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Concentración Solar para Producción Térmica y Eléctrica Desarrollos y Avances Tecnológicos Eckhard Lüpfert, Dr.-Ing. DLR German Aerospace Center Seminario CORFO, GIZ Santiago, Chile 7 Sept 2016

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Concentración Solar para Producción

Térmica y Eléctrica –

Desarrollos y Avances Tecnológicos

Eckhard Lüpfert, Dr.-Ing.

DLR German Aerospace Center

Seminario CORFO, GIZ

Santiago, Chile

7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 2 >

Concentrating Solar Power Plant (CSP)

Solar Thermal Power Plant

Solar Heat into Conventional Power Cycle

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 3 >

Concentrating Solar Power – Technology Variants

Parabolic Trough – Linear Fresnel – Solar Tower – Dish-Stirling

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

Solar Tower

Dish-Stirling

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DLR.de/SF > Chart 4 >

Concentrating Solar Power

with Parabolic Troughs and Linear Fresnel Fields

in Solar Thermal Power Plants

Solar heat for Rankine cycles

saturated / overheated steam

solar only and hybrid

Solar-to-electric peak

efficiency

up to around ≈30%

also process heat applications

performance modeling is state

of the art

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 5 >

Power Block steam cycle

turbine, condenser

20-280 MW

Heat Transfer

& Buffer 2-10 hours

capacity

Solar Field parabolic trough

collector field 200’000 - 2’200’000 m2

Parabolic Trough Plant Scheme

www.solarpaces.org

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DLR.de/SF > Chart 6 >

CSP with storage –

energy shift from day to night

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 7 >

Andasol 1, 2, 3 Parabolic Trough Plants – Guadix, Spain

3x 50 MW, 3700 full-load hours

Solar Field Powerblock, Storage, Transmission

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 8 >

• parabolic trough commercial plant size 150-280 MW

• 30% larger aperture size of trough collectors, bigger receiver tubes

• molten salt as heat transfer medium for troughs and linear Fresnel

• higher temperature (550°C)

• double storage capacity

• 5% better power block efficiency

• direct steam generation at commercial scale, but without storage

• new silicone fluid as heat transfer medium

• process heat applications in food and mining industry

• solar tower commercial plant size 120-150 MW

• molten salt as heat transfer medium, also in combination with steam

• pressurized air or atmospheric air as heat transfer medium

• long term: solar fuels and hydrogen

Current developments in CSP

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 9 >

Technology Trends: Direct Steam Generation in Solar Field

• 5 MW Reference Power

Plant in Kanchanamburi

(Thailand) (Superheated

steam 330ºC)

• 30 MW Linear Fresnel

System in Murcia (Spain)

(saturated steam 270ºC)

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 10 >

Technology Trends:

Molten Salt in Parabolic Troughs

Silicone Fluid in Parabolic Troughs

• 5 MW Demo Unit in Sicily, Italy

integrated into a combined cycle

power plant

• 500ºC superheated steam

• integrated storage

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DLR.de/SF > Chart 11 >

Solar Tower

Sanlucar PS 10+20 MW Abengoa

Khi Southafrica 50 MW

Atacama-1, Noor-3, Redstone

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 12 >

Solar Tower, molten salt – Gemasolar 20 MW Spain, 150 MW Morocco

Storage TankCold Salt

Storage TankHot Salt

Conventional

EPGS

Steam Generator

o C565290 o C

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DLR.de/SF > Chart 13 >

Tonopah, Crescent Dunes, USA: 110 MW Solar Tower, molten salt

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 14 >

Solar Tower – Steam, Molten Salt

Ivanpah-CA 3x123 MW Brightsource

Tonopah-NV 110 MW SolarReserve

Lancaster-CA 5 MW eSolar

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DLR.de/SF > Chart 15 >

Solar Tower Jülich – Solair/HitRec – Air as Heat Transfer Fluid

1.5 MW DLR / KA München

Heliostats

Receiver

Steam Generator

Storage

Hot Air 730º

Cold Air 110º

Super heated Steam

~

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 16 >

Dish-Stirling Systems

• System size 3-25 kW

• Very high concentration ratio

• Power package with Stirling Engine

• High conversion efficiency

• Remote operation

• Backup heating of power package with fuel

• Series production in preparation

EuroDish systems at PSA, Spain

10 kW per unit

Cleanergy 10 kW

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DLR.de/SF > Chart 17 >

Food and beverage industry:

• Dairies and bakeries - Drying, cleaning, cooking, deep frying, baking, pasteurization

• Slaughter houses – Rendering process, steam cooking, cooling and refrigeration

• Wineries, breweries, distilleries – Steam juicing, sterilization, distillation

Product industry:

• Mining and oil industry – Ore leaching, galvanic processes, oil recovery, cleaning

• Textile and leather industry - Dying, shaping, ironing, tanning

• Cement and ceramic industry – Drying, burning, calcination

• Paper industry – Bleaching, thermo-mechanical pulping, drying

• Pharmaceutical and chemical industry - Process specific applications, distillation

