Concentrated solar thermal power for electricity generation : cost and potential analysis for the Mediterranean Region

Abstract

Um Klimaerwärmung und ihre Folgen sowie die Abhängigkeit von importierten fossilen Rohstoffen zu verringern, ist es unerlässlich, auch in der Elektrizitätswirtschaft fossile durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit einer erneuerbaren Technologie zur Stromerzeugung: (konzentrierenden) Solarthermischen Kraftwerken, die Sonnenenergie in Elektrizität (und Wärme) umwandeln. Um den Stand der Technologie, Kosten und Potenziale im Mittelmeerraum und im Nahen Osten zu ermitteln, wurde eine Literaturrecherche basierend auf verfügbaren Studien und Informationen zu realisierten/geplanten Projekten durchgeführt und die gefundenen Daten analysiert.<br />Zurzeit sind weltweit etwa 400 MW an Kapazität von solarthermischen Kraftwerken unterschiedlicher Technologien vorhanden. Die Stromerzeugungskosten liegen derzeit zwischen 14 und 24 CentsEUR/kWh für solaren Betrieb und zwischen 8 und 10 CentsEUR/kWh für hybriden Betrieb (mit etwa 20% solarem Anteil). Die Kostensenkungspotenziale bis 2020 durch Kapazitätsvergrößerung, Massenproduktion und technische Innovationen liegen bei etwa 50 - 60%. Potenziale für solarthermische Stromerzeugung sind vor allem in nordafrikanischen Ländern sehr groß (20.000 - 100.000 TWh/a), aber auch in den meisten anderen untersuchten Ländern ergeben sich Stromerzeugungspotenziale, die den Stromverbrauch des jeweiligen Landes im Jahr 2030 übersteigen.<br />Insgesamt ergibt sich in den 24 Ländern ein Stromerzeugungspotenzial von über 600.000 TWh/a, was bei weitem den derzeitigen Weltelektrizitätsverbrauch von 17.000 TWh/a übersteigt.<br />Derzeit sind solarthermische Kraftwerke nur mittels finanzieller Unterstützung wirtschaftlich betreibbar, durch Massenfertigung, Kapazitätsvergrößerung der Kraftwerke und weitere technische Forschungen könnten jedoch schon bis 2020 große Kostensenkungen möglich sein, die solarthermische Systeme auch für Mittellast attraktiv machen würden. Günstigere hybride Kraftwerke könnten die Markteinführung beschleunigen, haben jedoch nur einen geringen solaren Anteil und werden derzeit nur begrenzt durch Einspeisetarife unterstützt. Aufgrund der enormen Potentiale, der Möglichkeit mit thermischen Speichern bzw. hybriden Betrieb Strom auf Abruf zu produzieren und den großen Kostensenkungspotenzialen könnte die konzentrierende solarthermische Stromerzeugung einen großen Beitrag zur Erhöhung des Anteils erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung im Mittelmeerraum und anderen sonneneinstrahlungsreichen Gebieten leisten.<br />

Increasing the share of renewable energies in the electricity generation contributes to slow down climate change and decreases the dependency on fossil fuels. This master-thesis deals with one renewable technology for electricity generation: concentrating solar thermal power (CSP) plants. The objectives of this thesis are to summarize the current state of the technology and to analyse the costs and potentials of CSP in the European Union, Middle East and North Africa (EU-MENA). To reach these objectives, an in-depth desk research based on available literature and information on realised/planned projects was conducted, accompanied by an analysis of derived data.<br />Today CSP plants with a total capacity of about 400 MWel are installed worldwide. Levelized electricity costs (LEC) range from 14 to 24 centsEUR/kWh for solar-only and from 8 to 10 centsEUR/kWh for hybrid operation (with 20% solar share) with capacity factors of 18 - 34%. Cost reduction potentials by plant upscaling, mass production and technological innovations are in the range of 50 - 60% until the year 2020. The highest CSP potentials are reached in North African countries (20,000 - 100,000 TWh/y), but also in most of the other analysed countries the CSP electricity generation potentials exceed the demand in the year 2030. In total about 600,000 TWh/y may potentially be explored in the 24 analysed countries, which is far more than the current world electricity demand of approximate 17,000 TWh/y.<br />To run current CSP plants economically financial support is needed. But with high cost reducing potentials until 2020, CSP systems can become attractive for mid-load. Hybrid plants can also contribute to lower the LEC, but only hybrid systems with low fossil fuel share are supported with current feed-in tariffs. With such high potentials, the ability to produce power on demand (thermal storage and/or hybrid operation) and great cost reducing potentials, CSP could become a main renewable energy technology in the future electricity mix in high insulation areas around the world.<br />