Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity...

Case Study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricity

Diplomvortrag Regina Wilde Betreuung: Prof. Robert Pitz-Paal

Power and Water from Sun and Sea



2

Warum solarthermische Meerwasserentsalzung?

• Großer Bedarf an Trinkwasser und Strom geht meist einher mit großem Angebot an Meerwasser und Sonne

– Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung sind oft auch von Trockenheit betroffen

– Ballungsräume mit hohem Bedarf an Wasser und Strom liegen oft in Küstennähe

• Die Versorgung mit den (lebens-)wichtigen Gütern Wasser und Strom kann dort in Zukunft unabhängig von steigenden Rohstoffpreisen und klimaneutral sichergestellt werden.



3

3 Fragen über ein erstes solarthermisches Kraftwerk zur kombinierten Erzeugung von Wasser und Strom:

1. Was kostet solarthermische Koerzeugung heute in einem kleinen (<5MW) Pilotkraftwerk?

2. Welches Entsalzungsverfahren sollte gewählt werden?

3. Ist die Kombination mit Meerwasserentsalzung hilfreich oder hinderlich bei der Markteinführung solarthermischer Kraftwerke?



4

Gliederung des Vortrages

Einführung in die Verfahren der Meerwasserentsalzung– Welche?– Wie funktionieren sie?– Gesamtprozess?

Vorausetzungen für einen Vergleich der Verfahren– Schnittstelle des Wärme-Kraft- und des Trennprozesses– Skalierung

Ergebnisse als Antworten auf die zuvor aufgeworfenen Fragen– Auswertung des Vergleichs der Entsalzungsverfahren– Kosten– Vor- und Nachteile für die Einführung von CSP

Zusammenfassung

A

B

C

D



5

Geeignete Entsalzungsverfahren

Führende Verfahren bei kleinen Kapazitäten (bis 10.000 m³/d):

1. Multi-Effekt-Verdampfung, MEE (thermisch)

2. Umkehrosmose, RO (mechanisch)

z.B.: Phasengrenze (bei MEE) oder Membran (bei RO)

A



6

Trennprinzip thermischer Entsalzung

Entsalzungsenergie überSiedepunktserhöhung:

0,7 kWh/m³ bei 35gsalz/kgwasser

A



7

Trennprinzip mechanischer Entsalzung

Entsalzungsenergie überosmotischen Druck:

0,7 kWh/m³ bei 35gsalz/kgwasser

A



8

Multieffektentsalzung

A



9

Umkehrosmose mit Energierückgewinnung

A



10

Gesamtprozess

A



11

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

condensing temperatureT4 [°C]

po

we

r lo

ss

[kW

]

power loss

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

constant steam

constant heat

13% bei Ts=75°C

Leistungsverlust durch Kraft-Wärme-Kopplungbei konstantem Primärenergieeintrag von 10MW ((Ts=35°C)= 41,8%)

17% bei Ts=75°C

B



12

Quantifizierung der Synergien

Die Kostenschätzungen für MEE- und RO-Anlagen betragen jeweils rund 1000 $/(m³/d) für Anlagen Kapazitäten von 10 000 m³/d

InvestitionMEE= Effekte + Wasserfassung (Feed + Kühlwasser) + Kondensator

InvestitionRO= RO + PT + Wasserfassung (Feed + Kühlwasser) + Kondensator

In den Kostenschätzungen für MEE enthalten

In den Kostenschätzungen für RO enthalten

B

Die Investitionssumme einer Umkehrosmoseanlage ist um die Kosten für die Kraftwerkskühlung höher als die Investitionssumme der Multi-Effekt-Anlage.

Der Unterhalt dieser Komponenten muss ebenfalls addiert werden.



13

Berechnungsalgorithmus der spezifischen Wassergestehungskosten

B

4,8-5,6 kWh/m³

4,1-4,4 kWh/m³

3,9-4,6 kWh/m³

3,2-3,4 kWh/m³

B



14

Die ausgewerteten Beispielstandorte

C

Aqabah Hudaydah Cadiz Almerialat 29,459 14,883 36,839 36,778long 35,015 42,975 -6,28 -2,227Seawater temperature 28 33 22 24 [°C]Feed water temperature 33 38 27 29 [°C]Feed water salinity 43 43 36 40 [g/kg]Design irradiation 0,774 0,758 0,786 0,802 [kW/m²]Average heat from solar field 2002 0,098 0,098 0,084 0,088 [kW/m²]Electricity price 0,04/0,08 0,08 0,04/ 0,08 0,04 [$/kWh]Interest rate 0,07 0,07 0.07 0,07 [-]



15

02468

1012141618

[Mio

$]

RO cogenMEE cogen

Kosten der kombinierten Anlagemit ~3,4 MW und ~3000-3500 m³/d

C



16

Wirkungsgrade von MEE und RO im wirtschaftlichen Optimum

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

"Aqab

ah"

"Aqab

ah, h

otel"

"Huday

dah"

"Cad

iz"

"Alm

eria

"

"Cad

iz, R

E"

