Partner-Dampfkraftwerk AP4: Definition Referenzkraftwerke (STEAG) AP7: Thermische Speicher (DLR)
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1 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
2 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
3 Motivation Residuallast in Deutschland Last; Kapazität / GW Last 2012 / 2024 / Residuallast 2012 Residuallast Residuallast Tag Gesicherte Leistung 2012 Datenquellen Residuallasten: EWI Pumpspeicherkapazität: Netzentwicklungsplan Gesicherte Leistung 2024 Gesicherte Leistung 2034 Speicherkapazität Pumpspeicher 2012 Speicherkapazität Pumpspeicher 2024 /
4 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
5 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
6 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
7 Arbeitspaket 4: Definition Referenzkraftwerke 7
8 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 8
9 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
10 Technische Begrenzungen in Bezug auf Mindestlast Rauchgastemperatur Blockregelung Temperaturen Frischdampf und HZÜ-Dampf Dampfstrom durch Turbine (Ventilation) Stabilität der Feuerung Anzapfdampfstrom / -druck Umwälzregelung 10
11 Technische Begrenzungen in Bezug auf Anfahren Anfahrprogramm Dampferzeuger Dickwandige Bauteile (Sammler) Dickwandige Bauteile (Turbine) Turbinenanfahrprogramm Heißluft zur Kohletrocknung Öl- / Gasverbrauch 11
12 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 P G soll dp/dt soll = 5 %/min dp/dt ist = 4,25 %/min t 0 t 1 t 2 t 3 Istleistung P G Zeit t in min In Diskussionen über Flexibilität werden z.t. Äpfel mit Birnen verglichen 12
13 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
14 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
15 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
16 Arbeitspaket 7: Thermische Speicher und ihre Integration in thermische Kraftwerke 16
17 Wärmespeicher zur Flexibilisierung von Kraftwerken Effektive Integration von Wärmespeichern in den Kraftwerksprozess Dampfspeicher (kommerziell) Ziele Erhöhung der Laständerungsgeschwindigkeit Reduzierung der Mindestlast Verbesserung des Teillastverhaltens Reduzierung des Anfahrwärmebedarfs Vorgehen 1. Konzeptionsphase 2. Konzeptbewertung 3. Detaillierte Speicherauslegung Feststoffspeicher (demonstrationsreife) Phasenwechsel-Speicher (vorkommerziell) Flüssigsalz (kommerziell) 17
18 Integration von Wärmespeichern in Kraftwerke Konzeption Erarbeitung von Integrationskonzepten Schnittstellen zum Kraftwerksprozess Berücksichtigung von begrenzenden Nebenbedingungen Economizer Zwischen überhitzer HD MD ND G Überhitzer Verdampfer Kondensator Kondensatpumpe Beispiele für mögliche HD-Vorwärmer Speisepumpe Speisewasserbehälter ND-Vorwärmer Entladeschnittstellen Beladeschnittstellen 18
19 Integration von Wärmespeichern in Kraftwerke Konzeptbewertung Bewertung System Integrationsort Speicheroptionen Variante 2 Variante 1 Variante 3 Vorzugsvarianten 19
20 Integration von Wärmespeichern in Kraftwerke Speicherauslegung Auslegung für Vorzugsvarianten von Speichertyp Speichermasse Größe der Wärmeübertrager 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
21 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
22 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt: Dr.-Ing. Hendrik Lens Gruppenleiter Advanced Process Control STEAG Energy Services GmbH Rüttenscheider Str Essen, Germany Tel / hendrik.lens@steag.com 22
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