Dokumentation der Fachveranstaltung Flexible Kraftwerke für die Energiewende am 25. Mai 2016 in Düsseldorf

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1 Dokumentation der Fachveranstaltung Flexible Kraftwerke für die Energiewende am 25. Mai 2016 in Düsseldorf

2 Inhaltsangabe...Seite Vorwort... 3 Verbundprojekt Partner-Dampfkraftwerk... 4 Sven Göhring VGB PowerTech e.v. Anforderungen an den Kraftwerkspark... 7 PD Dr. Dietmar Lindenberger ewi Energy Research & Scenarios ggmbh Definition Referenzkraftwerk und Thermische Speicher Dr. Hendrik Lens STEAG Energy Services GmbH Simulation des thermodynamischen Verhaltens der Kraftwerksanlage...24 Prof. Dr. Klaus Görner Universität Duisburg-Essen Reduktion der Mindestlast Dr. Michalis Agraniotis Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH Verkürzung der An- und Abfahrzeiten Dampfturbine Fatih Temiz Siemens AG Presseinformation Fotos

3 Vorwort In Deutschland geht der Ausbau von erneuerbaren Energien voran, während die Installation von kapazitätsstarken Stromspeichern nicht folgen kann. Hierfür müssen Dampfkraftwerke auf Basis von Gas und Kohle wichtige Netzregelaufgaben wahrnehmen. Sie sind damit unverzichtbare Partner der erneuerbaren Energien. Bestehende thermische Kraftwerke sind für den hochflexiblen Betrieb zum Ausgleich der fluktuierenden Einspeisung aus Erneuerbaren nur bedingt geeignet. Um dies zukünftig deutlich zu verbessern, müssen Bestandskraftwerke dahingehend modifiziert und leistungsfähige Neubauten realisiert werden. Welche Eigenschaften müssen die Kraftwerke dafür haben? Sie müssen schnell hoch und runter fahren können, müssen bei extremen Mindestlasten betrieben werden können und sollten bei niedrigen Lasten möglichst hohe Wirkungsgrade aufweisen. Und das alles bei höchst möglicher Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit. Mit dem Verbundprojekt Partner-Dampfkraftwerk, liefert Rhein Ruhr Power die ersten Antworten auf diese Frage. In diesem für die Energiewende wichtigen Forschungsvorhaben wurden neue technische Konzepte entwickelt, um damit Bestandskraftwerke so zu ertüchtigen, dass diese die schwankenden Stromeinspeisungen aus Wind- oder Photovoltaikanlagen noch besser ausregeln und damit die Versorgungssicherheit zuverlässig gewährleisten können. Der Verein Rhein Ruhr Power hat am 25. Mai 2016 Vertreter aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft zur Fachveranstaltung Flexible Kraftwerke für die Energiewende in die Handwerkskammer zu Düsseldorf eingeladen, um die Ergebnisse des Projektes zu diskutieren und im Anschluss daran, auf fünf erfolgreiche Jahre gemeinsamer Projektarbeit zurückzuschauen und einen gemeinsamen Blick in die Zukunft zu werfen. Die Grußworte zu diesem Jubiläum wurden von NRW-Wissenschaftsministerin Svenja Schulze und Dr. Georg Menzen vom Bundeswirtschaftsministerium gesprochen. Die an diesem Tag vorgestellten Endergebnisse des Verbundprojektes Partner-Dampfkraftwerks sind in dieser Broschüre zusammengestellt. 3

4 Fachveranstaltung Flexible Kraftwerke für die Energiewende Partner-Dampfkraftwerk Sven Göhring Partner-Dampfkraftwerk VGB PowerTech e.v., Essen AP4: Definition Referenzkraftwerke (STEAG) Flexible Kraftwerke für die Energiewende AP7: Speicher (DLR) 25. Mai Thermische 2016, Düsseldorf Dr.-Ing. Hendrik Lens STEAG Energy Services GmbH, Essen Dr.-Ing. Volker Dreißigacker Institut für Technische Thermodynamik, DLR, Stuttgart Allgemeine Informationen Flexible Kraftwerke für die Energiewende 25. Mai 2016, Düsseldorf Titel: Partner-Dampfkraftwerk für die regenerative Stromerzeugung Projektleitung: Hans-Joachim Meier / VGB PowerTech e.v. Sven Göhring / VGB PowerTech e.v. 11 Projektpartner Laufzeit: (verlängert bis ) Projektvolumen: 1,44 Mio 4 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Sven Göhring 2

5 Ziele des Verbundvorhabens Aufzeigen von Maßnahmen, mit deren Hilfe bestehende fossile Kraftwerke die Schwankungen der erneuerbaren Stromerzeugung ausregeln können: Verbesserung des An- und Abfahrverhaltens Reduzierung der Mindestlast Erhöhung der Laständerungsgeschwindigkeit Quelle: Agora Integration von thermischen Speichern in den KW-Prozess Stabilisierung der Netze, Versorgungssicherheit, Maximierung des Einsatzes der Erneuerbaren Energien Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Sven Göhring 3 Projektpartner VGB PowerTech e.v., Essen Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v., Stuttgart ewi Energy Research & Scenarios ggmbh, Köln E.ON Technologies GmbH, Gelsenkirchen Universität Duisburg-Essen, Essen Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH, Duisburg Rhein Ruhr Power e.v., Düsseldorf RWE Power, Essen Siemens AG - Energy Sector, Mülheim/Ruhr STEAG Energy Services GmbH, Essen Vattenfall Europe Generation AG, Cottbus Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Sven Göhring 4 5

6 Projektpartner Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Sven Göhring 5 Arbeitspakete Gesamtprojektleitung und Synergiemanagement Simulation des thermodynamischen Verhaltens der Kraftwerksanlage Anforderungen an den Kraftwerkspark der Zukunft Definition Referenzkraftwerk Reduktion der Mindestlast Verkürzung der An- und Abfahrzeiten DT Thermische Speicher Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Sven Göhring 6 6

7 Fachveranstaltung Flexible Kraftwerke für die Energiewende Anforderungen an den Kraftwerkspark der Zukunft Partner-Dampfkraftwerk PD Dr. Dietmar Lindenberger AP4: Definition Referenzkraftwerke (STEAG) AP7: Thermische Speicher (DLR) ewi Energy Research & Scenarios ggmbh, Köln FlexibleHendrik Kraftwerke für die Energiewende Dr.-Ing. Lens 25. Mai 2016, Düsseldorf STEAG Energy Services GmbH, Essen Dr.-Ing. Volker Dreißigacker Institut für Technische Thermodynamik, DLR, Stuttgart Flexible Kraftwerke für die Energiewende 25. Mai 2016, Düsseldorf Strommarkt derarbeitspakete Zukunft erfordert Flexibilität Gesamtprojektleitung und Synergiemanagement Anforderungen an den Kraftwerkspark der Zukunft Ausbau der erneuerbaren Energien führt neben einer Absenkung der Simulation des thermodynamischen Verhaltens der Kraftwerksanlage Residuallast zu einer stärkeren Volatilität von Residuallast und Strompreis. Definition ist Referenzkraftwerk Die volatilere Residuallast von konventionellen Kraftwerken abzufahren (die aus Gründen Versorgungssicherheit -z.b. bei Dunkelflaute - ohnehin der Reduktion der Mindestlast weiter benötigt werden). Verkürzung der An- und Abfahrzeiten DT Thermische Speicher Bei erhöhter Volatilität von Residuallast und Strompreis stellt sich die Frage nach (wirtschaftlichen) Maßnahmen zur Ermöglichung einer flexibleren Fahrweise der Kraftwerke. Maßnahmen der Kraftwerksflexibilisierung stehen im Wettbewerb mit konkurrierenden Flexibilitätsoptionen. Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Sven Göhring Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - PD Dr. Dietmar Lindenberger 6 2 7

