Sustainable Heat & Power Europe GmbH

Solarthermische Kleinstkraftwerke

Die smarte Auslegung solarthermischer Kraftwerke ist traditionell eine unserer Kernkompetenzen. Insbesondere kleiner dimensionierte dezentrale solarthermische Kopplungsanlagen bieten hervorragende Performance bei kombinierten Bedarfen zum Beispiel für Kraft, Kälte, Wasserentsalzung oder Wärmelieferung.

Hierzu gehört auch das Konzept für kleinere dezentrale solarthermische Kraft-(Kälte-)-Wärme-(Wasserentsalzungs-)Kopplungsanlagen. Wir nennen sie MSTPP (Mini Solar Thermal Power Plant).

Ursprünglich wurde das Konzept der solarthermischen Kleinstkraftwerke (MSTTP) von SHP Europe bereits 2003 entwickelt. Dabei handelt es sich um eine kleine thermische Expansionsmaschine die durch den Dampf aus einem Solar-Kollektorfeld angetrieben wird. Dieses System kann projektspezifisch mit einem thermischen Speichersystem oder einem Backup-Kessel kombiniert werden, sowie mit verschiedenen Nutzern thermischer Energieprozesse, wie zum Beispiel Absorptionskälteanlagen, Autoklaven, Entsalzungsanlagen, etc. Die Nutzung der thermischen Energie des solar erzeugten Dampfes kann über Dampf- bzw. ORC-Turbinen, Dampfmotoren oder andere Expansionsmaschinen erfolgen. Es ist aber auch möglich ein nicht-verdampfendes Fluid als Wärmeträgermedium im Kollektor zu nutzen. Dies reduziert die Komplexität eines direktverdampfenden Solarfelds erheblich, was gerade bei kleineren Anlagen nicht unerhebliche Kosten spart.

Zusätzlich zur Stromerzeugung kann ein MSTPP wertvollen Prozessdampf bereit stellen durch Anzapfung der Dampfturbine, als Überschuss direkt aus dem Solarfeld oder als Abdampf der Expansionsmaschine.

Das System kann mit verschiedenen anderen Wärmequellen oder einem thermischen Speicher kombiniert werden, wodurch die Grundlastversorgung erreichbar ist.

Konfiguration

Ein Dampfmotor oder eine Dampfturbine kann direkt mit gesättigtem oder überhitztem Dampf aus einem Solarkollektor angetrieben werden. Im Fall einer ORC-Anlage werden zwei gesonderte Kreisläufe benötigt, die über einen Wärmetauscher verknüpft sind. Als Wärmeträger kann im Solarkollektorkreislauf sowohl Dampf, als auch Thermo-Öl oder Wasser (unter höherem Druck) genutzt werden.

Diese Grundkonfiguration des MSTPP kann durch Ergänzung einer beliebigen Anzahl von Systemen erweitert werden:

  • Wärmespeicher
  • Hilfs- oder Zusatzfeuerung
  • Anlagen zur Wärmenutzung (Prozessdampf, thermische Kühlung, thermische Entsalzung, Heizung)

Die Integration eines thermischen Speichers oder eines Hilfs- oder Zusatz-Kessels erweitert den Betriebszeitraum der Anlage, verglichen mit einem rein solaren System, und erhöht damit die Verfügbarkeit und Eignung für mögliche Anwendungen.

Die Wärmeenergie kann auf verschiedenen Temperaturniveaus ausgekoppelt werden:

  • auf hohem Temperaturniveau (bis zu 450 °C und höher) direkt vom Solarfeld,
  • bei mittleren Temperaturen (100 °C – 250 °C) durch Nutzung von Dampf aus Anzapfungen oder Gegendruckturbinen,
  • auf niedrigen Temperaturniveau ( etwa 60 °C – 80 °C) durch Nutzung der Abwärme aus der Stromerzeugung.

Prinzipschaltbild MSTPP

Anwendungsbereiche

MSTPPs können sowohl für den netzgekoppelten Betrieb, wie auch für Inselnetze ausgelegt werden.

Die wesentlichen Randbedingungen für einen sinnvollen Einsatz von MSTTP-Anlagen sind durch das Niveau der solaren Einstrahlung, der Größe des verfügbaren Grundstücks und der Abnahme der verfügbaren Wärmeenergie gegeben.

Die ursprüngliche Annahme bezüglich des wirtschaftlichen Einsatzes derartiger Anlagen ging von Größenordnungen ab 100 kWel aus. Auf Grund der massiven Preisreduktion für PV-Systeme in den letzten Jahren hat sich der Schwerpunkt für MSTPP aber zu größeren Systemen verlagert sowie zu Anwendungen, bei denen Prozessdampf das Primärziel ist und die Stromerzeugungen nur einen willkommenen Bonus darstellt.

