Flexible Kraftwerke in der Geothermie Simultane Wärme- und Stromversorgung

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1 Lehrstuhl für Energiesysteme Fakultät für Maschinenwesen Technische Universität München Flexible Kraftwerke in der eothermie Simultane Wärme- und Stromversorgung Sebastian Eyerer, Matthäus Irl, Christoph Wieland, Hartmut Spliethoff Technische Universität München Fakultät für Maschinenwesen Lehrstuhl für Energiesysteme München, 12. September 2017

2 Agenda 1) Warum wird der flexible Anlagenbetrieb in Zukunft wichtiger? 2) Wie lässt sich ein flexibler Anlagenbetrieb technisch realisieren? 3) Zusammenfassung 2/15

3 Warum wird der flexible Anlagenbetrieb in Zukunft wichtiger? Flexibilität zwischen Wärme- und Stromerzeugung Bedarfsgerechte Reaktion auf Wärmebedarf erhöht die Auslastung des Kraftwerks Wirtschaftlichkeit Hoher Wirkungsgrad des Kraftwerks ist vor allem im Teillastbetrieb wichtig Weitere Anforderungen: - Niedrige Mindestlast Energiewirtschaftliches Zieldreieck / -viereck Versorgungssicherheit Umweltschutz gesellschaftliche Akzeptanz 3/15

4 Quelle: Daten aus [1] Warum wird der flexible Anlagenbetrieb in Zukunft wichtiger? Flexibilität auf Stromseite Sinkende EE Vergütung erschwert Wirtschaftlichkeit Anbieten von Systemdienstleistungen (z.b. Regelleistung) kann in Zukunft zusätzliche Erlösquelle darstellen und Wirtschaftlichkeit verbessern Wirtschaftlichkeit Energiewirtschaftliches Zieldreieck / -viereck Versorgungssicherheit Umweltschutz gesellschaftliche Akzeptanz 4/15

5 Warum wird der flexible Anlagenbetrieb in Zukunft wichtiger? Flexibilität auf Stromseite Mindestregelband PRL SRL MRL 1 MW derzeit: 5 MW, ab : 1 MW derzeit: 5 MW, ab : 1 MW Zeit bis volle Leistung 30 s 5 Min. 15 Min. Laständerungsgeschwindigkeit - min. 2 % P nenn /Min. - Zeitverfügbarkeit 100% min. 95 % 100% Pool möglich nein ja ja Quelle: [2] Laständerungsgeschwindigkeit des Kraftwerks in der Regel unkritisch Zeitverfügbarkeit der Einzelanlagen kritischer Betriebsstrategie: Tiefenpumpe soll bei konstanter Leistung arbeiten mehrere Anlagen in virtuellem Kraftwerk bündeln 5/15

6 Agenda 1) Warum wird der flexible Anlagenbetrieb in Zukunft wichtiger? 2) Wie lässt sich ein flexibler Anlagenbetrieb technisch realisieren? 3) Zusammenfassung 6/15

7 Wie lässt sich ein flexibler Anlagenbetrieb technisch realisieren? 2-Stufiger ORC mit regenerativer Fluidvorwärmung und regelbarem Niderdruckvorwärmer bedarfsgerechte Versorgung des Fernwärmenetzes Turbinenanzapfung Regenerative Fluidvorwärmung in Mischvorwärmer Regelbarer Niederdruckvorwärmer 7/15

8 Wie lässt sich ein flexibler Anlagenbetrieb technisch realisieren? 2-Stufiger ORC mit regenerativer Fluidvorwärmung und regelbarem Niderdruckvorwärmer Niederdruckvorwärmer ermöglicht bedarfsgerechte Verschiebung zwischen Heizwerk und Kraftwerk 8/15

9 Wie lässt sich ein flexibler Anlagenbetrieb technisch realisieren? 2-Stufiger ORC mit regenerativer Fluidvorwärmung und regelbarem Niderdruckvorwärmer Wärmebedarf Kein / geringer Wärmebedarf Keine Anzapfung und gesamter Massenstrom durch NDVW Schaltung wie Standard ORC Mittler Wärmebedarf Auslegungsfall Regenerative Vorwärmung und Niederdruckvorwärmer aktiv Hoher Wärmebedarf Niederdruckvorwärmer geschlossen Regenerative Vorwärmung Hoher Teillastwirkungsgrad durch regenerative Fluidvorwärmung 9/15

