Combined Electricity and Water Production Based on Solar Energy

Kurzfassung

Verschiedene Studien des DLR wie [AQUA-CSP 2007], [MED-CSD 2010] und [MENAWATER 2011] haben gezeigt, dass die Wasserversorgung in einigen Ländern des Nahen Osten und Nordafrikas (MENA, Middle East and North Africa) weitgehend auf fossile Grundwasserreserven angewiesen ist. Der energetisch und wirtschaftlich zu erbringende Aufwand zur Nutzung dieser Ressource ist in den letzten Jahren stetig gestiegen und mit negativen Umweltfolgen und der Verringerung der Trinkwasserqualität verbunden. Darüber hinaus, wird das Problem der Wasserknappheit voraussichtlich aufgrund von globalen Veränderungen wie z.B. dem Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum und dem Klimawandel zusätzlich verschärft. Diesen Entwicklungen stehen nicht-konventionelle Maßnahmen wie die Meerwasserentsalzung gegenüber, die eine wichtige zusätzliche Option für die Wasserversorgung darstellt. Beispielweise ermöglicht der Einsatz von erneuerbaren Energien wie z.B. solarthermische Kraftwerke (CSP, concentrating solar power), Photovoltaik (PV) und Windkraft einen großen Teil der mit fossiler Energieerzeugung verbundenen Treibhausgasemissionen zu vermeiden. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Entwicklung eines flexiblen Modells für die integrierte technische und wirtschaftliche Bewertung von Meerwasserentsalzungsanlagen, deren Energieversorgung auf erneuerbaren Energien basiert. Die Simulationsumgebung INSEL wurde für die Analysen dieser Arbeit ausgewählt. Diese kommerziell verfügbare Simulationsumgebung kombiniert einen modularen Aufbau mit einer einfachen Bedienung sowie einem geringen Rechenaufwand. Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurden neue technische Modelle für die CSP-Komponenten Solarfeld, thermischen Energiespeicher und Kraftwerksblock sowie für die Entsalzungs-technologien Umkehrosmose (RO, reverse osmosis,) und Mehreffekt-Verdampfung (MED, multi-effect distillation) entwickelt. In der vorliegenden Arbeit liegt ein Schwerpunkt in der Untersuchung und dem Vergleich der Wirtschaftlichkeit der Technologien MED und RO. Während der letzten Jahre hat RO eine beherrschende Stellung auf dem Weltmarkt eingenommen. Bei RO ist die Vorbehandlung des Meerwassers für den einwandfreien Betrieb der Anlage von großer Bedeutung. Im Gegensatz zu RO ist die Meerwasservorbehandlung bei MED weniger anspruchsvoll, jedoch ist diese Technologie durch höhere Kapitalkosten, die weitgehend von den aktuellen Metallpreisen abhängen, und höheren Meerwasserverbrauch im Vergleich zu RO charakterisiert. Die Wärmekosten von MED hängen von der ausgewählten Technologie für die Energieversorgung, vom fossilen Brennstoffpreis sowie vom Druck des Heizdampfes ab. Die optimale Anzahl an Verdampfungsstufen ergibt sich aus einem Kompromiss zwischen Minimierung des thermischen Energiebedarfs und Maximierung der Effizienz der Anlage. Die INSEL-Modellbibliothek wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit um verschiedene solarthermische Kraftwerktechnologien erweitert (Parabolrinne, Fresnel und Solarturm). Die Modelle des Solarfeldes basieren auf einer stationären Wärmebilanz zwischen eintreffender Solarstrahlung, geometrischen und optischen Verlusten, Wärmeeintrag in das Wärmeträgerfluid und Wärmeverlusten an die Umgebung. Das Layout sowie die Verluste des HTF-Leitungssystems und der Einfluss von transienten Effekten wurden berücksichtigt. Letztere werden lediglich rudimentär von den bisher existierenden systemanalytischen Simulationsmodellen berücksichtigt. Die Implementierung dieses Vorgangs in INSEL stellt daher einen wichtigen Beitrag zur Erweiterung von systemanalytischen Simulationsmodellen dar. Die ausgewählte Referenztechnologie für den thermischen Speicher ist ein zwei-Tank System, in dem flüssiges Salz gespeichert wird. Der Kraftwerksblock besteht aus einem konventionellen Rankine-Prozess. Die CSP-Modelle sind in Zusammenarbeit mit dem Institut für Solarforschung und der Abteilung für thermische Prozesstechnik des DLR entwickelt worden. Eine Fallstudie zeigt schließlich auf, welche Möglichkeiten sich aus der Entwicklung der neuen INSEL-Modelle ergeben. Der Fokus der Fallstudie liegt in der Untersuchung der Machbarkeit von kombinierten Anlagen für die Produktion von Strom und Wasser. Die Analyse wird für den ägyptischen Standort Marsa Alam durchgeführt. Unter diesen Annahmen liefert die Umkehrosmose leicht niedrigere Wassergestehungs-kosten als MED. Gleichwohl stellt MED aufgrund ihres einfachen und robusten Betriebs weiterhin eine wettbewerbsfähige Option dar, insbesondere bei niedriger Meerwasserqualität, die das „fouling“-Risiko in RO-Anlagen erhöht (z.B. Arabischer Golf). Das Ergebnis der Arbeit zeigt, dass der rechtzeitige Wechsel zu einem Energiemix bestehend aus erneuerbaren und fossilen Energien nicht nur im Falle hoher fossiler Brennstoffkosten günstig ist. Eine solche Transformation führt zur Verringerung der Abhängigkeit von knappen Ressourcen und zu einer nachhaltigen Stabilisierung der Versorgungskosten.