Technische, ökonomische und ökologische Analyse von Aufwindkraftwerken

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe einer technischen, ökologischen und ökonomischen Analyse, eine umfassende Bewertung von Aufwindkraftwerken durchzuführen, um die Grundlage für die Weiterentwicklung dieses Kraftwerktyps zur Verfügung zu stellen. Zunächst wird eine Übersicht über die physikalischen und technischen Grundprinzipien des Aufwindkraftwerkes gegeben. Die Charakteristika des Aufwindkraftwerkes als ein solarthermisches Kraftwerk werden beschrieben. Zur Veranschaulichung wird die realisierte Pilotanlage vorgestellt. Nach einer Beschreibung der Funktionsweise des Aufwindkraftwerkes werden die wesentlichen technischen Grundlagen der Komponenten Kollektor, Kamin und Turbine/Generator erläutert. Die Herstellungskosten (Investitionskosten) jeder Komponente werden mit Hilfe von Literatur- und Herstellerangaben sowie eigener Abschätzungen ermittelt. Danach werden die physikalischen Grundlagen und Annahmen dargelegt, die zur Formulierung des Auslegungsmodells verwendet wurden. Dies ist erforderlich für die Definition der Referenzanlage. Die Berechnung der maximalen Anlagenleistung wird durchgeführt, an die sich die Minimierung der Investitionskosten bei gegebener Leistung im Auslegungspunkt anschließt. Als Ergebnis der vorherigen Auslegung werden zunächst die im weiteren Verlauf der Arbeit zu analysierenden Referenzanlagen definiert. Dazu werden die Rahmenannahmen für das Kraftwerk wie Nennleistung, meteorologische Verhältnisse, Wirkungsgrade von Kollektor, Turm und Windturbinen diskutiert und die Daten der Referenzaufwindkraftwerke festgelegt. Im Anschluss daran erfolgt die technische Analyse. Ein Simulationsmodell wird entwickelt, um das für solare Anlagen typische transiente Verhalten des Aufwindkraftwerkes mit Hilfe eines Anlagensimulationsprogramms zu simulieren. Dieses soll die Grundlage bilden, um zuverlässige Aussagen über das Potenzial dieser Technik und das energetische Verhalten von Anlagen unter den verschiedensten meteorologischen Randbedingungen machen zu können. Dann wird die Modellierung der Systemkomponenten des Aufwindkraftwerks erläutert. Mit dem dargestellten Modell wird ein Vergleich mit experimentellen Ergebnissen von Manzanares durchgeführt, um das Modell zu validieren. Die Ergebnisse (Leistung, Aufwindgeschwindigkeit, Lufttemperatur, usw.) werden diskutiert. Danach erfolgt eine Variation ausgewählter Parameter (z. B. Geometrie der Anlage, Material der Abdeckung, usw.) und eine Diskussion ihres Einflusses auf die bereitgestellte elektrische Energie. Daraufhin wird die ökonomische Analyse durchgeführt. Hier werden die Stromgestehungskosten für das Aufwindkraftwerk berechnet. Das methodische Vorgehen zur Berechnung der Stromgestehungskosten wird dargestellt. Die Herstellungskosten der Anlage werden mit Hilfe von Literatur- und Herstellerangaben sowie eigener Abschätzungen ermittelt. Die Kosten für den Betrieb des Kraftwerks werden abgeschätzt. Im Anschluss erfolgt eine Variation ausgewählter Parameter (Zinsfuß, Abschreibungsdauer, Kosten für die Komponenten) und eine Diskussion ihres Einflusses auf die Stromgestehungskosten. Zur Berechnung der Stromgestehungskosten wird die Annuitätenmethode angewandt. Nachfolgend wird die ökologische Analyse durch das Verfahren der Ökobilanz betrachtet, die sich in die Schritte Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens, Sachbilanz, Wirkungsabschätzung und Auswertung gliedert. In Rahmen der Sachbilanz wird in einem ersten Schritt die Prozesskettenanalyse verwendet, die eine detaillierte Erfassung der Prozessstufen des betrachteten Energiesystems ermöglicht. Aufgrund der Verflechtung innerhalb einer Volkswirtschaft und auch der verschiedenen Volkswirtschaften untereinander ist es jedoch nicht möglich, alle dem Bau, dem Betrieb und der Entsorgung eines Energiewandlungssystems vor- und nachgelagerten Prozessketten zu beschreiben. In dieser Arbeit wird daher die Prozesskettenanalyse durch eine sektorale Analyse (Input-Output-Analyse) ergänzt (Hybridansatz). Auf diese Weise ist die Erstellung von Gesamtbilanzen möglich, die alle Vorleistungen erfassen. Die von den Stoff- und Energieströmen ausgehenden Wirkungen auf Mensch und Umwelt werden abgeschätzt. Die Berechnung von Schäden mit dem Wirkungspfadansatz wird durchgeführt. Die Ermittlung der Stromgestehungskosten ergibt Werte zwischen rund 4 und 8 Cent/ kWh. Dieses Ergebnis liegt in der Größenordnung Stromerzeugungskosten von Windkraftanlagen. Aufwindkraftwerke haben aufgrund ihrer Kostenminderung beim Bau in Ländern mit niedrigerem Lohnniveau noch Potenzial für eine weitere Reduzierung der Stromgestehungskosten. Die Ökobilanz ergibt Treibhausgasemissionen von rund 170 (5 MW) bzw. 70 g CO2- Äquivalenten/kWh (100 MW). Die SO2-Emissionen betragen rund 570 (5 MW) bzw. 240 mg SO2- Äquivalente/kWh (100 MW). Der Verbrauch erschöpflicher energetischer und mineralischer Ressourcen sowie die spez. CO2- und spez. SO2-Emissionen nehmen bei größeren Aufwindkraftwerken ab.

