DLR Institut für Technische Thermodynamik

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1 Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke DLR Institut für Technische Thermodynamik Dr. Ing. Markus Eck 5. Juni 2014

2 - Folie 2 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Gliederung Einleitung Aktuelle Tendenzen bei solarthermischen Kraftwerken Entwicklungspfade am DLR Zusammenfassung

3 - Folie 3 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Einleitung Solarthermische Kraftwerke und thermische Energiespeicher Angebot (Solarstrahlung) Solarstrahlung [W/m2] Solarstrahlung [W/m2] Zeit [h] Zeit [h] Thermischer Speicher Leistung [%] Leistung [%] Zeit [h] 0 1 Zeit [h] 2 3 Nachfrage (Strommarkt)

4 - Folie 4 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Einleitung Solarthermische Kraftwerke und thermische Energiespeicher Angebot (Solarstrahlung) Solarstrahlung [W/m2] Solarstrahlung [W/m2] Zeit [h] Zeit [h] Thermischer Speicher Leistung [%] Leistung [%] Zeit [h] 0 1 Zeit [h] 2 3 Nachfrage (Strommarkt)

5 - Folie 5 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Einleitung Solarthermische Kraftwerke und thermische Energiespeicher Angebot (Solarstrahlung) Thermischer Speicher Leistung [%] Leistung [%] Zeit [h] Nachfrage (Strommarkt) Zeit [h] 2 3

6 - Folie 6 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Einleitung Solarthermische Kraftwerke und thermische Energiespeicher Speicherprinzip Angebot (Solarwärme) o o o o Anforderungen Temperatur Wärmeträgerfluid Lade-/Entlade- Charakteristik Speicherkapazität Sensible Wärme Latent Wärme Reaktions Wärme

7 - Folie 7 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Aktuelle Tendenzen bei solarthermischen Kraftwerken Kostensenkung Kostensenkung durch verringerte Investitionen Günstigere Komponenten Innovative Systeme Kostensenkung durch Effizienzsteigerung Höhere Temperaturen Verringerte Verluste Kostensenkung durch standardisierte Verfahren

8 - Folie 8 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Aktuelle Tendenzen bei solarthermischen Kraftwerken Kostensenkung Kostensenkung durch verringerte Investitionen Günstigere Komponenten Innovative Systeme Kostensenkung durch Effizienzsteigerung Höhere Temperaturen Verringerte Verluste Kostensenkung durch standardisierte Verfahren

9 - Folie 9 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Aktuelle Tendenzen bei solarthermischen Kraftwerken Anforderungen an thermische Energiespeicher Verringerte Investitionen Günstigere Speichermedien und Konzepte Hohe Zyklenstabilität / Lebensdauer Höhere Temperaturen Geeignete Speichermedien Geeignete Konzepte Innovative Systeme Alternatives Speicherprinzip (thermo- Chemische Speicher)

10 - Folie 10 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Aktuelle Tendenzen bei solarthermischen Kraftwerken Anforderungen an thermische Energiespeicher Verringerte Investitionen Günstigere Speichermedien und Konzepte Hohe Zyklenstabilität / Lebensdauer Höhere Temperaturen Geeignete Speichermedien Geeignete Konzepte Innovative Systeme Alternatives Speicherprinzip (thermo- Chemische Speicher)

11 - Folie 11 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Kostensenkung Flüssigsalzsysteme Herausforderungen Salzstabilität Korrosion Thermocline

12 - Folie 12 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Kostensenkung Flüssigsalzsysteme 101 Herausforderungen Salzstabilität Korrosion Thermocline Massenverlust - TG-Signal [%] KNO3 96 NaNO3 95 K,Na // NO3 (Eutectic) Temperatur [ C] (1) NaNO 3 NaNO 2 +1/2 O 2 (2) 2 NaNO 2 Na 2 O + NO 2 + NO

13 - Folie 13 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Kostensenkung Flüssigsalzsysteme Herausforderungen Salzstabilität Korrosion Thermocline

14 - Folie 14 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Kostensenkung Flüssigsalzsysteme Herausforderungen Salzstabilität Korrosion Thermocline