Durch die oben erwähnte Wettbewerbssituation mit PV-Anlagen sind MSTPPs, die der reinen Stromerzeugung dienen, nur noch bei größeren Anwendungen (mindestens 2 MWel – 5 MWel) sinnvoll. Ist allerdings die Bereitstellung von Wärmeenergie das Hauptanliegen und wirtschaftliche Triebfeder der Anlage, kann eine Expansionsmaschine jedweder Größe genutzt werden. Der Strom, der in einer solchen Anlage erzeugt wird, ist dann nur ein Nebenprodukt.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass MSTPPs eine wichtige Lücke zwischen kleinen PV-Anlagen und größeren, zentralen Kraftwerken schliessen, darüber hinaus aber den Vorteil haben, neben Strom ein zweites Produkt bereit zu stellen: nutzbare thermische Energie

Produkt/System

Die bei weitem größte Komponente eines MSTPP ist das Solar-Kollektorfeld. Verglichen mit dessen Landbedarf benötigen die übrigen Kraftwerksanlagen nur einen Bruchteil der Grundfläche. Die übrigen Komponenten setzen sich zusammen aus:

  • die Stromerzeugungseinheit
  • die Hilfs- und Nebenanlagen wie z.B. Kühlsystem, Transformator und Schaltanlage für die Netzanbindung,
  • der thermische Speicher, Backup-Kessel und Anlagen zur Abwärmenutzung (falls zutreffend für die jeweilige Anlage).
Spilling Motor

Die Spiegel der Solarkollektoren konzentrieren die direkte Solarstrahlung auf einen Absorber in dem ein Medium erhitzt wird. (Die Wahl des Wärmeträgermediums und damit die erreichbare Temperatur ist davon abhängig, welche Solartechnologie angewendet wird: Fresnel oder Parabolrinne). Vorzugsweise wird Wasser verwendet, welches direkt in den Solarkollektoren verdampft wird. Der solar produzierte Dampf wird anschließend zur Stromerzeugung genutzt. Bei entsprechender Auslegung wird die Dampfproduktion die Kapazität der Turbine bei sehr hoher Solareinstrahlung übertreffen.

Der vom Kollektorfeld erzeugte Überschussdampf, der die Schluckfähigkeit der Turbine übersteigt, kann dann auch direkt für Hochtemperaturanwendungen (z.B. thermische Prozesse in der Nahrungsmittel- und chemischen Industrie) genutzt werden. Alternativ kann die im Dampf enthaltene thermische Energie in ein Speichersystem übertragen werden, welches den Betrieb des MSTPP ermöglicht, wenn die vorhandene Solarstrahlung allein dafür nicht ausreichend ist. Eine Betriebsausweitung auf Zeiten ohne Solarstrahlung kann man auch durch den Bau einer zweiten Dampferzeugungsanlage (wie zum Beispiel einen Biogas oder Biomasse Dampfkessel) erreichen.

Vorteile

Der Hauptvorteil eines MSTPP ist, dass es nicht nur Strom produziert. Es kann dazu auch Prozessdampf (oder Wärme), sowie auch gekühltes oder entsalztes Wasser erzeugt werden. Das MSTPP erzielt diese zusätzlichen Vorteile direkt vor Ort, wo der Bedarf auftritt.

Möglichen Anwendungen der Wärmeenergie aus MSTPP sind:

  • Bereitstellung von Prozessdampf für industrielle Abnehmer, z.B. Nahrungsmittel- und chemische Industrie, Bergbau, etc.
  • Kälte- und Klimatechnik mit Absorptionskältemaschinen (für Einkaufszentren, Hotelanlagen, Krankenhäuser, Nahrungsmittelindustrie, etc.)
  • Meerwasserentsalzung (für Neubaugebiete, größere Tourismusprojekte in trockenen Gebieten ohne ausreichende Trinkwasserversorgung, etc.)
  • Heißwasser (für Wäschereien, Großküchen, Privathaushalte, Raumheizung von Hotels, Krankenhäuser, Verwaltungsgebäuden, etc.)

Jede MSTPP Anlage muss individuell für die jeweilige Anwendung im Hinblick auf die produzierte Wärmemenge optimiert werden. Diese wird durch die verfügbare Solarstrahlung, das benötigte Temperaturniveau und das Bedarfsprofil der Wärmenutzer vorgegeben.

Markt/Unterstützung/Finanzielle Aspekte

MSTPP können dann konkurrenzfähig zu PV-Systemen sein, wenn die Wirtschaftlichkeit der Anlage hauptsächlich über den Wert der produzierten Wärmeenergie und/oder der Abwärme bestimmt wird.

Für MSTPPs sollten folgende Bedingungen vorliegen:

  • Länder mit hoher Einspeisevergütung für Strom und ggf. Bonus für Abwärmenutzung
  • Entlegene Regionen ohne Netzanbindung, in denen Strom ansonsten mit Dieselgeneratoren erzeugt wird und in denen die thermische Energie aus MSTPP sinnvoll genutzt werden kann

Unser Service

SHP Europe bietet die folgenden Dienstleistungen und Lieferungen an:

  • Solarmesskampagnen, Standortgutachten und Projektentwicklungs-Dienstleistungen
  • Machbarkeitsstudien und Analysen des Erzeugungspotenzials, des technischen Konzepts und der Wirtschaftlichkeit der Anlage
  • Planung und Projektmanagement für die Realisierung solarthermischer Kleinstkraftwerke (MSTPP)