Projekt-Cluster

Hochtemperatur-Wärmespeicher für flexible GuD-Kraftwerke

Forschungsansatz

Wärmespeicher-Versuchsanlage in Stuttgart ©DLR-ITT

Seit 2009 läuft die Entwicklung eines Hochtemperatur-Wärmespeichers für Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD). Die Integration eines solchen Speichers in den Kraftwerksprozess erlaubt die zeitliche Entkopplung der Strom- und Wärmebereitstellung. So ermöglicht das Verfahren etwa, dass die über den Kundenbedarf hinaus produzierte Wärme tagsüber im Speicher „geparkt“ wird und nachts – bei abgeschalteter Gasturbine – zur Verfügung gestellt werden kann. Diese Trennung ist bei GuD-Kraftwerken, die in der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) betrieben werden und somit einen hohen Brennstoffausnutzungsgrad sowie niedrige CO2-Emissionen vorweisen, bislang nicht möglich.

Gerade vor dem Hintergrund zunehmender, nicht bedarfsorientierter Kapazitäten im Erzeugungspool – etwa aus immer größeren Off-Shore-Windparks – erhöhen sich die Flexibilitätsanforderungen an große Kraftwerke. In Kraft-Wärme-Kopplung betriebene GuD-Kraftwerke haben zurzeit häufig den Nachteil, dass sich der Betrieb nicht mehr am Strombedarf orientiert, sondern die Anlage in der Regel wärmegeführt betrieben wird. Deshalb müssen Kraftwerke mit Wärmeauskopplung auch dann weiterlaufen, wenn nur ein geringer Strombedarf im öffentlichen Netz besteht – beispielsweise in der Nacht. Durch den Einsatz der Speicher-Technologie soll die Wirtschaftlichkeit der GuD-Kraftwerke steigen. Deshalb sind auch viele Industriebetriebe und Stadtwerke stark an der Entwicklung des Wärmespeichers interessiert.

Forschungsziele

Ziel der Arbeiten in diesem Projekt ist die Bereitstellung einer für den Gas- und Dampfturbinenprozess angepassten Wärmespeicher-Lösung sowie die Minderung der bestehenden Umsetzungsrisiken durch die Beantwortung offener technisch-wirtschaftlicher Fragestellungen.

Übergeordnete Entwicklungsziele auf dem Gebiet Speichertechnik sind die Reduktion der spezifischen Investitionskosten und die Erhöhung von Effizienz und Zuverlässigkeit für sensible und latente Wärmespeicher im Leistungsbereich 10 bis 300 MW.

 

Wirtschaftlich attraktive Wärmespeicher im Temperaturbereich 120°C-1.000°C ermöglichen die Optimierung des Energiemanagements und damit die Erhöhung der Energieeffizienz in einem breiten Anwendungsspektrum:
Von der Integration in solarthermische Kraftwerke zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und der Versorgungssicherheit bis hin zur Abwärmenutzung bei zyklischen Prozessen in der Industrie. Neben der optimalen Kraft-Wärme-Kopplung in Kraftwerks- und Industrieprozessen soll die Dynamik und Flexibilität in fossilen Kraftwerksprozessen verbessert werden.

Perspektiven

Möglicher Pilotstandort: Das Heizkraftwerk in Dortmund ©RWE

Für die Projektentwicklung sind rund zweieinhalb Jahre veranschlagt. Nach erfolgreichem Abschluss der ersten Entwicklungsphasen streben die Kooperationspartner den Bau einer Pilotanlage mit einer Leistung von zehn Megawatt an. Möglicher Standort ab 2011 könnte das Heizkraftwerk von RWE Power in Dortmund sein. In den bereits durchgeführten Voruntersuchungen wurde die grundlegende technisch-wirtschaftliche Machbarkeit bestätigt. Die Realisierbarkeit eines GuD-Kraftwerks mit integriertem thermischem Speicher hängt von der Verfügbarkeit eines kosteneffizienten, zuverlässigen und langlebigen Hochtemperatur-Wärmespeichers in großtechnischer, kommerzieller Ausführung ab.

Das Projekt umfasst die an Betreiberanforderungen orientierte Erarbeitung von Speicherkonzepten, deren Erprobung im Technikumsmaßstab und das Basic Engineering für eine im Anschluss an das Projekt zu errichtende Pilotanlage. Laboruntersuchungen zur Ermittlung geeigneter Materialien für Speicherinventar und -isolation sichern die Speicherkonzepte ab. Darüber hinaus werden Fragestellungen bzgl. der Integration eines Speichers in den Kraftwerksprozess sowie betriebsrelevante Aspekte untersucht. Die Zielanwendung eines Full-Scale GuD-Kraftwerkes mit Wärmespeicher soll dabei immer im Auge behalten werden und in Form eines "Front End Engineering und Design" (FEED) im Projekt erarbeitet werden.