8 Wettbewerb der Flexibilitätsoptionen Heute dominierend Flexible konventionelle Kraftwerke Speicher Elektromobilität Flexibilität EE Einspeise- Management Demand Side Management Power to Heat Power to X Der Wettbewerb zwischen Flexibilitätsoptionen ist ein effizienter und fairer Mechanismus das optimale Portfolio der Techniken zu identifizieren, um diese Aufgabe zu bewältigen Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - PD Dr. Dietmar Lindenberger 3 ewi quantifiziert zukünftige Flexibilitätsanforderungen im Strommarkt Ziel: Bestimmung des Werts von Kraftwerksflexibilität im Gesamtsystem durch eine Verbesserung von Flexibilitätsparametern Methodik: Modellberechnungen mittels (blockscharfem) Strommarktmodell MORE (Deutschland im Strombinnenmarkt) für den stündlich-aufgelösten Spotmarkt Ansatz: Variation technischer Parameter der Referenzkraftwerke Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - PD Dr. Dietmar Lindenberger 4 8

9 Annahmen Entwicklung des Kraftwerksparks in Deutschland basiert auf dem Netzentwicklungsplan 2014 (NEP) der ÜNBs Zukünftige Nachfrage wird als näherungsweise konstant angenommen (NEP) CO 2 Zertifikatspreis basiert ebenfalls auf dem NEP: [EUR/t] Installierte Kapazität in anderen Ländern basiert auf dem Referenzszenario der EU Energy Trends 2030 Brennstoffpreisentwicklung basiert auf dem World Energy Outlook (WEO) 2013 New Policies Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - PD Dr. Dietmar Lindenberger 5 Verbesserte Kraftwerksflexibilität hat mehrere positive Effekte Schematische Kraftwerksfahrweise 100% 1 Geringere Mindestlast kann Brennstoffkosten und CO 2 - Emissionen sparen 80% 60% 40% 20% 0% Ohne Flexibilisierungsmaßnahme Mit Flexibilisierungsmaßnahme 3 Früheres Anfahren kann Residuallast besser abdecken und Systemkosten sparen 2 Geringere Mindestlast (anstatt Abfahren) spart Anfahrkosten und kann zur Netzstabilität beitragen Erhöhte Flexibilität kann technische und ökonomische Leistung von Kraftwerken verbessern Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - PD Dr. Dietmar Lindenberger 6 9

10 Untersuchte Szenariovarianten Mindestlast-Absenkung Referenzanlage deutlich verbessert Zugehörige Kraftwerksklasse moderat besser Verbessertes Anfahrverhalten Referenzanlage deutlich verbessert Zugehörige Kraftwerksklasse moderat besser Voerde, Schwarze Pumpe: Mindestlast -15%-Punkte Zugehörige Kraftwerksklasse: Mindestlast -5%-Punkte (relativ) Voerde, Schwarze Pumpe: -20% Anfahrenergie, -50% Anfahrzeit (heiß) Stein- u.braunkohlekraftwerke: -10% Anfahrenergie -30% Anfahrzeit (heiß) Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - PD Dr. Dietmar Lindenberger 7 Positive Effekte der Flexibilisierung auf die modellierte Fahrweise (Voerde A, Juli 2024) Day-ahead- Strompreis Fahrweise bei moderat abgesenkter Mindestlast Fahrweise bei stark abgesenkter Mindestlast Früheres Anfahren Geringere Mindestlast Geringere Mindestlast statt Abfahren Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - PD Dr. Dietmar Lindenberger 8 10

11 Exemplarische Ergebnisse: Verbessertes Anfahrverhalten ermöglicht kostengünstigere Starts Zukünftig sind mehr Anfahrvorgänge zu erwarten, insb. für Steinkohlekraftwerke. Ein verbessertes Anfahrverhalten ermöglicht im Zuge der Einsatzoptimierung kostengünstigeres Anfahren. Daher steigt die Zahl der Anfahrvorgänge bei verbesserten Anfahrverhalten. Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - PD Dr. Dietmar Lindenberger 9 Exemplarische Ergebnisse: Abgesenkte Mindestlast vermeidet Abfahren und Warmstarts Ein Kraftwerk fährt in Mindestlast um kurzfristige unrentable Marktsituationen zu vermeiden Eine reduzierte Mindestlast ermöglicht im Zuge der Einsatzoptimierung die Vermeidung von teureren Warmstarts Im Mindestlastzustand kann das Kraftwerk zusätzlich an Kurzfristmärkten partizipieren (Intraday, Regelenergie) Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - PD Dr. Dietmar Lindenberger 10 11

12 Exemplarische Ergebnisse: Auswirkungen auf Deckungsbeiträge (nur Spotmarkt) Differenz von Deckungsbeiträgen zwischen stark und moderat verbessertem Anfahrverhalten Base-Szenario, in 1000 EUR Anlage Voerde Schwarze Pumpe Differenz von Deckungsbeiträgen zwischen stark und moderat abgesenkter Mindestlast Base-Szenario, in 1000 EUR Anlage Voerde Schwarze Pumpe Die Erhöhung von Deckungsbeiträgen auf dem Spotmarkt (mit kurzfristigen GK-Preisen) durch Flexibilitätsmaßnahmen sind moderat. Allerdings bestehen - hier noch nicht untersuchte - zusätzliche Erlöspotentiale auf Kurzfristmärkten (Intraday, Regelenergie) - insbesondere ermöglicht durch reduzierte Mindestlast und folglich längere Zeit am Netz. Dies ist Gegenstand weiterer Forschung. Die Wirtschaftlichkeit von Partner-Dampf- Kraftwerken insgesamt hängt ferner ab von der längerfristig nötigen Vergütung für gesicherte Leistung (durch Knappheitspreise oder eventuelle Kapazitätsmechanismen). Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - PD Dr. Dietmar Lindenberger 11 Fazit Im Projekt wurde der Einfluss von Flexibilisierungsmaßnahmen bei Kraftwerken auf das Einsatzverhalten am Day-ahead-Markt untersucht. Ein verbessertes Anfahrverhalten ermöglicht günstigere Starts. Eine abgesenkte Mindestlast vermeidet Warmstarts und somit Kosten. Für eine gesamtheitliche Bewertung der Flexibilitätsmaßnahmen müssen ebenso die Kurzfristmärkte (Intraday, Regelenergie) berücksichtigt werden. Dies ist Fokus weiterer Forschung. Die Wirtschaftlichkeit von Partner-Dampf-Kraftwerken insgesamt hängt ferner ab von der längerfristig nötigen Vergütung für gesicherte Leistung durch Knappheitspreise oder eventuelle Kapazitätsmechanismen. Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - PD Dr. Dietmar Lindenberger 12 12

13 Partner-Dampfkraftwerk AP4: Definition Referenzkraftwerke (STEAG) AP7: Thermische Speicher (DLR) Dr.-Ing. Hendrik Lens STEAG Energy Services GmbH, Essen Dr.-Ing. Volker Dreißigacker Institut für Technische Thermodynamik, DLR, Stuttgart Flexible Kraftwerke für die Energiewende 25. Mai 2016, Düsseldorf Inhalt Motivation Arbeitspaket 4: Definition Referenzkraftwerke (STEAG) Ableitung technischer Anforderungen aus den Marktsimulationen Begrenzende Faktoren Arbeitspaket 7: Thermische Speicher und ihre Integration in thermische Kraftwerke (DLR) Thermische Speicher Integration in den Kraftwerksprozess Fazit 2 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH 13

14 Motivation Residuallast in Deutschland Last; Kapazität / GW Last 2012 / 2024 / Residuallast 2012 Residuallast Tag Datenquellen Residuallasten: EWI Pumpspeicherkapazität: Netzentwicklungsplan Residuallast 2034 Gesicherte Leistung 2012 Gesicherte Leistung 2024 Gesicherte Leistung 2034 Speicherkapazität Pumpspeicher 2012 Speicherkapazität Pumpspeicher 2024 / Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH Motivation Residuallast in Deutschland Anzahl Stunden pro Jahr Anzahl Stunden pro Jahr Residuallast / GW Stündliche Änderung der Residuallast / GW/h Gesicherte Leistung deckt Residuallast ab: PP Residual = PP Total PP PV PP Wind, onshore PP Wind, offshore Charakteristik der Residuallast wird sich voraussichtlich ändern Bedarf an Partner-Dampfkraftwerken Zukünftiger Bedarf und Wert von Flexibilität Mögliche Maßnahmen für Bestandskraftwerke Datenquelle Residuallasten: EWI 4 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH 14

15 Anforderungen an das Partner-Dampfkraftwerk Flexiblere Fahrweise 100% Iststand ohne Flexibilisierung Mit erhöhter Flexibilität 1 Technische Maßnahmen wie Einmühlenbetrieb können die Mindestlast absenken. 2 80% 60% 40% 20% 0% Lastverlauf Tiefere Mindestlast verhindert bei kurzen Schwachlastphasen die Beanspruchung der Anlage durch Ab- und Anfahren. 3 Optimierung des Anfahrvorgangs macht diesen schneller und günstiger. Anfahren lohnt sich eher. Das Partner-Dampfkraftwerk kann durch technische Maßnahmen eine höhere Flexibilität erreichen. 5 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH Inhaltlicher Überblick über das Projekt Partner- Dampfkraftwerk Arbeitspaket 1 VGB Gesamtprojektleitung / Projektsteuerung Arbeitspaket 2 LUAT Simulation des thermodynamischen Verhaltens der Kraftwerksanlage Arbeitspaket 3 EWI Anforderungen an den Kraftwerkspark der Zukunft Arbeitspaket 4 STEAG Definition Referenzkraftwerke Arbeitspaket 5 MHPSE Reduzierung der Mindestlast Arbeitspaket 6 Siemens Verkürzung der An- und Abfahrzeiten der Dampfturbinenanlage Arbeitspaket 7 DLR Thermische Speicher und ihre Integration in thermische Kraftwerke 6 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH 15

16 Arbeitspaket 4: Definition Referenzkraftwerke 7 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH Referenzanlagen Kriterien Bestandsanlagen in Deutschland Ausreichend Daten verfügbar Stein- und Braunkohle Kraftwerk Schwarze Pumpe Braunkohle Zwei Blöcke à je 800 MW Inbetriebnahmejahr: 1997 Betreiber: Vattenfall Kraftwerk Voerde Steinkohle Zwei Blöcke à je 761 MW Inbetriebnahmejahr: 1982 / 1985 Betreiber: STEAG Kraftwerk Schwarze Pumpe. Quelle: Vattenfall Kraftwerk Voerde. Quelle: STEAG 8 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH 16

17 Technische Anforderungen Begrenzende Komponenten ( Bottlenecks ) für Flexibilität in Bezug auf Mindestlast Anfahren Dynamik von Leistungsänderungen Technische Begrenzungen in Bezug auf Arbeitsbereich von Komponenten Dynamisches Verhalten von Komponenten Dynamisches Verhalten der Interaktion von Komponenten (Systemverhalten) Mögliche Strategie Tatsächliche Grenzen ermitteln Optimierung des Betriebs / der Leittechnik Retrofits / Integration von Speichern 9 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH Technische Begrenzungen in Bezug auf Mindestlast Rauchgastemperatur Blockregelung Temperaturen Frischdampf und HZÜ-Dampf Dampfstrom durch Turbine (Ventilation) Stabilität der Feuerung Anzapfdampfstrom / -druck Umwälzregelung 10 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH 17

18 Technische Begrenzungen in Bezug auf Mindestlast Rauchgastemperatur Blockregelung Temperaturen Frischdampf und HZÜ-Dampf Dampfstrom durch Turbine (Ventilation) Stabilität der Feuerung Anzapfdampfstrom / -druck Umwälzregelung 10 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH Schnelle Lastwechsel Was heißt das? Definition der Leistungsänderungsgeschwindigkeit 90%-Methode Tangentenmethode Wert der Leistungsänderungsgeschwindigkeit abhängig von der Definition abhängig von der Ausgangsleistung abhängig von der Höhe und der Richtung des Lastwechsels abhängig von Regelleistung Leistung P in % Sollleistung PG soll dp/dt soll = 5 %/min dp/dt ist = 4,25 %/min t0 t1 t2 t3 Istleistung PG Zeit t in min In Diskussionen über Flexibilität werden z.t. Äpfel mit Birnen verglichen 12 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH 18