10 Wie lässt sich ein flexibler Anlagenbetrieb technisch realisieren? Heißwasserpufferspeicher im Fernwärmenetz mሶ TW,HW P1 (TKP) ሶ m TW,KW mሶ TW,HW P1 (TKP) mሶ TW,KW V3 P2 V2 WT1 V1 WT2 ORC V3 P2 V2 WT1 V1 WT2 ORC V4 V4 Pufferspeicher V5 WT3 Pufferspeicher V5 WT3 WT4 WT4 P3 Fernwärmenetz P3 Fernwärmenetz Bereitstellung positiver Regelleistung P4 Quelle: [3] Bereitstellung negativer Regelleistung P4 Quelle: [3] Wärmespeicher können Wärme- und Stromproduktion entkoppeln leitdruckregelung zur Bereitstellung von Regelleistung Herausforderung ist eine geeignete Betriebsstrategie zum Beladen des Speichers 10/15

11 Wie lässt sich ein flexibler Anlagenbetrieb technisch realisieren? Heißwasserpufferspeicher in einem Zwischenkreis P5 V5 zu Block 2 V1 P1 (TKP) ORC P3 V2 V3 P2 WT5 WT2 Fernwärmenetz Kombispeicher WT1 WT3 WT4 V4 P4 von Block 2 kreis auf zwei Wärmetauscher begrenzt, aber zusätzliche Exergievernichtung durch Zwischenkreis leitdruckregelung zur Bereitstellung von Regelleistung Herausforderung ist eine geeignete Betriebsstrategie zum Beladen des Speichers 11/15

12 Wie lässt sich ein flexibler Anlagenbetrieb technisch realisieren? Fahrweise mit modifiziertem leitdruck und Dampfspeicher im Kraftwerk P1 (TKP) V4 P1 (TKP) V3 V4 V3 V3 ORC Dampfspeicher ORC V2 V1 V2 V1 P2 Fernwärmenetz WT1 WT2 WT3 WT4 P2 Fernwärmenetz WT1 WT2 WT3 WT4 P3 Quelle: [3] P3 Quelle: [3] Für schnelle Regeleingriffe (PRL und SRL) ist eine reine leitdruckregelung nicht schnell genug Drosselventil / Düsengruppenregelung vor der Turbine notwendig Evtl. Kombination mit Dampfspeicher, zur längeren Bereitstellung von Primärregelleistung 12/15

13 Agenda 1) Warum wird der flexible Anlagenbetrieb in Zukunft wichtiger? 2) Wie lässt sich ein flexibler Anlagenbetrieb technisch realisieren? 3) Zusammenfassung 13/15

14 Zusammenfassung Warum wird der flexible Anlagenbetrieb in Zukunft wichtiger? Bedarfsgerechte Reaktion auf Wärmebedarf erhöht die Auslastung des Kraftwerks Hoher Wirkungsgrad des Kraftwerks ist vor allem im Teillastbetrieb wichtig Bereitstellen von Regelleistung stellt zusätzliche Erlösquelle dar und kann Wirtschaftlichkeit verbessern Wie lässt sich ein flexibler Anlagenbetrieb technisch realisieren? 2-stufiger ORC mit regelbarem Niderdruckvorwärmer Heißwasserpufferspeicher im Fernwärmenetz Heißwasserpufferspeicher in einem Zwischenkreis Fahrweise mit modifiziertem leitdruck und Dampfspeicher im Kraftwerk 14/15

15 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen und Diskussion 15/15

16 Quellen [1] [2] Hofbauer, S.; Eyerer, S.; Wieland, C.; Spliethoff, H.: eothermische Stromerzeugung in Deutschland und zukünftige Anforderungen an geothermische Kraftwerke. arching, Technische Universität München, Lehrstuhl für Energiesysteme, Masterarbeit, 2016 [3] Aubele, Katharina; Irl, Matthäus; Mayer-Ullmann, Philipp; Molar-Cruz, Anahi: eoflex - Flexibilitätsoptionen der Strom- und Wärmeerzeugung mit eothermie in einem von volatilem Stromangebot bestimmten Energiesystem. 1. Zwischenbericht Munich School of Engineering, Technische Universität München,