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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:

Aufbau der Pilotanlage im 250 kWh Maßstab im Speicherhaus

Carbonatspeicher im Speicherhaus

Der Reaktor und der zur Pilotanlage gehörende Dampferzeuger wurden im Frühjahr 2020 geliefert und im Rahmen der möglichen Präsenzarbeit währen

d und nach dem ersten Lockdown montiert. Nach Fertigstellung der Statik des Gerüsts wurde dieses im April installiert. Der Schaltschrank für die Pilotanlage wurde im Juli geliefert und die SPS-Programmierung der Steuerung im Rahmen einer Abschlussarbeit parallel zur Fertigung des Schaltschrankes erstellt. Seit August ist die Anlage bedienbar, allerdings noch nicht vollständig montiert.

Anschließend wurde der Aufbau der Peripherie vorangetrieben. Zunächst stand die Fertigung, Prüfung und der Funktionstest von 12 natriumgefüllten Hochtemperatur-Heatpipes im Fokus. Im Sommer wurden die Gasverteiler im Reaktor sowie sämtliche Sensorik (u.a. Dampfmessstrecke für die Bilanzierung der Entladung des Speichers, CO2-Durchflussmesser für die Bilanzierung der Beladung, knapp 200 Thermoelemente und entsprechende Positionierhilfen zur Bestimmung von Temperaturprofilen im Reaktor) für den Carbonatspeicher ausgelegt und notwendige Komponenten gezeichnet/bestellt. Im Herbst wurden die Rohrleitungen für die Gaszufuhr installiert sowie die Gasverteiler gefertigt. Anfang 2021 erfolgt die Komplett-Installation aller Komponenten.

Bestimmung optimaler Betriebsparameter am Mini-Carbonatspeicher

links: 10 kWh Mini-Carbonatspeicher mit darüberliegendem Heatpipe-Dampferzeuger rechts: Blick von unten auf Heatpipe-Dampferzeuger

Zur Vorbereitung der Pilotanlage und um schneller die Auswirkungen verschiedener Versuchsparameter auf den Speicherbetrieb zu untersuchen wurde ein Carbonatspeicher im Labormaßstab mit einer Speicherkapazität von 10 kWh in den zuvor bestehenden Heatpipe-Dampferzeuger Teststand integriert. Ende 2019 erfolgte die Inbetriebnahme und der Teststand brachte bereits wertvolle Erfahrungen für die Konstruktion und die dynamische Betriebsweise des zu errichtenden Pilotanlage. Dieser ist die erste Anlage dieser Art im Pilotmaßstab und soll einen entscheidenden Beitrag zur Flexibilisierung von Dampfkraftwerken leisten.

Die ersten Versuchsreihen mit Kalzinierung bei 800 °C und 850 °C zeigten eine verbesserte CO2-Aufnahmefähigkeit nach 6 Zyklen gegenüber Literaturwerten und eigenen TGA-Messungen. Die durch den Wirbelschichtbetrieb längere Karbonisierungsdauer und Verweilzeit im Reaktor lässt eine höhere Ausnutzung der CO2-Aufnahmefähigkeit des Materials zu als nach den TGA-Untersuchungen erwartet. Allerdings ist absehbar, dass die Kalzinierungstemperatur erhöht werden muss, um die Reaktionsdauer zu verkürzen und somit den Beladevorgang effizienter zu gestalten. Weitere Versuchsreihen folgen.

TGA Untersuchungen

2018 wurden Untersuchungen an der TGA (Thermo-gravimetrische Analyse) durchgeführt, um geeignete Sorbentien für den Carbonatspeicher zu charakterisieren und geplante Betriebsbedingungen unter die Lupe zu nehmen. Die Sorbent-Auswahl fiel auf Partikel im Bereich zwischen 100 und 300 µm, die sich auch gut für den Einsatz in der Wirbelschicht eignen. Durch Kalzinierungstemperaturen zwischen 800-850°C kann eine bessere Zyklenstabilität des Carbonats erreicht werden als beim Carbonate Looping zur Rauchgas-Dekarbonisierung (ca. 950 °C).

Die Untersuchungen ergaben, dass bei 845 °C Kalzinierung (0 bar pCO2) und 845 °C Karbonisierung (1 bar pCO2) ähnliche Be- und Entladedauern möglich sind. Im Wirbelschichtbetrieb wird der Partialdruck durch die CO2-Freisetzung bei der Kalzinierung allerdings höher sein. Dadurch muss die Kalzinierung für gleiche Geschwindigkeiten bei Temperaturen > 845 °C ablaufen.

 

Ansprechpartner:

Christoph Lange, M. Sc.

Department Chemie- und Bioingenieurwesen (CBI)
Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik