Druckluftspeicher Entwicklungsaktivitäten von RWE Power

Transkript

1 Druckluftspeicher Entwicklungsaktivitäten von RWE Power Impulsvortrag zur Fachtagung Erneuerbare ins Netz der DUH - Deutsche Umwelthilfe Roland Marquardt, RWE Power, F&E - Neue Technologien SEITE 1

2 Dramatisch fluktuierende Windstromerzeugung erfordert Werkzeuge zur Flexibilisierung des Back-Up-KW-Parks Gesamte installierte Wind Leistung: MW ( ) Wind Power [MW] Wind Power [MW] Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Data Source: ISET 2009 SEITE 2

3 Effekte der heutigen Stromerzeugung aus Windenergie Netzlast, Wind-Prognose und tatsächliche Erzeugung Beispiel: Vattenfall Netzzone (Ostdeutschland) Februar 2008 Prognostizierter und tatsächlich erzeugter Windstrom im Vergleich zur Netzlast Zu jeder Jahreszeit kann die WEA-Einspeisung zwischen 0% und 85% der installierten Leistung schwanken Der Einsatz der konventionellen Kraftwerke muss sich diesen Schwankungen anpassen Vorhersagegenauigkeit hat sich verbessert, lässt sich jedoch nicht beliebig steigern. Der absolute Wert der Abweichung wird steigen Bereits heute erreicht die WEA Erzeugung lokal die Netzlast Quelle: VDE Studie Dezember 2008 Regelenergie Konv. Kraftwerkspark Abweichung zwischen Bedarf und Erzeugung wird signifikant steigen und muss vom konventionellen Kraftwerkspark kompensiert werden SEITE 3

4 Stromhandel an der Börse: Negative Preise Wie wird der Markt der Zukunft aussehen? 100 EEX day ahead hourly spot market price /MWh : : : : : : : : Häufigkeit wird steigen: Negative Preise Extreme Preisspitzen (+/-) Data Source: EEX SEITE 4

5 Adiabate Druckluftspeicher als neue Option zur Deckung des zukünftigen Speicherbedarfs Hydraulische Pumpspeicherkraftwerke + hoher Wirkungsgrad (75 80%) + extrem schnelle Einsatzverfügbarkeit lange Genehmigungsverfahren nur noch begrenztes Ausbaupotenzial Konventionelle Druckluftspeicherkraftwerke (CAES Compressed Air Energy Storage) + sichtbare Eingriffe in das Landschaftsbild gering + Einsatz in Mittel- und Norddeutschland möglich verfügbare CAES erfordern Erdgaseinsatz, damit verbunden CO 2 -Emissionen geringer Wirkungsgrad (42% und 54%) Neu zu entwickelnde Option: Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke + Wirkungsgradziel 70% (in der Nähe von Pumpspeicherkraftwerken) + Kein Erdgaseinsatz, keine CO 2 -Emission Neue Technologie erfordert Komponentenentwicklung und Demonstrationsanlage SEITE 5

6 Konventionelle Druckluftspeicher (I) Huntorf E.ON Kraftwerk Huntorf (Niedersachsen) seit 1978 in Betrieb ohne Nutzung der Kompressionswärme ohne Luftvorwärmung durch GT-Abgas Wirkungsgrad ca. 42% Input: 0,83 kwh elektrische Energie 1,56 kwh fossile Energie Output: 1 kwh elektrische Energie Quelle: E.ON, KBB Underground Verfahren wirtschaftlich nicht sehr attraktiv SEITE 6

7 Konventionelle Druckluftspeicher (II) McIntosh McIntosh, Alabama, USA seit 1991 in Betrieb ohne Nutzung Kompressionswärme mit Luftvorwärmung durch GT-Abgas Wirkungsgrad ca. 54% Input: 0,69 kwh elektrische Energie 1,17 kwh fossile Energie Output: 1 kwh elektrische Energie Lufteinlass Kompressor mit Zwischenkühlung Verlustwärme Kupplung M / G Motor / Generator Kupplung NG Brennkammer Abgasrekuperator HD Luftturbine ND Gasturbine Kamin Kaverne Wirkungsgrade besser, jedoch nicht ausreichend SEITE 7

8 ADELE: Beladung des Speichers Adiabate Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung P el Lufteinlass Verdichterauslass: t 620 C m p 300 kg/s Luftauslass M G Q geringe Zwischenkühlung t hot_end 620 C Wärmespeicher t cold_end = 50 C Kaverne Druckluft in Kaverne: t < 50 C p bar Verdichtung von Luft mit möglichst geringer Zwischenkühlung Wärmespeicher speichert Verdichtungswärme zur späteren Nutzung SEITE 8

