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EnCN – Teilprojekt Spitzenlastfähige Hochtemperaturspeicher

EnCN – Teilprojekt 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) wird das Be- und Entladen des innovativen Speichers mit Hochtemperatur-Heatpipes untersucht. Projektziel ist der Proof-of-Concept in einer Pilotanlage sowie eine technische Betrachtung der Einsatzmöglichkeiten an Kraftwerksstandorten der Region.

Laufzeit: 01.01.2017 – 31.12.2021

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

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 (± 10-15 GW in 2 Stunden) für große Dampfkraftwerke verursachen würden. Dementsprechend schnellen die Strompreise zur entsprechenden Tageszeit der Lastwechsel nach oben.

Electricity Generation and Prices at Energy Exchange Market in Germany (27.06.2018)

Abbildung 1: Electricity Generation and Prices at Energy Exchange Market in Germany (27.06.2018) from www.eex-transparency.com

 

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 kurzfristig signifikante Leistungssteigerungen im Kraftwerk zu erzielen.

Für solche Hochtemperaturspeicher kommen vor allem thermochemische Speicher und insbesondere Carbonatspeicher in Frage. Magnesium- und Calcium-Carbonatspeicher wurden bisher besonders als 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 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 diese Technologie erstmals auch für die Hochtemperatur-Speicherung einzusetzen, ist Gegenstand der Arbeit am Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik.

 

Aktuelles:

Dynamischer Dampferzeuger Teststand

Am Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik wurde im Rahmen des Projektes „Spitzenlastfähige Hochtemperaturspeicher“ ein Prototyp aufgebaut, um die dynamische Dampferzeugung mittels Hochtemperatur-Heatpipes zu untersuchen. Ende 2017 erfolgte die Inbetriebnahme und der Teststand bringt seitdem wertvolle Erfahrungen für die Konstruktion und den dynamischen Betrieb des zu errichtenden Heatpipe-Carbonatspeichers. Dieser ist die erste Anlage dieser Art im Pilotmaßstab und soll einen entscheidenden Beitrag zur Flexibilisierung von Dampfkraftwerken leisten.

Untersuchung der Zyklenstabilität mit der TGA

In 2018 wurden Untersuchungen an der TGA (Thermo-gravimetrische Analyse) durchgeführt, um geeignete Sorbentien für den Carbonatspeicher zu charakterisieren. Durch isotherme Prozessbedingungen zwischen 800-850°C kann eine bessere Zyklenstabilität des Carbonats erreicht werden als beim Carbonate Looping. Mildernde Bedingungen im Speicherkonzept sind u.a. die ggü. dem CaL-Verfahren niedrigere Kalzinierungstemperatur sowie die längere Karbonierungsdauer, die eine höhere Ausnutzung der CO2-Aufnahmefähigkeit des Materials zulässt.

 

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