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EnCN Teilprojekt Speicher A: TP 2: Spitzenlastfähige Hochtemperaturspeicher

 EnCN Teilprojekt Speicher A: TP 2: Spitzenlastfähige Hochtemperaturspeicher

Isotherme Hochtemperaturspeicher für Einsatztemperaturen im Bereich 800 – 900 °C auf Basis des CaO–CaCO3 Systems bieten höchste Speicherdichten und sind durch eine dynamische Dampferzeugung in der Lage die bestehende Kraftwerksinfrastruktur zu flexibilisieren. Im Rahmen des Energie Campus Nürnberg (EnCN) soll der Proof-of-Concept des innovativen Speichers mit Hochtemperatur-Heatpipes erbracht werden.

Laufzeit: 01.01.2017 – 28.02.2021

Freistaat Bayern

Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie

Technische Hochschule Nürnberg

Prof. Dr. Ing. Wolfgang Krcmar: Professor für Grobkeramik, Fakultät Werkstofftechnik

I-MEET (Institut für Materialien der Energie- und Elektrotechnik)/ZAE Bayern

Energie Campus Nürnberg

Spitzenlastfähige CaO – CaCO3  Hochtemperaturspeicher

Isotherme Hochtemperaturspeicher für Einsatztemperaturen im Bereich 800 – 900 °C auf Basis des CaO–CaCO3 Systems bieten höchste Speicherdichten und sind durch eine dynamische Dampferzeugung in der Lage die bestehende Kraftwerksinfrastruktur zu flexibilisieren. Im Rahmen des Energie Campus Nürnberg (EnCN) wird das Be- und Entladen des innovativen Speichers mit Hochtemperatur-Heatpipes untersucht.

Dynamischer Dampferzeuger Teststand

Am Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik wurde im Rahmen des TP 2 (Spitzenlastfähige Hochtemperaturspeicher) ein Prototyp aufgebaut, um die dynamische Dampferzeugung mittels Hochtemperatur-Heatpipes zu untersuchen. Um den Jahreswechsel erfolgte die Inbetriebnahme und der Teststand bringt wertvolle Erfahrungen für die Konstruktion und die dynamische Betriebsweise des 2018 zu errichtenden Heatpipe-Carbonatspeichers. Dieser ist die erste Anlage dieser Art im Pilotmaßstab und soll einen entscheidenden Beitrag zur Flexibilisierung von Dampfkraftwerken leisten.

Bereits heute müssen fossile Kraftwerke besonders morgens und in den Abendstunden hohe Leistungen mit großen Lasttransienten bereitstellen. Insbesondere im Winter und in den Übergangszeiten steht die Einspeisung aus der Photovoltaik in ausreichendem Umfang erst für die Mittagsspitze zur Verfügung. Aufgrund des zusätzlich hohen Regelbedarfs werden diese Lastspitzen bis auf weiteres mit existierenden konventionellen thermischen Dampfkraftwerken zu decken sein. Während existierende Dampfturbinen dieser Kraftwerke ideal mit hoher Dynamik auf Bedarfsspitzen reagieren könnten, sind die zugehörigen Dampferzeuger für diese Aufgabe zu träge.

Die Regelfähigkeit großer Dampfkraftwerke beschränkt sich weitestgehend auf Maßnahmen zur kurzzeitigen Bereitstellung der Primär- und Sekundärregelung (z.B. nach TransmissionCode ±2% der Nennleistung innerhalb 30 Sekunden, beispielsweise mittels Kondensatstopp). Große Laständerungen scheitern an den großen thermischen Massen der Dampferzeuger und an den hohen Materialbeanspruchungen, die „schnelle“ Lastwechsel (innerhalb weniger Stunden) für große Dampfkraftwerke verursachen würden.

Abhilfe könnten hier Hochtemperatur-Wärmespeicher leisten, die in der Lage sind, mit hoher Dynamik Hochdruckdampf in Frischdampfleitungen und in Dampfschienen existierender thermischer Kraftwerke einzuspeisen. Wird nur die Dampfturbine mit zusätzlichem Dampf beaufschlagt, können innerhalb weniger Minuten große Laständerungen realisiert werden. Am Beispiel des Heizkraftwerks Sandreuth sollen technische Möglichkeiten für die Injektion von Dampf auf verschiedenen Temperatur- und Druckniveaus bewertet werden um kurzfristige signifikante Leistungssteigerungen im Kraftwerk zu erzielen.

Für solche Hochtemperaturspeicher kommen vor allem thermochemische Speicher und insbesondere Carbonatspeicher in Frage. Magnesium- und Calcium-Carbonatspeicher werden besonders für Hochtemperatur-Wärmespeicher für Solarturmkraftwerke diskutiert. Die Re-Karbonierung von zuvor kalziniertem Calciumcarbonat („gebranntem Kalk“) setzt bei Temperaturen über 800°C hohe Wärmemengen frei. Allerdings erlauben Carbonatspeicher trotz einer sehr hohen Speicherdichte eine Be- und Entladung mit hoher zeitlicher Dynamik nur dann, wenn die Speicher isotherm betrieben werden. Carbonat-Speichersysteme die konventionell, also nicht isotherm betrieben werden, können aufgrund der geringen Wärmeübergangskoeffizienten im Festbett und den daraus resultierenden Wärmestromdichten nur mit geringen Lastgradienten betrieben werden und sind Speichern ohne chemische Reaktionen, wie Basaltschüttspeichern oder Formsteinspeichern, in der erreichbaren Leistungsdichte kaum überlegen.

Die für das Teilprojekt SP2 vorgeschlagene Integration von Hochtemperatur-Heatpipes ermöglicht dagegen einen vollkommen isothermen Betrieb des Speichers. Aufgrund der idealen Wärmeübertragungseigenschaften von Heatpipes können weitaus höhere Wärmestromdichten realisiert werden, als mit konventionellen Speichern. Hochtemperatur-Heatpipes wurden bisher nur für den sogenannten Carbonat-Looping-Prozess erprobt. Der innovative Ansatz dieser Technologie erstmals auch für die Hochtemperatur-Speicherung einzusetzen, ist Gegenstand der Arbeit am Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik.

 

Ansprechpartner:

Christoph Lange, M. Sc.

  • Organisation: Department Chemie- und Bioingenieurwesen (CBI)
  • Abteilung: Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik
  • Telefonnummer: 0911/5302-9026
  • E-Mail: christoph.lange@fau.de