Innovative Dampfspeicherkonzepte zur Entkopplung von Kraftwerksfeuerung und Stromproduktion

Transkript

1 Innovative Dampfspeicherkonzepte zur Entkopplung von Kraftwerksfeuerung und Stromproduktion Matthias Stark B. Eng. Matthias Sonnleitner M. Phil. Prof. Dr.-Ing. Wilfried Zörner

2 Agenda Einleitung Biomasse Stand der Dinge Flexible Stromerzeugung Technik Biomasse Heizkraftwerke Flexible Anlagenfahrweise Modellkraftwerk Dampfspeicher Dampfspeichertechnologien Speicherintegration Ausblick / weitere Schritte Matthias Stark Seite 2

3 Biomasse Stand der Dinge - Wirtschaftlicher Betrieb oft nicht mehr möglich - Auch mit effizienter Wärmenutzung Biomasse am Ende? + Einzige steuerbare regenerative Energiequelle + Grundlastfähig und auch flexibel einsetzbar + 6,5 GW installierte Leistung, 42 TWh/a Stromerzeugung (3,3 % P ges / 7 % Q ges ), davon 1,6 GW feste Biomasse* Biomasse auch in Zukunft relevant *(Quelle: DBFZ, Bundesnetzagentur 2014) Matthias Stark Seite 3

4 Flexible Stromerzeugung - Ausbauszenarien Atomkraft PV- und Windkraft P el konventioneller Kraftwerkspark P el Anteil volatiler Stromerzeuger im Netz steigt an Aktuell und in Zukunft: Bedarf an flexibler Stromerzeugung Matthias Stark Seite 4

5 Flexible Stromerzeugung - Märkte EPEX - Spotmarkt Regelenergiemarkt - aktuell keine Anreize (vgl. Flexprämie) - Preisspreizung wenig Potential - hohes Potential (vor allem negative Minutenreserve) - einige Biomasse HKW agieren bereits am Regelenergiemarkt Kupferplatte Deutsch -land Residuallast - durch die dezentrale Verteilung der Anlagen technisch sinnvoll - Wirtschaftliche (noch) keinerlei Anreize Lokaler Bedarf Matthias Stark Seite 5

6 Technik Biomasse Heizkraftwerke Brennstoff Strom Wärme Matthias Stark Seite 6

7 Flexible Anlagenfahrweise / Feuerungsregelung Feuerung hohe Wirkungsgradverluste träge Regelung steigende Schadstoffwerte teilweise erhöhter Verschleiß Verdampfer moderate Wirkungsgradverluste träge Regelung Turbine moderate Wirkungsgradverluste schnelle Regelung + Brennstoffeinsatz wird verringert - Senkung der erzeugten Strommenge [kwh/a] - Senken der Vollbenutzungsstunden [h/a] - Senken des Anlagenwirkungsgrades [-] Feuerungsregelung relativ ineffizient und teuer Matthias Stark Seite 7

8 Flexible Anlagenfahrweise / Dampfspeicherung Feuerung Verdampfer Turbine niedrige Flexibilität hohe Flexibilität Dampfspeicher Betrieb im Auslegungspunkt konstante Dampferzeugung variable Verteilung der Dampfmenge auf Turbine und Speicher flexible Stromerzeugung Entkopplung von Dampferzeugung und Nutzung Matthias Stark Seite 8

9 Modellkraftwerk Biomasse Heizkraftwerk - installierte Leistung: 8 MW el - Dampfparameter 480 C / 70 bar (überhitzter Dampf) - Stand der Technik (gute Wirkungsgrade) Dampfspeicher / Zielwert: Flexibilität (Szenario Regelleistung) - Reduzierung der Strommenge um 5 MW el für 4 Stunden (Anforderung Minutenregelleistung) - Entladen / Verstromen des vollen Speichers innerhalb von 6 10 Stunden - Kennwert Speichereffizienz - Kennwert Flexnutzungsgrad Matthias Stark Seite 9