19 Technische Begrenzungen in Bezug auf Dynamik der Leistungsänderungen Komponenten Eigendynamik Ein- und Ausspeichern von Masse (bspw. Dampf oder Brennstoff) Ein- und Ausspeichern von Energie Totzeiten durch Transportvorgänge Zulässige Beanspruchung der Komponenten Wärmespannungen (insb. in Mindestlast) Verschleiß von Regelarmaturen Wechselwirkung Dynamik Beanspruchung Übersteuerung (bessere Dynamik, höhere Beanspruchung) Filter, Totbänder, etc. (niedrigere Beanspruchung, schlechtere Dynamik) Dynamik der Leit-/Regelungstechnik Eingesetzte Blockführungskonzepte Leitprogramme Speichernutzung 13 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH Technische Begrenzungen in Bezug auf Dynamik der Leistungsänderungen Sammler: thermische Spannungen Dampfspeicher Stellgeschwindigkeit Aktorik Trägheit Sensorik Implementierte Konzepte Turbine: thermische Spannungen Dynamik des Dampferzeugers Regelgüten Dynamik der Mühlen und Mühlenschalten Temperaturänderungen Kesseleintritt Trägheit der Vorwärmerstrecke Regelbereich Kondensat 14 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH 19

20 Im Projekt im Detail untersuchte Maßnahmen für die Flexibilisierung Feuerung Einmühlenbetrieb Erweiterung des Regelbereichs der Brenner Absenkung des Teillastbetriebes der Mühlen Optimierung der Anzahl der Mahlanlagen Indirekte Feuerung Elektrische Zündung Wasser- /Dampfkreislauf Integration thermischer Energiespeicher Optimierung dickwandiger Bauteile Turbine Optimierung der Anstoßbedingungen Heißer Schnellstart Lastoptimiertes Anfahren Bildquelle: MHPSE 15 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH Arbeitspaket 7: Thermische Speicher und ihre Integration in thermische Kraftwerke 16 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH 20

21 Fachveranstaltung Flexible Kraftwerke für die Energiewende Wärmespeicher zur Flexibilisierung Wärmespeicher zur Flexibilisierung von Kraftwerken von Kraftwerken Dampfspeicher Dampfspeicher (kommerziell)arbeitspaket 7: Thermische Speicher und ihre Integ (kommerziell) Effektive EffektiveIntegration Integrationvon vonwärmespeichern Wärmespeichern ininden denkraftwerksprozess Kraftwerksprozess thermische Kraftwerke Ziele Ziele derder Laständerungsgeschwindigkeit Erhöhung Erhöhung Laständerungsgeschwindigkeit der Mindestlast Reduzierung Reduzierung der Mindestlast Verbesserung desdes Teillastverhaltens Verbesserung Teillastverhaltens Reduzierung des Anfahrwärmebedarfs Reduzierung des Anfahrwärmebedarfs Vorgehen Vorgehen 1. Konzeptionsphase 1. Konzeptionsphase 2. Konzeptbewertung 2. Konzeptbewertung 3. Detaillierte Speicherauslegung 3. Detaillierte Speicherauslegung Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG En Phasenwechsel-Speicher Phasenwechsel-Speicher (vorkommerziell) (vorkommerziell) Feststoffspeicher Feststoffspeicher (demonstrationsreife) (demonstrationsreife) Flüssigsalz Flüssigsalz (kommerziell) (kommerziell) Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH Wärmespeicher zur Flexibilisierung Integration von Wärmespeichern von Kraftwerken Konzeption in Kraftwerke Erarbeitung von Integrationskonzepten Schnittstellen zum Kraftwerksprozess Effektive Integration von Wärmespeichern Berücksichtigung von begrenzenden Nebenbedingungen in den Kraftwerksprozess Ziele Economizer Laständerungsgeschwindigkeit Erhöhung der Reduzierung der Mindestlast Zwischen Verbesserung des Teillastverhaltens überhitzer HD Reduzierung des Anfahrwärmebedarfs MD Speisewasserbehälter thermische Kraftwerke ND Feststoffspeicher (demonstrationsreife) Überhitzer Speisepumpe Dampfspeicher (kommerziell)arbeitspaket 7: Thermische Speicher und ihre Integ Vorgehen 1. Konzeptionsphase Verdampfer 2. Konzeptbewertung 3. Detaillierte Speicherauslegung HD-Vorwärmer G Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG En Phasenwechsel-Speicher (vorkommerziell) Kondensator Kondensatpumpe Beispiele für mögliche Entladeschnittstellen ND-Vorwärmer Flüssigsalz (kommerziell) Beladeschnittstellen Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH

22 Integration von Wärmespeichern in Kraftwerke Konzeptbewertung Bewertung System Integrationsort Speicheroptionen Dampfspeicher Variante 2 Variante 1 Variante 3 Vorzugsvarianten 19 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH Integration von Wärmespeichern in Kraftwerke Speicherauslegung Auslegung für Vorzugsvarianten von Speichertyp Speichermasse Größe der Wärmeübertrager Dampfspeicher Ergebnisse aus AP 7 Vielversprechende Integrationsoptionen im Dampfbereich und im -Rauchgasstrang 19 Konzepte (7 Schaltungen x Speichertechnologien) Definition von 3 Vorzugsvarianten Fazit Die Integration von Energiespeichern bietet ein großes Potential zur Verbesserung der Betriebsflexibilität 20 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH 22

23 Fazit für das Partner-Dampfkraftwerk Marktwert von Flexibilität Modellbasierte Marktsimulationen ergeben: Notwendigkeit für Flexibilität wird zunehmen Elektrische Energieversorgung allein über Erneuerbare Energien ist in den nächsten Dekaden technisch nicht möglich. Anforderungen an das Partner-Dampfkraftwerk Um partnerschaftlich mit den Erneuerbaren Energien zu arbeiten, müssen Dampfkraftwerke flexibel sein. Dampfkraftwerke sind bereits heute viel flexibler als früher und flexibler als gemeinhin angenommen wird. Technische Maßnahmen zur weiteren Flexibilisierung stehen zur Verfügung Investitionen in Flexibilität werden aber derzeit vom Markt nicht honoriert. Flexiblere Fahrweise wirkt sich allerdings negativ auf die Lebensdauer aus. Um den zukünftigen Bedarf an Flexibilität zu decken, müssen weitere, anlagenschonende Optionen für die Flexibilitätsverbesserung in Betracht gezogen werden. Insbesondere Speicher können hier eine wichtige Rolle spielen. 21 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Dr. H. Lens, STEAG Energy Services GmbH 23

24 Simulation des thermodynamischen Verhaltens der Kraftwerksanlage Prof. Dr.-Ing. Klaus Görner Dr.-Ing. Gerd Oeljeklaus, M.Sc. Marcel Richter, Dipl.-Ing. Florian Möllenbruck Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Universität Duisburg-Essen Flexible Kraftwerke für die Energiewende 25. Mai 2016, Düsseldorf Inhalt Umfang und Ziele der thermodynamischen Berechnungen Validierung der dynamischen Simulationsmodelle Simulationsstudien zu Flexibilitätsoptionen Zusammenfassung und Ausblick Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 2 24

25 Umfang und Ziele der thermodyn. Berechnungen Erstellung und Validierung stationärer und dynamischer Simulationsmodelle zu den beiden Referenzanlagen Kraftwerk Voerde, Block A Kraftwerk Schwarze Pumpe (KSP), Block A Durchführung von Simulationsstudien zu den im Projekt betrachteten Flexibilitätsoptionen Integration thermischer Energiespeicher Mindestlastabsenkung + Erhöhung der Laständerungsgeschwindigkeit 1-Mühlenbetrieb Mindestlastabsenkung Indirekte Feuerung Erhöhung der Laständerungsgeschwindigkeit Änderungen in Blockregelung Erhöhung der Laständerungsgeschwindigkeit Überprüfung der Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf Neubaukonzepte Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 3 Umfang der stationären Simulationsmodelle Detaillierte Abbildung des Wasser-/Dampfkreislaufs und des Dampferzeugers Grundlage: Wärmeschaltbilder und Messwerte der Kraftwerksbetreiber Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 4 25

26 Umfang der dynamischen Simulationsmodelle Detaillierte Abbildung des Wasser-/Dampfkreislaufs und des Dampferzeugers Grundlage: stationäre Simulationsmodelle Berücksichtigung von Speichereffekten (zeitliche Ableitungen) bei instationären Komponentenmodellen Heizflächen Speisewasserbehälter / Vorwärmer / Anfahrflasche Kohlemühlen Implementierung der wesentlichen Regelungsstrukturen Blockregelung Speisewasserregelung Dampftemperaturregelung Umwälzregelung... Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 5 Dynamische Simulationsmodelle: Vorgehensweise Betrachtete Zeiträume Sekunden Minuten Stunden Tage (Primärregelung) Anpassungen in Leittechnik Lastwechsel Mindestlastabsenkung Speicherkonzepte Zukünftige Lastprofile (An- und Abfahrvorgänge) Modelica/Dymola Kraftwerksbibliothek ClaRa (COORETEC-Projekt DYNCAP) Detaillierte Simulation von Vorgängen im Sekundenbereich und darunter Verwendete Simulationstools Ebsilon Professional Release 11 (instationäre Wärmetauscher, PI(D)-Regler, Übertragungsfunktionen) Simulation von Vorgängen im Minutenbereich und darüber (bei gleichzeitig schnellem Modellaufbau) Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 6 26

27 Dynamisches Modell Kraftwerk Voerde - Validierung Typisches Lastprofil für Steinkohlekraftwerke Betrieb in Mindestlast in den Nachtstunden Lastwechsel in Richtung Volllast in den Morgenstunden Messwerte vom Kraftwerksbetreiber STEAG aufgezeichnet Eingangsvariable des Simulationsmodells: Zielwert Leistung Gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messwerten Auch wesentliche dynamische Schwankungen werden repräsentiert (z.b. Zuschalten von Kohlemühlen zwischen 5:00 und 6:00) Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 7 Dynamisches Modell Kraftwerk Voerde - Validierung Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 8 27

28 Dyn. Modell KSP: Detaillierter Dampferzeuger Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 9 Dynamisches Modell KSP - Validierung Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 10 28

29 Simulationsstudien: Integration therm. Speicher Integration thermischer Energiespeicher (Teilweise) Entkoppelung von Dampferzeuger und Dampfturbinen Mögliche Zielstellungen Lastverschiebung zwischen Mindestlast und Volllast Erhöhung der Laständerungsgeschwindigkeit (Bereitstellung von Regelenergie) (Verbesserung von An- und Abfahrvorgängen) Erarbeitung von 3 Vorzugsvarianten innerhalb P-DKW Verschiedene Integrationspunkte im Wasser-/Dampfkreislauf Nutzung von Frischdampf, HZÜ-Dampf oder KZÜ-Dampf beim Beladen Erzeugung von HZÜ-Dampf oder Ersetzen von Anzapfdampf (Vorwärmer) beim Entladen Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 11 Simulationsstudien: Integration therm. Speicher Beladen des Speichers Entladen des Speichers Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 12 29

30 Simulationsstudien: Integration therm. Speicher Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 13 Simulationsstudien: Integration therm. Speicher Erhöhung der Laständerungsgeschwindigkeit durch Nutzung therm. Energiespeicher Vorgehensweise: Laden des Speichers zur schnelleren Lastabsenkung Entladen des Speichers zur schnelleren Laststeigerung Anpassungen in Blockregelung zur Berücksichtigung des zusätzlichen Freiheitsgrades notwendig Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 14 30

31 Simulationsstudien: Integration therm. Speicher Laständerungsgeschwindigkeit (LÄG) kann für alle betrachteten Lastfälle verbessert werden Verbesserung der LÄG ist größer, je kleiner der Lastsprung ist Bei großen Lastsprüngen bleibt die klassische Anpassung der Brennstoffwärmeleistung und damit das träge Verhalten des ursprünglichen Prozesses führend Nutzung einer TES-Integration hinsichtlich einer schnellen, aber vergleichsweise geringen Anpassung der Leistung (z.b. Regelenergie) von besonders großem Interesse Bei größeren Speicherleistungen (z.b. aufgrund der Verschiebung der betrieblichen Grenzen), sind auch größere Effekte auf die LÄG zu erwarten. Weitere Untersuchungen in Folgeprojekt FLEXI-TES angestrebt Erweiterung der Untersuchungen im Hinblick auf Mehrfachnutzen Mindestlast + LÄG + Regelenergie + An- und Abfahren Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 15 Weitere Simulationsstudien 1-Mühlenbetrieb für Mindestlastabsenkung KW Voerde: Absenkung von derzeit 23 % auf 15 % möglich Indirekte Feuerung Kohlemühlen sind limitierender Faktor für Dynamik Entkopplung über Staubzwischensilo möglich Laständerungsgeschwindigkeit kann dadurch um Faktor 2 erhöht werden Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 16 31

32 Weitere Simulationsstudien Modifikationen in der Blockregelung Limitierend sind dickwandige Bauteile Laständerungsgeschwindigkeit wird erhöht (z.b. durch Austausch gegen andere Werkstoffe) Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 17 Zusammenfassung und Übertragbarkeit auf Neubaukonzepte Grundsätzlich Es stehen diverse Optionen zur Flexibilisierung kohlegefeuerter Kraftwerke zur Verfügung, die eine weitere Integration fluktuierender Erneuerbarer Energien ermöglichen Flexibilitätsoptionen können bei Neubaukonzepten bereits während der Auslegung berücksichtigt werden, wodurch die Effekte auf die Flexibilisierung im Allgemeinen größer sein können, als bei Retrofit-Maßnahmen Thermische Energiespeicher Je nach Konzept und Integrationspunkt unterschiedliche Effekte und betriebliche Grenzen / begrenzende Komponenten Diese können bereits in der Auslegung berücksichtigt werden Größere Speicherleistungen und demnach Effekte zu erwarten Erleichterungen bezüglich Standortplanung / Platzplanung / Platzbedarf Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 18 32

33 Zusammenfassung und Übertragbarkeit auf Neubaukonzepte 1-Mühlenbetrieb Kann bereits während der Auslegung berücksichtigt werden Sofern 1-Mühlenbetrieb nicht zulässig, könnte auch eine höhere Anzahl an kleineren Mühlen in der Auslegung angestrebt werden (Partielle) indirekte Feuerung Aufgrund umfangreicher Anpassungen im Feuerungssystem und in der Leittechnik insbesondere eine Alternative für Neubauprojekte Anpassungen in Regelungsstrukturen Maßnahmen, die insbesondere für Retrofits/Bestandsanlagen relevant sind Vergleichsweise geringe Investitionskosten / Umsetzungskosten, da keine aufwändigen Umbaumaßnahmen erforderlich sind Angepasste / Moderne Regelungskonzepte auch für Neubauprojekte empfehlenswert Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 19 Ausblick Erweiterung der dynamischen Simulationsmodelle (Primär-) Regelenergie Anfahrvorgänge Bewertung der Integration thermischer Energiespeicher hinsichtlich Mehrfachnutzen Mindestlastabsenkung Erhöhung der Laständerungsgeschwindigkeit Bereitstellung von Regelenergie Verbesserung von An- und Abfahrvorgängen Projekt FLEXI-TES als Nachfolgeprojekt von P-DKW angestrebt Weitere Untersuchungsschwerpunkte denkbar Erweiterung der dynamischen Simulationen hinsichtlich KWK Erweiterung der dynamischen Simulationen hinsichtlich GuD Sektorenkopplung (Energiewirtschaft energieintensive Industrie) Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Prof. Görner, Universität Duisburg-Essen 20 33

34 Fachveranstaltung Flexible Kraftwerke für die Energiewende Fachveranstaltung Flexible Kraftwerke für die Energiewende Reduktion der Mindestlast Partner-Dampfkraftwerk Dr. Michalis Agraniotis, Dr. Brian Stöver Mitsubishi Hitachi Power SystemsReferenzkraftwerke Europe GmbH, Duisburg AP4: Definition (STEAG) AP7: Thermische Speicher (DLR) Flexible Kraftwerke für die Energiewende 25. Mai 2016, Düsseldorf Dr.-Ing. Hendrik Lens STEAG Energy Services GmbH, Essen Dr.-Ing. Volker Dreißigacker MITSUBISHI HITACHI POWER SYSTEMS EUROPE Institut für Technische Thermodynamik, DLR, Stuttgart Flexible Kraftwerke für die Energiewende 25. Mai 2016, Düsseldorf Arbeitspaket 5 Minimallastabsenkung Maßnahmen Steinkohle/ Braunkohle 1. Erweiterung des Regelbereichs der Brenner SK/BK 2. Absenkung des Teillastbetriebes der Mühlen SK/BK 3. Optimierung der Anzahl der Mahlanlagen SK 4. Indirekte Feuerung SK/BK 5. Optimierung dickwandiger Bauteile SK/BK 6. Elektrische Zündung SK 3433 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 1

35 Fachveranstaltung Flexible Kraftwerke Fachveranstaltung Flexible Kraftwerkefür fürdie dieenergiewende Energiewende Referenzanlagen Kriterien Bestandsanlagen in Deutschland Ausreichend Daten verfügbar Stein- und Braunkohle Kraftwerk Schwarze Pumpe Braunkohle Zwei Blöcke à je 800 MW Inbetriebnahmejahr: 1997 Betreiber: Vattenfall Kraftwerk Schwarze Pumpe. Quelle: Vattenfall Kraftwerk Voerde Steinkohle Zwei Blöcke à je 761 MW Inbetriebnahmejahr: 1982 / 1985 Betreiber: STEAG Kraftwerk Voerde. Quelle: STEAG Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 2 KW Voerde Technische Daten Dampfleistung pro Block 2160 t/h Dampfparameter 206/49 bar, 530 ºC vier Kohlemühlen (3 leistungsgesteigerte MPS 235 mit dynamischen Sichter und hydraulische Mahlkraftverstellung, eine TB 245 (TYAZHMASH) ) 32 DS Brenner (horizontal versetzte Boxerfeuerung) Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis

36 KW Voerde Untersuchungen Kohlemühlen (1/2) Auslegungswerte und Betriebswerte von Mühlenmessungen wurden als Eingangswerte für Mahltrocknungsrechungen benützt Mahltrocknungsrechungen für Volllast und Minimallastfälle wurden durchgeführt Lastfälle Kessellast % Mühlen in Betrieb Ergebnisse 20% Kessellast mit einem 2 Mühlenbetrieb möglich, jedoch mit einer geringen Staubbeladung (Versuche benötigt). 15 % Kessellast mit einem 2 Mühlenbetrieb nicht möglich, wegen geringer Staubbeladung und Mühlenlast außerhalb des Regelbereichs. 15% Kessellast mit einem 1 Mühlenbetrieb möglich von verfahrenstechnischer Sicht. MPS - Mühle Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 4 KW Voerde Untersuchungen Kohlemühlen (2/2) Erweiterung des Teillastbetriebs einer MPS Mühle ist im Prinzip möglich über: Reduzierung des Primärluftmassenstroms für eine höhere Staubbeladung unter Berücksichtigung der Traggasgeschwindigkeiten. Reduzierung der Mahlkraft (unter Berücksichtigung des Eigengewichtes der Mahlteile) Anbringen einer Mahlbahnerhöhung an der Mahlschüssel Drehzahlabsenkung der Mahlschüssel Mahlbahnerhöhung Mahlschüssel Kohlebett Mahlwalze Beeinflussung der Laständerungsgeschwindigkeit durch Anpassung der Mühleneinstellung möglich. Durch einen Einsatz von 2 zusätzlichen MPS 180 Mühlen ist es möglich eine Kessellast von 20% und 15% zu erreichen (hohe Primärlufttemperatur erforderlich). Bei einem Einsatz von 6 MPS 180 Mühlen, kann der gesamte Lastbereich des Kessels abgedeckt werden. Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 5 36

37 FachveranstaltungFlexible Flexible Kraftwerke Kraftwerke für Fachveranstaltung für die dieenergiewende Energiewende KW Voerde Untersuchungen Feuerung Verfahrenstechnische Berechnungen vom Feuerungssystem von KW Voerde wurden durchgeführt anhand von Auslegungs- und Betriebsdaten Eine Kessellast 15% ist aus verfahrenstechnischer Sicht im 1-Mühlen-Betrieb möglich Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 6 KW Voerde Untersuchungen Feuerung Indirekte Feuerung Die Umrüstung geeigneter Brenner auf indirekte Feuerung mit Brennermodifikation (DST-Brenner ) kann einen Beitrag zur Flexibilisierung leisten: - erhöhte Laständerungsgeschwindigkeit - höherer Brennerregelbereich (höhere Brennstoffbeladung) - Niedrigere Brennermindestlast - Reduzierung von Anfahrtskosten (Ansatz der Zündfeuerung (Öl/Gas) kann in deutlich kürzerer Zeit abgestellt werden) Cyclone Raw coal bunker Dust bunker Burner Conveyor Air Feeding system Classifier Mill Ventilator swirler core air fuel secondary air Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis tertiary air fuel nozzle