9 ADELE: Entladung des Speichers Adiabate Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung Lufteinlass Luftauslass P el M G Expansionsturbine Lufteintritt: 590 C ca kg/s Gesamtwirkungsgrad: ca. 70% Wärmespeicher Kavernenluft Kaverne Zieldaten für kommerzielle Anlage: ca. 200 MW Kompressorleistung ca. 250 MW Turbinenleistung ca. 1 2 GWh Speicherkapazität ( 4 8 Turbinen-Volllaststunden) Wärmespeicher gibt thermische Energie wieder an Druckluft ab Entspannung in einer Luftturbine ohne Erdgaszufeuerung SEITE 9

10 FuE-Programm ADELE Machbarkeit Entwicklungsprogramm ADELE Demophase Entwicklungsprogramm Adiabater Druckluftspeicher M C E G Projektkoordination, Definition Anforderungsprofil (RWE Power) Air intake TES Adiabater Kompressor, Luftexpander (GE Oil & Gas) Gesamt-Anlagenkonzeptes (GE GRC) discharge charge CAVERN Wärmespeicher (DLR, Züblin, OIH) Kaverne (ESK Erdgasspeicher Kalle) Budget Gesamtbudget ca. 10 Mio., RWE 4,3 Mio. Status und Förderung Projekt gestartet, 50 % Förderung durch BMWi in Aussicht gestellt (LoI) Ziel: Komponentenentwicklung und Klärung technisch-wirtschaftlichen Fragestellung, Entwicklung einer großtechnischen Demo-Anlage bis zur Angebotsreife SEITE 10

11 ADELE Verdichter für Hochtemperaturanwendung Leakage/shrinkage through end head seal due to thermal Expansion Leckage durch at inlet thermische and discharge side during transients Ausdehnung bei Lasttransienten Thermische Ausdehnung zwischen Lagerschmierung ist hohen äußerer und innerer Gehäuseschale Temperaturen ausgesetzt Veränderliche Spaltmaße bei axialer Ausdehnung der Welle Entwicklung von Turbomaschinen auf Basis bestehender Maschinen, Vermeidung von grundlegenden Neuentwicklungen SEITE 11

12 ADELE Luftturbine Kombination von Designprinzipien aus Dampf- und Gasturbinentechnologie erforderlich GT-Technik erforderlich zur Erreichung hoher Wirkungsgrade kurzer Start-Up-Zeiten (10 15 min., ein Größenordnung schneller als Dampfturbinen) DT-Technik erforderlich zur Erreichung hohe Massenstromvariabilität (weiter Arbeitsbereich) Expansionsbetrieb und Steuerung Sowohl Optionen mit hohen (8000 rpm) als auch getriebelose Optionen mit niedrigen Drehzahlen (3000 rpm) werden untersucht SEITE 12

13 ADELE Wärmespeicher Design des Behälters und der Isolation Entwicklung eines zuverlässigen, langlebigen und wirtschaftlichen Designs Berücksichtigung aktueller Entwicklungen und Erfahrungen hinsichtlich Dichtheit von Betonwänden Liner Konstruktion Kriech- und Schrumpfverhalten der Betonhülle Temperaturabhängige Materialeigenschaften Außergewöhnliche mechanischen Belastungen Existierender Testeinrichtungen Ziellebensdauer 40 a Zugänglichkeit zu Inspektionsund Reparaturzwecken Monitoringkonzept SEITE 13

14 ADELE Wärmespeicher Tests von Inventar- und Isolationsmaterialien, FEM-Modellierungen Validierung von Materialeigenschaften und Speicherkonzepten im Labor sowie an einem Teststand im Pilotanlagenmaßstab Designstudien Modellierung von Temperaturverteilung dynamischem Verhalten Wärmeverlusten Aktivkühlung Teillastverhalten Kondensathandling SEITE 14

15 ADELE Kavernen Standortscreening und Ranking (D, Benelux, UK, ), standortspezifische Salzuntersuchungen Gebirgsmechanik: Geomech. Modellierung sowie Laboruntersuchungen zu Spannungsbelastungen Anpassung Bohrlochausführung (Material, Ø) Thermodynamische Modellierung des Prozesses, Parameterstudien (Volumen, Geometrie, Teufe, ) CAES relevante Teufe SEITE 15

16 Fazit Die erwarteten Entwicklungen in der Stromversorgung erfordern weitere Speicherkapazität, um weiterer Erzeugungskapazitäten aus erneuerbaren Energien ins Netz zu integrieren Aufgrund begrenzter Ausbaukapazitäten von Pumpspeicherkraftwerken ist die adiabate Druckluftspeichertechnik die aussichtsreichste Alternativtechnologie Die erforderlichen Entwicklungsarbeiten wurden mit dem Projekt ADELE initiiert, um die adiabate Druckluftspeichertechnik zur Marktreife zu führen. SEITE 16