• Plastics and rubber industry - Heating, cooling, vulcanization

Hotel and tourism industry - Laundry, heating, cooling, water treatment and desalination

Application fields for solar thermal process heat, e.g. steam

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 18 >

Example solar process heat

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

(www.protarget-ag.com)

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DLR.de/SF > Chart 19 >

• Process heat supply for mining camp

• hot water for showers, replace diesel fuel

• Process heat supply for copper mine

• hot water for electro-winning, replace diesel fuel

• Process steam for copper smelter

• 100% solar during daytime

• Hot water supply for mining process

• heap leaching, reduce fuel consumption by 30%

Application examples solar process heat in Chile

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DLR.de/SF > Chart 20 >

Electricity

CSP: flexible, dispatchable, complementary to PV und Wind

CSP with thermal storage enables

a safe and CO2-free electricity supply

Solar Field Heat

Storage Turbine

Heat Heat

CSP + Storage

Wind

PV

Co-f

irin

g

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 21 >

Estimated installed CSP capacity until 2025:

10 - 20 GW

Accumulated, additional CSP investment until 2025:

25 – 75 billion US$

Annual CSP O&M market volume in 2025:

1 - 2 billion US$ /a

Additional capacity in the field of industrial process heat

Outlook CSP Market until 2025

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DLR.de/SF > Chart 22 >

Solar Tower, Jülich

Carbon dioxide (CO2)

Water (H2O) Synthesis Gas

(H2 + CO)

Synthetic Fuels…

e.g. Fischer-Tropsch-Plant

Solar Fuels: Fuels from water, CO2 and sunlight

artist‘s view

In 20 years commercial ?

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DLR.de/SF > Chart 23 >

Solar Irradiation and Project Locations

• Extraterrestrial irradiance: 1367 W/m²

• Attenuation due to atmospheric absorption and scattering

Irradiance on earth 1000 W/m²

Annual Sum of Direct Normal Irradiance

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 24 >

How DLR Solar Research works with industry:

Industry

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 25 >

Cost development

PV vs. CSP

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

Energy cost PV

Energy cost CSP

2014

2007

2014

Module cost PV

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DLR.de/SF > Chart 26 >

• Germany’s largest research entity in the field of concentrating solar systems for the generation of

heat, electricity and fuel

• Research Areas:

Line Focus SystemsPoint Focus SystemsQualification

Solar Energy MeteorologyNew MaterialsSolar Chemical Engineering

• Services and consulting for industry clients

• Annual income in 2015: 19,0 €Mio

• Staff: approx. 160 people at the four sites Cologne, Jülich, Stuttgart, Almería (Spain)

• Spin-off companies: CSP Services GmbH, Sowarla GmbH, Heliokon GmbH

Institute of Solar Research Concentrating Solar Systems for Power, Heat and Fuel generation

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 27 >

Technology Assessment/F&E-Support

• Measuring equipment

• Test installations

• Provision of highly concentrated light,

UV/IR resources for radiance tests

• Design reviews

• Feasibility studies

Institute of Solar Research Services

Resource Assessment & Forecasting

• Solar radiation, soiling and aerosol

measurements

• Sensor calibration and

characterization

• Nowcasting of irradiance

Solar Water Treatment

• Technology

• Consulting

Software Tools for CSP Plants

• Greenius: yield calculation for

renewable energies

• STRAL: calculation of radiation flux

density (ray tracing)

• HFLCAL: heliostat field layout and

optimization

Qualification Services

For Components and Plants:

• Determination of quality characteris-

tics and performance parameters

• Aging Tests

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 28 >

• DLR developed optical measurement devices, that

allow industry to build a much more precise solar

collector

• DLR solves fundamental challenges to use air or

steam as heat transfer fluids in solar collectors and

receivers

• DLR's innovative QUARZ® Lab becomes

„Quasi-Standard“ to asses collector components

• DLR demonstrates together with industry several new

CSP technology systems in the MW-scale and signs

license agreements with industrial clients

• DLR develops and implements together with

University partners a CSP capacity building program

for the MENA region

• DLR spun-off 3 companies in this field in the last 10

years from the Institute of Solar Research

Highlights

Heliokon

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 29 >

• CSP applications increasing in project size

• higher fluid temperature in parabolic troughs and towers

• storage capacity is the among the most relevant advantages of CSP

• dispatchable power supply, base load, evening peak load

• market development in South Africa, Middle East, India, China Chile

• relevant process heat applications in food industry, in mining industry

• DLR is partner in technical development, in quality control and expertise

• DLR and German industry partners interested in joining projects in Chile

Summary

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016

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DLR.de/SF > Chart 30 >

concentrating solar technology –

… precise, efficient, sustainable

www.DLR.de • Chart 30

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DLR.de/SF > Chart 31 >

Useful links

CSP Market • www.solarpaces.org

• http://www.nrel.gov/csp/solarpaces/

• www.dlr.de/sf

• http://www.sbc.slb.com/SBCInstitute/Publications/SolarPower.aspx

• www.helioscsp.com

Contact

[email protected]

>Institute of Solar Research 2016 > E Luepfert, DLR > Seminario CORFO and GIZ 7 Sept 2016