Conceptual design of a concentrating solar power plant for a combined electricity and water supply of the city El Gouna
| dc.contributor.advisor | Behrendt, Frank | |
| dc.contributor.author | Wellmann, Johannes | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Behrendt, Frank | |
| dc.contributor.referee | Nytsch-Geusen, Christoph | |
| dc.date.accepted | 2015-09-01 | |
| dc.date.accessioned | 2016-01-18T15:23:45Z | |
| dc.date.available | 2016-01-18T15:23:45Z | |
| dc.date.issued | 2015 | |
| dc.description.abstract | The cogeneration of power and water in large concentrating solar power (CSP) plants with thermal storage can have significant energetic and economic benefits to supply regions with high direct irradiation and good seawater access. Due to increasing water scarcity, the Middle-East North-Africa (MENA) region has a high demand of desalinated water and a strongly increasing energy demand which cannot be completely covered using fossil fuels. In the first six chapters of the thesis, a combined approach of power generation by a solar tower plant and a thermal seawater desalination unit is examined in detail. In order to perform the analysis, the most commercialized and demonstrated technologies are derived from literature and modeled for an integrated simulation. The applied thermal desalination technology bases on a new process using an improved internal heat transfer which has been extensively tested. The obtained data have been used to derive a simulation to integrate the desalination unit as power plant condenser. The results of the energy analysis are presented by different parameter variations of boundary conditions in order to examine the most important design factors. The exergy analysis points out thermodynamic ineffciencies in certain components of the CSP plant, the heat exchangers of the desalination unit and the power plant condenser. The economic analysis focuses on capital and operational expenditures as well as the derivation of optimal cogeneration ratios based on different product prices. All simulations are carried out using real meteorological measurement data by a weather station in El Gouna, Egypt. The obtained meteorological data are compared to literature and satellite data obtained by yearly observations. In the last chapter, the simulated cogeneration system is then used to build a real demand scenario of El Gouna. The scenario is developed in order to optimize the share of renewable energy supply. This requires the integration of a photovoltaic and a wind power plant to complement the renewable power generation. The analysis shows that the integrated energy supply system covers up to 71 % of the annual energy at around 17 ¢/kWh and up to 31 % of the yearly water demand. In addition, a new process for a short-term storage of surplus power is proposed and analyzed. The surplus power is converted into heat and stored in the thermal storage system of the CSP plant which results in an extended operation time and increased capacity factor. | en |
| dc.description.abstract | Die Kraft-Wärme Kopplung eines großen Solarkraftwerks (CSP) mit thermischer Meerwasserentsalzung kann für die gemeinsame Erzeugung von Strom und Wasser für die Versorgung von Regionen mit hoher solarer Direktstrahlung und Meerwasserzugang erhebliche energetische und ökonomische Vorteile bieten. Vor dem Hintergrund einer Wasserknappheit und eines stark steigenden Energiebedarfs in der Middle-East North-Africa (MENA) Region muss Trinkwasser meistens aufwendig entsalzt werden, wobei die nötige Energie in Zukunft kaum noch aus fossilen Quellen gedeckt werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird die gemeinsame Erzeugung von Strom und Wasser mittels eines Solarturmkraftwerks mit thermischen Speicher und einer neuartigen thermischen Meerwasserentsalzung detailliert analysiert. Dazu wurde in einer Literaturrecherche die effzientesten Verfahren ausgewählt und in einer Simulation integriert. Die thermische Meerwasserentsalzung nutzt einen verbesserten Prozess zur Steigerung der internen Wärmeübertragung und wurde als Kondensator des Kraftwerks in die Simulation integriert. Die Modellierung der Entsalzungsanlage wurde basierend auf den Messdaten an einer Demonstrationsanlage erarbeitet. In einer Energie- und Exergieanalyse wurden die wichtigsten Einflussgrößen auf das System mittels Parametervariation untersucht und diskutiert. Die Exergieanalyse verdeutlicht thermodynamische Ineffzienzen, die im Solarfeld, den Wärmetauschern der Meerwasserentsalzung und im Kraftwerkskondensator am größten sind. Die ökonomische Analyse beschreibt die Investitionskosten und leitet daraus ein optimales Kraft-Wärme Kopplungsverhältnis für die Strom- und Wasserproduktion in Abhängigkeit der Strompreise ab. Alle Simulationen basieren auf realen Messdaten einer meteorologischen Station in El Gouna, Ägypten, die mit Literatur- und Satellitendaten verifiziert wurden. In dem letzten Kapitel wird das modellierte System in ein reales Verbrauchszenario der Stadt El Gouna gesetzt und hinsichtlich der Deckung von Strom- und Wasserbedarf analysiert. Dazu werden zusätzliche Modelle für die Stromerzeugung aus PV und Windkraftanlagen erarbeitet. Das integrierte Energiesystem deckt bis zu 71 % des jährlichen Energiebedarfs für ca. 17 ¢/kWh und bis zu 31 % des Wasserbedarfs. Außerdem wird ein Verfahren vorgeschlagen und analysiert, mit dem Überschussstrom kurzzeitig in dem thermischen Speicher des CSP Kraftwerks gespeichert wird, um die Laufzeit des Kraftwerks zu verlängern. | de |
| dc.identifier.isbn | 978-3-945682-21-0 | |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5249 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4943 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.rights.uri | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten | de |
| dc.subject.other | concentrating solar power | en |
| dc.subject.other | renewable energy | en |
| dc.subject.other | thermal desalination | en |
| dc.subject.other | cogeneration | en |
| dc.subject.other | low-temperature | en |
| dc.subject.other | konzentrierende Solarthermie | de |
| dc.subject.other | Erneuerbare Energien | de |
| dc.subject.other | thermische Meerwasserentsalzung | de |
| dc.subject.other | Kraft-Wärme-Kopplung | de |
| dc.subject.other | Niedertemperatur | de |
| dc.title | Conceptual design of a concentrating solar power plant for a combined electricity and water supply of the city El Gouna | en |
| dc.title.translated | Konzeptionelles Design eines konzentrierenden Solarkraftwerks für eine kombinierte Strom und Wasserversorgung der Stadt El Gouna | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Prozess- und Verfahrenstechnik | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 3 Prozesswissenschaften | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Prozess- und Verfahrenstechnik | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |