Techno-economical analyses of linear solar thermal electric plants for dispatchable power generation
Creators: name: Bachelier, Camille
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Solar thermal power plants
Energy storage
Techno-economical analyses
Dispatchable power generation

description: Laut Prognosen wird im Zeitraum von 2018 bis 2023 voraussichtlich 1000 GW neue Stromerzeugungskapazität aus erneuerbaren Energien errichtet, die aber zum größten Teil aus intermittierenden Stromerzeugungstechnologien wie Fotovoltaik und Wind bestehen wird, was das Integrationspotenzial im globalen Stromversorgungssystem einschränkt. Bei Solarthermischen Kraftwerken mit thermischer Energiespeicherung dagegen kann die Stromerzeugung von der variablen Verfügbarkeit der Ressource Sonnenenergie entkoppelt werden, wodurch deutlich geringere Einschränkungen hinsichtlich des Intergrationspotenzials bestehen. Bereits die erste Generation solcher Kraftwerke hat die technische Machbarkeit und die Vorteile dieser Technologie nachgewiesen. Allerdings weist diese erste Technologiegeneration noch zahlreiche Nachteile auf, die ihre Wettbewerbsfähigkeit beeinträchtigt, vor allem auf Grund der physikalischen Eigenschaften des eingesetzten Wärmeträgermediums und der Grundauslegung des hydraulischen Kreislaufs. Weitere Wärmeträgermedien, wie Salzschmelze oder Flüssigmetall, helfen diese Nachteile zu überwinden, insbesondere im Zusammenhang mit sogenannten "Direkt" Kraftwerkskonzepten, bei welchen das selbe Wärmeträgermedium sowohl im Solarfeld als auch im Energiespeicher, also innerhalb eines hydraulischen Kreislaufs, eingesetzt wird. Solche neuen Kraftwerkskonzepte wurden allerdings noch nicht in kommerziellen Kraftwerken mit linienfokussierenden Sonnenkollektoren (wie linear-Fresnel oder Parabolrinne) eingesetzt, weshalb hier weitere Untersuchungen erforderlich sind. Diese Arbeit untersucht den Einfluss ausgewählter Konfigurationsparameter von linienfokussierenden Kraftwerken mit Salzschmelze als Wärmeträgermedium nach dem "Direkt" Kraftwerkskonzept auf deren Stromgestehungskosten und vergleicht dieses Kraftwerkskonzept mit dem Stand der Technik und weiteren Kraftwerkskonzepten mit Flüssigmetall als Wärmeträgermedium. Zu diesem Zweck wurde eine neue Simulationsumgebung entwickelt, um einen Kraftwerksbetrieb über den Zeitraum eines Jahres mit relativ hoher Zeitauflösung (ein bis fünf Minuten) zu simulieren, um den Stromertrag und die Kosten des Kraftwerks genauer berechnen zu können. Zur Verifizierung der Berechnungsergebnisse dieses Modells wurde ein Abgleich mit genaueren Modellen und Daten aus der Fachliteratur vorgenommen, woraus eine relative Ungenauigkeit hinsichtlich der Simulationsergebnisse des Stromertrags von weniger als 5% geschätzt werden kann. Mit diesem Simulationsmodell wurden technisch-wirtschaftliche Analysen der Hauptkonfigurationsparameter von einem linear-Fresnel Kraftwerk mit "Direkt" Kraftwerkskonzept und Salzschmelze durchgeführt, die unter anderem gezeigt haben, dass (a) der Bedarf an thermischer Energie, die erforderlich ist um zu vermeiden, dass die Salzschmelze im Solarfeld gefriert, weniger als 1% des Ertrags der thermische Energie aus dem Solarfeld beträgt, weshalb es nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Stromgestehungskosten hat; (b) Kraftwerke, die eine Nennleistung von mehr als 200 MW haben, als zwei getrennte Kraftwerke mit jeweils reduzierten Nennleistungen gebaut werden sollen, weil andernfalls die Wärme- und Druckverluste im Solarfeld erhebliche Einbußen im Stromertrag verursachen; (c) eine Nord/Süd Ausrichtung des Solarfelds erhöhte jährliche Stromertragswerte für Standorte mit einem Breitengrad unter 35\degree~bringt, für andere Standorte dagegen eine Ost/West Ausrichtung besser ist und (d) optimale Werte hinsichtlich der Stromgestehungskosten bei einem Nutzungsgrad des Kraftwerks zwischen 60% und 75% (je nach Standort) erreicht werden, was dafür spricht solche Kraftwerke als Mittellastkraftwerke einzusetzen statt als Grundlastkraftwerke. Die Vergleichsanalysen haben gezeigt, dass (a) die Stromgestehungskosten bei dem "Direkt" Kraftwerkskonzept mit Salzschmelze im Vergleich zu thermo-Öl-Kraftwerken, die dem Stand der Technik entsprechen um mindestens 57% reduziert sind und (b) die Stromgestehungskosten bei Kraftwerken mit Flüßigmetall als Wärmeträgermedium, hauptsächlich wegen einer geringeren Dichte, geringerer Wärmekapazität und höherer spezifischer Kosten, um mindestens 25% höher sind.