15 - Folie 15 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Kostensenkung Flüssigsalzsysteme Zukünftige Untersuchungsmöglichkeiten Realisierung einer neuen Großinvestition am DLR zur Untersuchung von Flüssigsalzsystemen im realen Maßstab

16 - Folie 16 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Erhöhte Betriebstemperaturen Regeneratorspeicher Zieldaten Speicher: Maximaltemperatur: C Luft: 1 bar (Dampfturbine) bis 10 bar (Gasturbine) Direktkontakt zwischen Gas und Speichermaterial: einfacher Aufbau Breite Auswahl an Materialien (Oxidkeramiken, Naturstein) Formsteinaufbau typisch, Kostenreduktion durch Schüttaufbau

17 - Folie 17 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Erhöhte Betriebstemperaturen Regeneratorspeicher Herausforderungen und aktuelle Entwicklungen Herausforderungen Thermo-mechanische Aspekte (thermal ratcheting) Strömungsverteilung Materialstabilität, Behälter (Druckkessel) Status Entwurfsgrundlagen erarbeitet Thermo-mechanik berücksichtigt Strömungs- und Druckverlustmodelle erstellt Zyklische Materialtests durchgeführt Verschiedene Leitkonzepte im Pilotmaßstab validiert ( 5 t) Synergien zu verwandten Anwendungen: GuD (2-3 GWh th ) AA-CAES (~1 GWh th ) DLR

18 - Folie 18 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Erhöhte Betriebstemperaturen Partikelbasierte Speicher Einsatzgebiete: Volumetrische Receiver Partikelreceiver

19 - Folie 19 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Erhöhte Betriebstemperaturen Partikelbasierte Speicher Herausforderungen an den Wärmeübertrager Teststand mit WBWÜ-Prüfling Identifikation geeigneter Schüttgutmaterialien Verbesserung der Leistungsfähigkeit gezielte Anpassung des Designs an die Schüttguteigenschaften Entwurf neuer Rohrformen und Strukturen Experimentelle Untersuchungen zum Strömungsverhalten und zum thermischen Verhalten Systemsimulationen zur Integration ins Kraftwerk PIV-Strömungsfeld (l.), CFD-Ergebnisse (r.)

20 - Folie 20 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Innovative Systeme Thermochemische Speicher Funktionsweise Pulver K. Gas Reaktor Gas handling Gesamtsystem

21 - Folie 21 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Innovative Systeme Thermochemische Speicher Systemintegration Pulver -C. -Gas Reaktor - Gas handling Systemintegration (Reaktionspartner ist im Prozess schon vorhanden)

22 - Folie 22 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Innovative Systeme Thermochemische Speicher Materialentwicklung Ansatz: Calciumhydroxid für C Trennung von Leistung und Kapazität durch Bewegung des Reaktionsbetts Wesentliche Arbeiten: Zugabe von nanostrukturierten Additiven zur Verbesserung der Fließfähigkeit Entwicklung eines Simulationstools und Auslegung eines Reaktors Aktueller Entwicklungsstand: Funktionsnachweis im Labormaßstab erbracht

23 - Folie 23 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Entwicklungspfade am DLR Innovative Systeme Thermochemische Speicher Speicherkonzepte Demonstration als Festbett-Reaktor im CeraStorE-Gebäude thermische Leistung:10 kw Wärmemenge 8 kwh (chem. ) bei 22 kg Material Aktuelle Arbeiten: Entwicklung eines bewegten Reaktionsbetts 10 kw / 100 kwh Maßstab Fertigung durch industriellen Partner Integration Ende 2014

24 - Folie 24 > DLR Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > Zusammenfassung Unterschiedliche Speichersysteme für unterschiedliche Kraftwerkskonzepte Aktuelle Tendenzen bei Solarthermischen Kraftwerken stellen spezifische Herausforderungen an thermische Energiespeicher DLR adressiert die wesentlichen Fragestellungen Das DLR deckt alle relevanten Entwicklungsaspekte ab

25 Diskussion Dr.-Ing. Markus Eck

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