Darüber hinaus wird ein weltweit konkurrenzfähiger Kraftwerksprozess zur Verfügung stehen, der - nach der geplanten Demonstration seiner Verlässlichkeit im großtechnischen Maßstab - außerordentlich gute Aussichten auf einen kommerziellen Erfolg hat. Dies insbesondere, wenn der Ausbau der nicht am Stromverbrauch orientierten Stromerzeugung (KWK-Anlagen und Windkraftanlagen) im geplanten Ausmaß realisiert wird.

Hintergrund

Untersuchung von keramischen Hochtemperaturkomponenten ©DLR

Kernstück eines neuen Teststands zur Untersuchung von Hochtemperaturspeichern am DLR-Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart ist ein fünf Meter hoher Speicherbehälter (HOTREG). Mit ihm können die Wissenschaftler unterschiedliche Speicherkonzepte, Betriebsweisen und Materialien erproben.

Im Zentrum der neuen Anlage steht ein Feststoffspeicher für den Betrieb mit Heißluft bei einstellbaren Luftdrücken. Der Speicher enthält einen austauschbaren Innenbehälter. Dadurch können die Wissenschaftler verschiedene Testaufbauten aus Speicherinventar und Hochtemperaturisolierung mit geringem Zeitaufwand für verschiedene Testzwecke austauschen. Zum Einsatz kommen zum Beispiel Speichermaterialien aus Keramik oder Naturstein, auch verschiedene Formen des Speichermaterials werden getestet. Darüber hinaus sind alle bestimmenden Betriebsparameter wie Temperatur, Druck, Luftdurchsatz und Luftfeuchte in einem breiten Bereich variabel.

 

Charakteristische Merkmale thermischer Speicher sind die für die jeweiligen Anwendungen hochspezifischen Anforderungsprofile. Dementsprechend erfordert dieses Arbeitsgebiet den Umgang mit einem breiten Spektrum an Speichertechnologien, Materialien und Methoden, wobei die Arbeiten auf Mittel- und Hochtemperaturanwendungen fokussiert sind.

Die folgenden Aktivitäten stehen im Fokus:

  • Entwicklung und experimentelle Qualifizierung von Komponenten und Subsystemen
  • Auswahl und Qualifizierung von Feststoffspeichermaterialien für sensible Wärmespeicherung bis 1.000°C
  • Auswahl und Qualifizierung von Phasenwechselmaterialien für Latentwärmespeicherung bis 350°C
  • Optimierung von Betriebsstrategien

Forschungsvorhaben zu Wärmespeichern in GuD-Kraftwerken

Flexibilisierung von Gas- und Dampfturbinenkraftwerken durch den Einsatz von Hochtemperatur-Wärmespeichern (FleGs)

Projektlaufzeit: 12/2009 - 12/2012 (Abgeschlossen)

   

RWE Power Aktiengesellschaft - Forschung und Entwicklung - Neue Technologien

MH Power Systems Europe Service GmbH

Paul Wurth Refractory & Engineering GmbH - Abt. Winderhitzer

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - Institut für Technische Thermodynamik (ITT)

 

Förderkennzeichen: 0327882A, 0327882B, 0327882C, 0327882D

 

Der Kraftwerksbetreiber RWE Power koordiniert die Entwicklung des Hochtemperatur-Wärmespeichers für Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD). Gemeinsam mit den Partner-Unternehmen soll das Projekt bis 2012 abgeschlossen werden.

Für die Integration des Wärmespeichers in den GuD-Prozess ist mit der ThyssenKrupp Xervon Energy ein Partner im Projekt, der über langjährige Erfahrung mit dem Bau von GuD-KWK-Anlagen verfügt. Der Anlagenbauer will  hochflexible Wärmespeicher-GuD-Kraftwerke in absehbarer Zeit zur Marktreife entwickeln. Neben Neubauprojekten ist gerade auch die Nachrüstung vorhandener Anlagen eine wichtige Option.

Know-how zum Thema Hochtemperatur-Wärmespeicher bringt die Paul Wurth Gruppe in das Projekt ein. Ähnliche Konzepte kommen in dem Unternehmen bereits zur Heißluftbereitstellung in der Metall- und Glasindustrie als sogenannte Winderhitzer zur Anwendung. Sie müssen aber an die speziellen Anforderungen eines GuD-Kombikraftwerks angepasst werden.

Das DLR übernimmt im Rahmen der Kooperation die thermische Auslegung des Wärmespeichers, Untersuchungen an möglichen Speicherinventarmaterialien im Labor, und den Betrieb eines kleinen Prototyps im Technikumsmaßstab.