It is the objective of this thesis to develop a methodology for the technical, ecological and economic analysis of solar chimneys, in order to supply a tool for the further development of this type of power plant. First an overview of the physical and technical basic principles of the solar chimneys is given. The characteristics of the solar chimneys as solar thermal power stations are described. For illustration the realized prototype is introduced. After a description of the functionality of the solar chimney, the technical bases of the components (collector, chimney and turbine/ generator) are described. Manufacturing costs of each component are determined by literature and manufacturer data as well as own estimations. Thereafter the physical fundamentals and assumptions are stated, which were used for the formulation of the model. This is necessary for the definition of the reference systems. The computation of the maximum power generation is accomplished, which the minimization of the investment costs outlays follows with given power in the design point. As results of the previous interpretation the reference systems are defined. In addition the assumptions for the power station, like power output, meteorological conditions, efficiencies of collector, chimney and wind turbines are discussed and the data of the reference solar chimneys are specified. Subsequently, the technical analysis takes place. A model is developed, in order to simulate the typical transient behaviour of the solar chimney with the help of a simulation program. This is to form the basis in order to be able to make reliable statements about the potential of this technology and the energetic behaviour of plants under the most diverse meteorological frame conditions. Thus the modelling of the system components of the solar chimneys is described. With the represented model a comparison with experimental results is accomplished by the prototype in Manzanares in order to validate the model. The results (power, upwind speed, air temperature, etc.) are discussed. Afterwards a variation of selected parameters (e.g. geometry of the plant, material of the cover, etc.) and a discussion of their influence on the provided electricity is carried out. Thereupon the economic analysis is accomplished. Here the production costs for the solar chimneys are computed. The methodical procedure for the computation of the production costs is presented. Manufacturing costs of the plant are determined by literature and manufacturer data as well as own estimations. Finally a variation of selected parameters (interest rate, amortization period, costs of the components) and a discussion of their influence on the current production costs take place. For the computation of the current production costs the annuity method is used. In the following the ecological analysis using the Life Cycle Assessment (LCA) methodology is accomplished. In a first step the process chain analysis is used, which makes a detailed collection possible of the process stages of the regarded energy system. Due to the interactions within a national economy and also the different national economies among themselves it is, however, not possible, to describe all relevant pre and stored process chains for building the enterprise and the disposal of an energy transformation system. In this work therefore the process chain analysis is supplemented by a sectorial analysis (input-output analysis). With this approach it is possible to establish a life cycle inventory covering all upand downstream processes. The impacts on human and environment, outgoing from the material and energy flows, are determined. Furthermore, calculation of damages is performed using the impact pathway approach for impacts on human health, material damages and plant damages. The determination of the current production costs results in values between about 4 and 8 €- Cent/kWh. This result lies in the order of magnitude of the generation of current costs of wind power plants. Due to the cost reductions as a result of building in countries with lower wage level, solar chimneys have a potential for a further reduction of the current production costs. The ecological analysis results in approximately 170 (5 MW) and 70 g CO2-equivalents/ kWh (100 MW) respectively in approximately 570 (5 MW) and 240 mg SO2-equivalents/kWh (of 100 MW). The consumption of exhausting energetic and mineral resources as well as specific CO2 and specific SO2-emissions decrease with larger plants.