38 Fachveranstaltung Flexible Kraftwerke für die Energiewende KW Voerde Untersuchungen Feuerung Elektrische Zündung Stand der Technik: Zündung von festem Brennstoff nur mit Zündfeuerung in Betrieb (EN ) Verbrauch von teuren, gasförmigen oder flüssigen Hilfsbrennstoffen Experimentelle Untersuchung zur Zündung fester Brennstoff an der Brennstoffdüse eines DS Brenners (VGB Power Tech 11/2014) Ziel: Starten von Brenner(ebene)n ohne Einsatz von Hilfsbrennstoff bzw. Zündfeuerung. Elektrische Aufheizung der Brennstoffdüse durch integrierte Heizelemente Erste Zündung von Holzstaub und Kohlenstaub an einer aufgeheizten Brennstoffdüse in der CCA Versuchsanlage 2015 Einbauen von elektrisch beheizten Düsen in zwei Brennern im Gemeinschaftskraftwerk Hannover (Block 2) und weltweit erste Zündung mit elektrisch aufgeheizten Brennstoffdüsen, (direkte Staubeindüsung von der StartMühle aus). Leisse, Stöll, Zündung staubförmiger Brennstoffe an elektrisch beheizten Brennstoffdüsen, VGB Dampferzeuger, Industrie- und Heizkraftwerke, April 2016, Potsdam Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 8 KW Schwarze Pumpe Technische Daten Dampfleistung pro Block beträgt 2240 t/h. Dampfparameter 268/55 bar / 547 ºC Nettowirkungsgrad ist 41,2 % Bruttomindestlast nach der Auslegung 455 MWe (ca. 57 %) 8 Schlagradmühlen vom Typ N (EVT) mit Brüdentrennsichter (N-1 Betrieb) Quelle: GE Steam Power Systems 38 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 9

39 KW Schwarze Pumpe Untersuchungen Braunkohlemühlen Mahltrocknungsberechnungen wurden durchgeführt Basis für die Rechnungen: Berechnungsergebnisse der wärmetechnischen Berechnungen und der Luft- und Rauchgasbilanzen anhand von verfügbaren Betriebsdaten Lastfälle Kessellast % Mühlen in Betrieb Ergebnisse Ein Teillastbetrieb von 37% und 35% ist mit einem 3 Mühlenbetrieb aus verfahrenstechnischer Sicht möglich (Lastbereich der Mühlen, O2 im Traggas, Restfeuchte) Es gibt prinzipielle Möglichkeiten zur Erweiterung der minimalen Mühlelast sind (Begrenzung der Temperatur nach Mühle) Darstellung der EVT Mühle N (Zeichnung VEAG) Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 10 KW Schwarze Pumpe Untersuchungen Feuerung Indirekte Feuerung Vorteil einer indirekten Feuerung mit Brennermodifikation (DST-Brenner ) sind erhöhte Laständerungsgeschwindigkeit und höherer Brennerregelbereich (höhere Brennstoffbeladung) RG Rezirkulation TBK Silo Die höhere Laständerungsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Entkopplung von Brennstoffaufbereitung (Vermahlung) und Verbrennungsprozess Indirekte Feuerung TBK Anlieferung im KW Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 11 39

40 Fachveranstaltung Flexible Kraftwerke für die Energiewende KW Schwarze Pumpe Indirekte Feuerung mit TBK Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Fall zu Untersuchung: Austausch der Ölbrenner über DST-Brenner (mit eingebauter Öl Lanze) 4 Brenner pro Seite, 16 Brenner insgesamt Auslegung Ölbrenner für 35% Kessellast <=> FWL~ 715 MWth Thermische Leistung pro Brenner: ~ 45 MWth Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 12 KW Schwarze Pumpe Untersuchungen Feuerung Indirekte Feuerung Annahmen: Konventioneller Betrieb - Anzahl von Heiss- / Warm- / Kaltstarts pro Jahr : 5 / 10 / 2 Flexibler Betrieb - Anzahl von Heiss- / Warm- / Kaltstarts pro Jahr : 10 / 20 / 10 Öl price: /l /MWhth TBK Preis : 20 /MWhth 40 Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 13

41 Zusammenfassung Im Rahmen vom Partnerdampfkraftwerk wurden von MHPSE Maßnahmen zur Minimallastabsenkung in den zwei Referenzanlagen untersucht. In beiden Fällen wurden wärmetechnische Berechnungen der Dampferzeuger anhand von Betriebsdaten durchgeführt. Die Ergebnissen der WT Berechnungen wurden in der verfahrenstechnischen Untersuchung der Feuerungskonzepte und der Mahlkreisläufe benutzt. Aus verfahrenstechnischer Sicht ist im Fall von KW Voerde eine Minimallastabsenkung bis 15% und im Fall von KW Schwarze Pumpe eine Minimallastabsenkung bis 35% Kesselast möglich. Neue technische Entwicklungen im Bereich der Feuerung, wie die indirekte Feuerung und die innovativen Zündkonzepte ( elektrische Zündung ), können einen signifikanten Beitrag zur Flexibilisierung existierender und neuer Kraftwerke leisten. Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Michalis Agraniotis 14 41

42 Verkürzung der An- und Abfahrzeiten Dampfturbine Fatih Temiz Siemens AG, Mülheim an der Ruhr Flexible Kraftwerke für die Energiewende 25. Mai 2016, Düsseldorf Allgemeines Anfahrprozedur einer Dampfturbine stellt einen instationären Prozess dar Die Anfahrt führt zu einer thermischen Beanspruchung der dickwandigen Komponenten, wie Wellen oder Gehäuse Wesentlicher Einfluss der thermischen Beanspruchung auf Anfahrzeit und beeinflusst durch z.b.: Mechanische Auslegung und Grenzwerte der Turbine Anlagendesign Betriebsweise und Prozess Stillstandzeit/Ausgangstemperaturen Quantifizierung durch Äquivalenten Betriebsstunden (EOH) Bestimmung der Revisionsintervalle durch EOH-Verbrauch Ziel ist die Verkürzung der Anfahrzeiten ohne signifikant höheren EOH-Verbrauch Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 2 42

43 Wandtemperaturgrenzwerte (WT-Grenzen) Temperaturdifferenzen in dickwandigen Bauteilen zur Überwachung der thermische Beanspruchung Wandtemperaturgrenzwerte als Maximalwerte für einen definierten EOH-Verbrauch Festlegung der Maximalwerte durch Fahrstufenauswahl Flexible Auswahl der Fahrstufe durch Kunden und nach Bedarf Kundespezifische Anpassung möglich Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 3 Dampfturbinensystem Das einfachste Dampfturbinensystem Flexibles Dampfturbinensystem (vereinfachte und beispielhafte Darstellung) MDU Kessel Turbine HDU HD MD ND Kondensator RSK Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 4 43

