärmenutzung sind etwas weiter unten aufgelistet.

Anwendungsbereiche 

MSTPP können sowohl als Stand-Alone-System ausgelegt werden, als auch in einer Kombination mit verschiedenen Wärmequellen realisiert werden. So kann der Grundlastbetrieb z.B. durch die Integration eines Biomasse-Kessels garantiert werden, während wertvolle Biomasse tagsüber eingespart werden kann. Damit bieten sich intelligente Lösungen für eine große Bandbreite möglicher Anwendungsfälle.

Die Grenzen einer sinnvollen Anwendung von MSTPP werden im Wesentlichen durch die Direktstrahlungsbedingungen, die verfügbaren Motorgrößen, die verfügbare Fläche für die Kollektoren sowie die möglichen wirtschaftlichen Abwärmenutzungen bestimmt.

Der kleinste verfügbare Dampfmotor hat eine elektrische Nennleistung von 100kW. Wegen der Vorteile, die MSTPP-Systeme im Vergleich zu PV-Systemen bieten, sollten MSTPPs immer dort bevorzugt angewendet werden, wo ein hoher Direktstrahlungsanteil verfügbar ist und die Abwärme genutzt werden kann. Wegen der geringeren Kosten bei der Stromerzeugung von MSTPP gegenüber PV kann es aber auch ohne eine Wärmenutzung sinnvoll sein, MSTPP zur reinen Stromerzeugung einzusetzen. Dies hängt wesentlich von der verfügbaren Vergütungshöhe für solarthermischen Strom ab.

Das obere Limit für MSTPP wird durch die Verfügbarkeit kostengünstiger Dampfturbinen bestimmt, die das Lastkollektiv aus den Schwankungen der Betriebsparameter des solar erzeugten Dampfs vertragen. Bis zu einer Größenordnung von etwa 5MWel ist daher die Nutzung eines Dampfmotors gegenüber der Dampfturbine die bessere Lösung.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass MSTPPs eine wichtige Lücke füllen zwischen den kleinen dezentralen PV-Systemen und zentralen solaren Großkraftwerken.

Produkt/System 

Den größten Teil des Kraftwerks stellt sowohl auf die Fläche als auch auf die Investition bezogen die Fresnel Kollektorfläche dar, die übrigen Installationen nehmen nur noch etwa 200 m² ein. Diese übrigen Installationen sind der Dampfmotor einschließlich seiner Hilfsaggregate und Nebensysteme, das Kontroll-System, das Kühlsystem sowie die Infrastruktur zur Netzanbindung und ggf. ein Wärmespeicher und die Systeme zur Abwärmenutzung.

Der Fresnel Reflektor konzentriert die direkte Solarstrahlung auf einen Absorber, in dem Wasser auf ca. 270°C erhitzt und verdampft wird. Die Energie des Dampfes wird mittels eines Motors in mechanische Rotationsenergie umgewandelt, aus der im Generator elektrische Energie erzeugt wird.
Bei vorgesehener Abwärmenutzung kann der Auslass-Dampf des Motors als Antriebsenergie für Prozesse wie die Erzeugung von Absorptionskälte oder die Meerwasserentsalzung dienen. Darüber hinaus kann verfügbare niederkalorische Wärme für Anwendungen wie Trinkwassererwärmung oder Raumheizung genutzt werden.

Ein Teil des hochkalorischen Dampfes aus dem Kollektorfeld kann entweder direkt für Anwendungen wie industrielle Prozesse in der Lebensmittel- oder der chemischen Industrie genutzt werden, oder seine thermische Energie wird in ein Speichersystem übertragen. Dies stellt sicher, dass auch dann elektrische Energie erzeugt werden kann, wenn die Solarstrahlung alleine nicht dazu ausreicht, den Dampfmotor zu betreiben. Der Betrieb außerhalb der Sonnenscheinzeiten kann aber auch über eine Feuerung z.B. mittels Biogas- oder Biomassekessel erfolgen.

Vorteile 

Der große Vorteil eines MSTPP ist, dass es mehr als nur Strom erzeugt! MSTPPs sind ein ideales Instrument um Elektrizität, Wärme, Kälte und mehr dort bereitzustellen, wo der Bedarf ist.

Mögliche Anwendungen sind z.B.:

• Meerwasserentsalzung nach dem Evaporationsprinzip z.B. für Neubaugebiete oder touristische Großprojekte in ariden Gebieten ohne ausreichende Trinkwasserversorgung.
• Klimatisierung mit Absorptionskälteanlagen z.B. für Einkaufszentren, Hotelanlagen, Krankenhäuser etc.
• Kälteerzeugung mittels zweistufiger Absorptionskälteanlage z.B. für verderbliche Lebensmittel in der Fischereiindustrie
• Prozessdampf-Lieferung für die Chemie oder Lebensmittelindustrie
• Heißwasser für Wäschereien, Großküchen oder andere häusliche Anwendungen wie die Trinkwassererwärmung und Raumheizung in Hotels, Krankenhäusern oder Verwaltungsgebäuden etc.

Da im Einzelfall jeder Standort die Menge und das Temperaturniveau der benötigten Wärmeenergie bestimmt, muss ein MSTPP immer individuell auf die einzelnen Anwendungen optimiert werden.

Zusammengefasst bieten MSTPPs im Vergleich zu PV-Systemen an Standorten mit einem hohen Anteil solarer Direktstrahlung folgende Vorteile:

• Die Stromerzeugungskosten sind günstiger als mittels PV-Systemen zu erreichen
• Die als Nebenprodukt erzeugte Abwärme bietet verschiedenste Möglichkeiten und das Potenzial, die Kosten je genutzter Energieeinheit noch weiter zu reduzieren
• In Kombination mit einem thermischen Speicher existiert ein großes Potenzial zur ökonomischen Optimierung und Flexibilisierung des Systems
• Die Kombination mit anderen Feuerungsarten wie etwa eine Co- oder Backup-Feuerung von Biomasse bietet ähnliche Perspektiven
• Die lokale Stromerzeugung und Erfüllung anderer zivilisatorischer Bedürfnisse minimiert sonst notwendige Infrastrukturkosten und Transportverluste
• Die inhärente Möglichkeit, einen wesentlichen Teil der Kollektorkomponenten vor Ort zu produzieren sorgt nicht nur für Kostenreduktionen, sondern sichert auch einen hohen Anteil lokaler Wertschöpfung und bietet damit Arbeitsplätze gerade in Regionen mit hoher Arbeitslosigkeit

All diese Punkte führen zu dem Schluss, dass MSTPPs überall dort gegenüber PV-Systemen vorgezogen werden sollten, wo in Regionen mit großem Direktstrahlungsanteil solare Stromerzeugungsanlagen von über 100kWel geplant werden. Insbesondere dann, wenn gleichzeitig auch noch ein Bedarf für zusätzliche Kühlung, Wärme oder Meerwasserentsalzung besteht.

Markt/Unterstützung/Finanzielle Aspekte 

Solarthermische Kleinkraftwerke haben aufgrund ihrer geringen Größe höhere spezifische Stromgestehungskosten als die geplanten solaren Großkraftwerke. Diese Kosten sind allerdings bereits heute geringer als die Erzeugungskosten von PV-Systemen.

Wenn der in einigen Ländern wie Portugal oder Spanien existierende Einspeisetarif für von PV-Anlagen erzeugten Strom auch auf MSTPP angewandt wird, ist die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu PV-Systemen wesentlich besser. Angesichts eines fehlenden gesonderten Einspeisetarifs für Solarthermische Kraftwerke geringer Größe hängt die Wirtschaftlichkeit zur Zeit noch von einem zweiten Einkommensstrom bzw. von den erzielbaren Einsparungen durch die Nutzung der Abwärme bzw. deren Produkte ab. Steigende Brennstoffpreise, wie wir sie zur Zeit erleben, machen die Option der Abwärmenutzung noch attraktiver und verbessern die Wirtschaftlichkeit noch weiter.

In jeder Region und in jedem Anwendungsfall muss die ökonomische Situation individuell beurteilt werden. Die zusätzlichen positiven Effekte auf die Wirtschaftlichkeit können sich u.a. aus den folgenden Möglichkeiten ergeben:

• Minderung der Brennstoffkosten für existierende oder geplante Anwendungen wie Meerwasserentsalzung oder Kälteerzeugung durch Absorptionskälteanlagen.
• Möglichkeit des Verkaufs der produzierten „grünen“ Elektrizität als hochwertiges Premium-Strom-Produkt.
• Erhöhter Verkaufspreis der elektrischen Energie wegen des dezentralen Charakters der Anlage mit geringeren Verteilungsverlusten und der Entlastung der Netzinfrastruktur.
• Generierung und Verkauf von Zertifikaten für grünen Strom in Märkten mit Zielvorgaben für den Anteil erneuerbarer Energien an der Stromproduktion
• Generierung von CO₂-Minderungszertifikaten oder die Möglichkeit des Verkaufs ungenutzter CO₂- Emissionszertifikate

Unser Service 

Unterstützt durch ein Netzwerk regionaler und internationaler Kooperationspartner besitzt die SHP Europe GmbH das technische Wissen und die Ressourcen die folgenden Dienstleistungen und Lieferungen anzubieten:

• Standortgutachten und Projektentwicklungs-Dienstleistungen
• Machbarkeitsstudien und Analysen des Erzeugungspotenzials, aus denen das notwendige technische Konzept der Anlage und die ökonomische Situation hervorgehen
• Planung und Projektmanagement für die Realisierung Solarthermischer Kleinkraftwerke

Beispiel 

Das folgende Beispiel wurde auf dem Weltkongress für erneuerbare Energien in Aberdeen im März 2005 präsentiert und ist eine grobe Abschätzung für ein einfaches solarthermisches Kleinkraftwerk in Südspanien.

Da jeder Standort unterschiedlich ist empfehlen wir Ihnen nachdrücklich, uns anzusprechen, damit wir eine individuelle Kurzbegutachtung Ihres Falls vornehmen können.