ROMEE

onDesalinati

onDesalinationDesalinati E

LD

C



17

Wassergestehungskosten

[$/m

³]C



18

Vor- und Nachteile kombinierter Wasserentsalzung für die Markteinführung von CSP

+ Der Unterschied zwischen solar- und konvetionell erzeugten Wasserpreisen ist geringer als bei Strompreisen

- Die absolute Investitionssumme der Kombianlage ist ca. 50% größer als für das solarthermische Kraftwerk allein

+ Risikodiversifikation durch Verkauf eines zweiten Produktes

+ In Regionen, in denen die Strompreise nicht kostendeckend sind, kann eine Kombianlage ggf. durch den Wassererlös finanzierbar sein

- Das technische Projektrisiko ist größer aufgrund der technischen Kopplung mehrerer Prozesse

C



19

Erweiterung des wirtschaftlichen Einsatzbereiches bei Kombination mit MEE

Areas of economical operation

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12

electricity price [$/kWh]

wat

er p

rice

[$

/m³]

0,08150,074

wat

er p

rice

[$/

m³]

CSP

MEE

CSP,CSP-COGEN

CSP,CSP-COGEN,MEE

CSP-COGEN,MEE

CSP-COGEN

C

MEEMEE-cogen

Stromverkauf subventioniert Wasserverkauf



20

Erweiterung des wirtschaftlichen Einsatzbereiches bei Kombination mit ROAreas of economical operation

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12


wat

er p

rice

[$

/m³]

0,08150,074

RO

CSP

CSP,CSP-COGEN

CSP,CSP-COGEN,RO

CSP-COGEN,RO

CSP-COGEN

Areas of economical operation with ROAreas of economical operation

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12


wat

er p

rice

[$

/m³]

0,08150,074

RO

CSP

CSP,CSP-COGEN

CSP,CSP-COGEN,RO

CSP-COGEN,RO

CSP-COGEN

Areas of economical operation

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12


wat

er p

rice

[$

/m³]

0,08150,074

RO

CSP

CSP,CSP-COGEN

CSP,CSP-COGEN,RO

CSP-COGEN,RO

CSP-COGEN

Areas of economical operation with RO

RORO-stand-aloneRO-cogen

C



21

Zusammenfassung1. Was kostet solarthermische Koerzeugung (<5MW) heute?

– Eine Anlage kostet ~16 Mio $ (je ~1/3 für MWE, Solarfeld und Kraftwerk).– Die Wassergestehungskosten liegen zwischen 0,80 und 1,90 $/m³ bei 7%

Verzinsung. Es gibt Regionen, in denen Wasserpreise bis 2 $/m³ gezahlt werden.

2. Welches Verfahren sollte gewählt werden?– Die Synergien zwischen dem Wärme-Kraft-Prozess solarthermischer

Kraftwerke und dem thermischen Entsalzungsverfahren sind so groß, dass sich die MEE an allen untersuchten Standorten als das günstigere Verfahren erweist.

3. Ist Wasserentsalzung Hilfe oder Hindernis bei der Einführung von CSP?– Die Kombination mit Meerwasserentsalzung bringt zahlreiche Vorteile für

die Markteinführung solarthermischer Kraftwerke, vor allem durch Herstellung und Verkauf eines zusätzlichen Produktes (1.Strom, 2.Wasser).

D



Power and Water from Sun and Sea

Vielen Dank!



23

Energiewandlungen im Gesamtprozess mit MEE

34,1% 7,7% 58,2%

0% 50% 100%

MEE

Elektrizitätsausgang

Anteil für die Entsalzung

Wärmeenergieeintrag

A



24

Energiewandlungen im Gesamtprozess mit RO

34,5% 6,7% 58,8%

0% 50% 100%

RO

Elektrizitätsausgang

Anteil für die Entsalzung

Wärmeenergieeintrag

A



25

Basis für den Vergleich Assumptions

Impact on…

1) Optimisation of each technology for each specific plant location is obligatory

Computing procedure

2) The optimisation is carried out for the economically isolated but technically colocated desalination plant

Model and computing procedure

3) The steam is charged according to the loss of electrical power caused by the condensing temperature being higher than in a reference plant at the same site. A suitable power plant model is needed.

Additional technical power plant model

4) Both desalination plants have to provide the solar thermal power plant with equal service. Thus cooling facilities must be added to the RO plant.

Extension of technical and economical RO-model by a cooling model

5) The absolute values of the freshwater output need to match to meet the same water demand.

Computing procedure

6) The power to water ratio must be identical for both plants. With the previous point equal absolute values of the electricity output of both plants follow.

Computing procedure

B



26

Stromverbrauch abhängig von der Prozesskonfiguration



27

Kosten der EntsalzungsanlagenCosts of the desalination and cooling plant

0

1

2

3

4

5

6

7

8

"Aqab

ah"

"Aqab

ah, h

otel"

"Huday

dah"

"Cad

iz"

"Alm

eria

"

"Cad

iz, R

E"

[Mio

$]

ROMEE

Specific investment costs of the desalination plant

0200400600800

100012001400160018002000

[$/(

m³/

d)]

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