44 Lastoptimierte Anfahrt - Einleitung Übliche Prozedur: Vollständige Ausnutzung der WT-Grenzen Schnelle Steigerung der Dampftemperaturen Wirkungsgradoptimiert Laststeigerung abhängig von WT-Grenzen Lastoptimiertes Anfahren: Schnelle Lastaufnahme der Dampfturbine Block stellt Dampf in ausreichender Menge und Qualität zur Verfügung Entkopplung von Dampfmenge und Dampftemperatur Minimierung des Einflusses der thermischen Beanspruchung Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 5 Lastoptimierte Anfahrt - Durchführung Absenkung der Dampftemperaturen nach Kesselaustritt z.b. mittels externer Wassereinspritzung Alternativ: kesselinterne Wassereinspritzung Abgekühlter Dampf unmittelbar vor Turbine bei hohem Massenstrom Signifikant schnellere Lastaufnahme bei Kalt- und Warmstarts Bei Heißstarts zusätzlich geringer EOH-Verbrauch Gekühlter Dampf Externe Wassereinspritzung Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 6 44

45 Lastoptimierte Anfahrt - Berechnung Hoher EOH-Verbrauch Geringer EOH-Verbrauch Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 7 Heißer Schnellstart - Einleitung Erfüllung zahlreicher Anstoßkriterien vor Anstoßen der Dampfturbine, darunter: Gewährleistung der Dampfreinheit Dampftemperaturen innerhalb eines definierten Dampftemperaturbandes Verhindern von Nässe und unzulässiger Abkühlung in überwachten Komponenten durch Minimaltemperaturen Abfrage erfolgt für die Hochdruck- und Mitteldruckturbine separat Frischdampfventile ZÜ-Ventile HD MD ND Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 8 45

46 Heißer Schnellstart - Anstoßkriterien Ausgangslage: Unterschiedliche Ausgangstemperaturen zwischen Hochdruck- (HD) und Mitteldruckturbinen(MD) nach einem Stillstand Hochdruckturbine mit Topfgehäuse signifikant wärmer als Mitteldruckturbine Öffnung der Frischdampf- und ZÜ-Ventile bei ausreichender Überhitzung des Dampfes gegenüber den Turbinentemperaturen Rasche Erfüllung dieses Dampftemperaturkriteriums durch Mitteldruckturbine Umleitbetrieb bis Erreichen der notwendigen Frischdampftemperaturen für die Hochdruckturbine Frischdampfventile ZÜ-Ventile HD MD ND Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 9 Heißer Schnellstart - Durchführung Option 1: Absenkung der HD-Anstoßkriterien Verkürzung des Umleitbetriebes um bis zu 30 Minuten Grundsätzlich für alle Turbinentypen anwendbar Option 2: Anstoßen über die MD-Turbine Anfahren mit evakuierter HD-Turbine Die HD-Turbine wird zugeschaltet, sobald ihre Kriterien erfüllt sind Verkürzung der Umleitbetriebes um bis zu 90 Minuten ZÜ-Ventile Frischdampfventile HD MD ND Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 10 46

47 Thermische Lastwechsel Weiteres Glied des Turbinenbetriebs neben An- und Abfahrt Möglichkeit zur Reaktion auf schwankende Lastanforderungen Entfall einer Turbinenabfahrt und anschließender Anfahrt Auftreten auch bei Integration eines thermischen Speichers Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 11 Thermische Lastwechsel Lastwechsel bis zu kesselspezifischen Lastpunkten ohne Dampftemperaturänderungen möglich Dampftemperaturänderungen bei weiterer Lastabsenkung auf z.b. tiefere Teillasten Zu erwartender EOH-Verbrauch: Keiner bis weniger als ein Anfahrvorgang auf der Fahrstufe LANGSAM Weitere Optimierung durch Hochdruck-Teilschnellschluss oder Einsatz externer Wassereinspritzungen Tiefere Teillasten mit geringem EOH-Verbrauch bereits heute möglich Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 12 47

48 Zusammenfassung Dampfturbinen in Dampfkraftwerken können bereits heute flexibler eingesetzt werden Beschleunigte Lastaufnahme der Dampfturbine durch die lastoptimierte Fahrweise Verkürzung des Umleitbetriebes durch frühzeitiges Anstoßen der Dampfturbine mit dem heißen Schnellstart Erfüllung diverser Lastanforderungen durch Lastwechselfähigkeit mit geringem EOH-Verbrauch Weitere Flexibilisierung, wie z.b. durch Integration eines thermischen Speichers Flexible Kraftwerke für die Energiewende Mai 2016, Düsseldorf - Fatih Temiz 13 48

49 Presseinformation Rhein Ruhr Power - Seit fünf Jahren ein starker Verbund Die Energiewende mitgestalten das ist das Motto des Vereins, der mit seinen Projekten die Energieversorgung der Zukunft im Blick hat. Seit 2011 ist der Verein Rhein Ruhr Power (RRP) unterwegs, um für eine Energieversorgung der Zukunft zu werben und damit die Energiewende mitzugestalten. In Verbundprojekten leisten die Mitglieder von RRP gemeinsam die Forschungs- und Entwicklungsaufgaben zur Konzeptionierung, Entwicklung und dem anschließenden Bau des Kraftwerks der Zukunft. Die technischen Projekte werden vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Der Verein selbst erhält große Unterstützung vom Wissenschaftsministerium NRW. Unternehmen der Industrie arbeiten im Verein mit Verbänden und wissenschaftlichen Einrichtungen Hand in Hand, so die stellvertretende Vorstandsvorsitzende Margit Thomeczek, die auch Netzwerkmanagerin bei der Energie- Agentur.NRW ist. Mit dem Kraftwerk der Zukunft, so Frau Thomeczek weiter, hat sich der RRP das Ziel gesetzt, ein Produkt zu entwickeln, das mit den Kerneigenschaften Flexibilität, Effizienz und Umweltverträglichkeit ein wichtiger Partner der Erneuerbaren Energien und somit unverzichtbarer Bestandteil der Energiewende ist. Den ersten wichtigen Baustein leistete das gerade abgeschlossene Verbundprojekt Partner-Dampfkraftwerk, das die bedarfsgerechte Integration von Strom aus fluktuierenden Energiequellen deutlich verbessern will. In diesem für die Energiewende wichtigen Forschungsvorhaben wurden neue technische Konzepte entwickelt, die Bestandskraftwerke so ertüchtigen, dass die schwankende Stromeinspeisung aus Wind- oder Photovoltaikanlagen sicher ausgeregelt werden kann und damit die Netzstabilität gefestigt wird. Der Rhein Ruhr Power e.v. bündelt Unternehmen der deutschen Energie- und Kraftwerkstechnik und unterstützt sie in ihrer Neuausrichtung für die Energieversorgung der Zukunft. Synergieeffekte zwischen konventionellen und solarthermischen Kraftwerken werden hier bewusst genutzt. Rhein Ruhr Power hat derzeit 38 Mitglieder entlang der gesamten Wertschöpfungskette: Kraftwerksbetreiber, Kraftwerksbauer, Komponentenhersteller, Verbände, Forschungseinrichtungen und Dienstleister. Mit Industrieunternehmen sind auch Anwender Mitglieder bei Rhein Ruhr Power und somit Garanten für die Umsetzung der Projektergebnisse. 49

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