10 Dampfspeichertechnologien / Hochtemperaturspeicher (HTS) Hochtemperatur Speicher (HTS) Flüssig Sensible Wärmespeicher Fest Latente Wärmespeicher Phasenwechsel Speichermedien (PCM) Thermochemische Wärmespeicher Den Dampfspeicher gibt es nicht! Dampfspeicher: Beladen mit Dampf, Entladen von Dampf Matthias Stark Seite 10

11 HTS Ruths-Dampfspeicher - Gleitdruckspeicher Druckwasserspeicher Gleitdruckspeicher Entladedampf = Sattdampf schlecht skalierbar Integration sehr aufwändig Sattdampf nicht optimal Matthias Stark Seite 11

12 HTS Gleitdruckspeicher - Anpassungen Flash Evaporator PCM Betonspeicher Konstanter Druck Überhitzter Dampf Druckwasserspeicher Gleitdruckspeicher Entladedampf = Sattdampf immer noch Druckbehälter konstanter Druck überhitzter Dampf Matthias Stark Seite 12

13 Dampfspeicher Salzschmelzespeicher (tbd) Im solar-thermischen Kraftwerksbereich etablierte Technologie Frischdampf Beladevorgang cold tank hot tank Matthias Stark Seite 13

14 Dampfspeicher Salzschmelzespeicher (tbd) Frischdampf Entladevorgang cold tank hot tank Niederdruckspeicher Pinch Point Problem Matthias Stark Seite 14 stark skalierbar Dampfparameter (Druck, Temperatur) werden beim Entladen stark unterschritten

15 Dampfspeicher Salzschmelze-/PCM-Speicher (3-1 System) Überhitzer hot tank PCM storage Verdampfer Interm. tank Vorwärmer cold tank geringer Betriebsdruck, hohe Wärmekapazität Pinch Point Problem reduziert Matthias Stark Seite 15 stark skalierbar Dampfparameter nahe am Frischdampf

16 Weitere Betrachtung / Dampfspeichersysteme Ruths-Dampfspeicher mit externem Verdampfer und Überhitzer 3-1 Salzschmelze- / PCM- Speicher Vorkühlung hot tank PCM storage Kondensator Interm. tank Unterkühlung cold tank Dynamik Speichergröße Komplexität sehr schnell (Laden und Entladen) Wärmekapazität niedrig, Größe begrenzt 3 Komponenten, keine Hilfsenergie schnelles Beladen, langsames Entladen höhere Wärmekapazität, gut skalierbar Beladegruppe für Salzschmelze, eigener Verdampfer im PCM-Modul Speicherdauer Kurzzeitspeicher (Speicherverluste reduzieren Druck um ~ 1 bar / 2-3 h) Langzeitspeicher Matthias Stark Seite 16

17 Integration in den Dampfkreislauf - Laden Dampferzeuger Frischdampf Speisewasserbehälter Dampf- Speicher Matthias Stark Seite 17

18 Integration in den Dampfkreislauf - Entladen Frischdampf Entladedampf Integration des Entladedampfes in die Hauptturbine Dampfspeicher Turbine ständiger Teillastbetrieb (Effizienzverluste) Frischdampf Entladedampf Turbine 2 Turbine weitere Turbine für Entladedampf höhere Anlageneffizienz, aber dafür zusätzliche Turbine nötig Matthias Stark Seite 18

19 Integration in den Dampfkreislauf - Entladen Frischdampf Entladedampf Turbine Turbine 2 mehrteilige Turbine gute Effizienz in Turbine 1 sowie höhere Auslastung Turbine 2 ggf. Dampf- / Wärmeversorgung über Entladedampf Wärmeversorgung Alle Schaltungen haben Vor- und Nachteile, die technisch und wirtschaftlich geprüft werden müssen Matthias Stark Seite 19

20 Ausblick Grundlagen sind gesetzt Modellierung der Speicher und Kraftwerkssystem (R-S / 3-1 S) Simulation von verschiedenen Szenarien (Regelenergie, Residualast // Jahres, Monatssimulation) Wirtschaftliche und technische Bewertung Speicher im solar-thermischen Kraftwerksbereich im Einsatz. Technisch für Biomasse-HKW geeignet. Wirtschaftlichkeit und Effizienz ist zu prüfen. Matthias Stark Seite 20

21 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit Matthias Stark Seite 21