Möglichkeiten thermischer Energiespeicher zur Lastflexibilisierung im Kraftwerksprozess Autor: C. Schneider, S. Braun Projektleiter: Prof. Dr.-Ing.

Möglichkeiten thermischer Energiespeicher zur Lastflexibilisierung im Kraftwerksprozess Autor: C. Schneider, S. Braun Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. A. Kratzsch, Prof. Dr.-Ing. W. Kästner

Forschungsprojekt HSZG Vorhaben: Energieeffizienzsteigerung in thermischen Energieanlagen Eingliederung in das neue Zittauer Kraftwerkslabor Gefördert durch die SAB auf der Grundlage der Förderrichtlinie Energie und Umweltschutz Projektlaufzeit: 05.09.2011 31.08.2014 Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. A. Kratzsch, Prof. Dr.-Ing. W. Kästner Projektmitarbeiter: M. Hölker, T. Klette, S. Braun, G. Donath, C. Schneider, F. Zacharias 2 2

Gliederung 1. 2. 3. Anforderungen an den Kraftwerkspark und resultierende Zielstellungen Speicherkonzept für das Referenzkraftwerk Pilotversuchsanlage des neuen Zittauer Kraftwerkslabors (ZKWL) 4. Zusammenfassung 3

01.10.2012 02.10.2012 02.10.2012 03.10.2012 03.10.2012 04.10.2012 05.10.2012 05.10.2012 06.10.2012 06.10.2012 07.10.2012 07.10.2012 08.10.2012 09.10.2012 09.10.2012 10.10.2012 10.10.2012 11.10.2012 12.10.2012 12.10.2012 13.10.2012 13.10.2012 14.10.2012 14.10.2012 15.10.2012 16.10.2012 16.10.2012 17.10.2012 17.10.2012 18.10.2012 19.10.2012 19.10.2012 20.10.2012 20.10.2012 21.10.2012 21.10.2012 22.10.2012 23.10.2012 23.10.2012 24.10.2012 24.10.2012 25.10.2012 26.10.2012 26.10.2012 27.10.2012 27.10.2012 Wind- und PV-Einspeisung in der Regelzone von 50Hertz Oktober 2012 MW 14000 12000 Regelzonenlast 11.289 MW am 05.10.2012 um 17:30 Uhr Regelzonenlast Gesamte installierte Leistung im Netz von 50Hertz 32.390 MW maximale Regelzonenlast 17.000 MW 10000 Wind- + PV- Einspeisung 10.539 MW am 05.10.2012 um 17:30 Uhr 8000 6000 4000 Maximaler Rückgang am 05.10. 1 h (20-21 Uhr) : 2.147 MW 2000 0 Maximaler Anstieg am 05.10. 1 h (13-14 Uhr) : 2.164 MW Gesamte installierte Wind- und PV- Leistung im Netz von 50Hertz 14.300 MW Wind + PV Quelle: Vattenfall FlexGen, Dr.-Ing. S.Tappe, 50Hz 4

06.12.2012 06.12.2012 07.12.2012 07.12.2012 08.12.2012 09.12.2012 09.12.2012 10.12.2012 10.12.2012 11.12.2012 12.12.2012 12.12.2012 13.12.2012 13.12.2012 14.12.2012 14.12.2012 15.12.2012 16.12.2012 16.12.2012 17.12.2012 17.12.2012 18.12.2012 19.12.2012 19.12.2012 20.12.2012 20.12.2012 21.12.2012 21.12.2012 22.12.2012 23.12.2012 23.12.2012 24.12.2012 24.12.2012 25.12.2012 26.12.2012 26.12.2012 27.12.2012 27.12.2012 28.12.2012 28.12.2012 29.12.2012 30.12.2012 30.12.2012 31.12.2012 31.12.2012 Wind- und PV-Einspeisung in der Regelzone von 50Hertz Dezember 2012 Regelzonenlast Gesamte installierte Leistung im Netz von 50Hertz 32.390 MW maximale Regelzonenlast 17.000 MW Wind- + PV- Einspeisung übersteigen mehrmals im Dezember die Regelzonenlast Bspw. 645 MW am 24.12. um 20:00 Uhr MW 14000 12000 10000 8000 Negativer EEX-Preis Bspw. 25.12. (2-3 Uhr) bei -221,99 Euro/MWh 6000 4000 2000 Gesamte installierte Wind- und PV- Leistung im Netz von 50Hertz 14.300 MW 0 Wind + PV Quelle: Vattenfall FlexGen, Dr.-Ing. S.Tappe, 50Hz 5

Auswirkungen auf konventionelle Kraftwerke Auswirkungen der volatilen Einspeisung auf die konventionellen Kraftwerke: Gehäufte An- und Abfahrvorgänge Verstärkte Materialermüdung Lebensdauer verschiedener Komponenten nimmt signifikant ab Aufwendungen für Wartung und Instandhaltung steigen Stromgestehungskosten steigen Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems sinkt Überprüfung der Schwarzstartfähigkeit von Einzelanlagen notwendig Aktualisierung der Netzwiederaufbaukonzepte notwendig Volatile EEG-Einspeisung führt zu extremen Preisschwankungen an der EEX und zu tendenziell sinkenden Großhandelspreisen Out of Money -Situationen nehmen zu Quelle: Vattenfall FlexGen, Dr.-Ing. S.Tappe 6

Resultierende Zielstellungen Mittelfristige Zielstellungen für den konventionellen Kraftwerkspark: Mindestlastabsenkung Lebensdauersicherung Spitzenlastfähigkeit Regelenergiebereitstellung Erhöhung Laständerungsgeschwindigkeit Schnellstartfähigkeit durch Warmhaltung Verbesserung der Teillastwirkungsgrade bei Lastwechselfahrweisen Nutzung thermischer- Energie- Speicher (TES) zur Flexibilisierung durch die Entkopplung von Kessel und Turbine und Speicherung von Vorwärmenergie. Hier setzt das SAB/EU-finanzierte Vorhaben Energieeffizienzsteigerung in thermischen Energieanlagen an. 7

Gliederung 1. 2. 3. 4. Anforderungen an den Kraftwerkspark und resultierende Zielstellungen Speicherkonzept für das Referenzkraftwerk Pilotversuchsanlage des neuen Zittauer Kraftwerkslabors (ZKWL) Zusammenfassung 8

Auswahl des Speicherkonzeptes Analyse möglicher Einbindepunkte im 1 GW el Referenz-Braunkohlekraftwerk Definition technisch sinnvoller Einbindepunkte technische und wirtschaftliche Abschätzung möglicher Speichertechnologien und - Medien sowie Festlegung Die Untersuchungen haben ergeben, dass Wasser im betrachteten Temperaturbereich das optimale Speichermedium darstellt. Mögliche direkte Speichersysteme: Verdrängungsspeicher (Schichtspeicher) Speisewasserspeicherung Druckgefällespeicher (Dampfspeicher) Dampferzeugung durch Entspannung Expansionsspeicher Speisewasserspeicherung mit externer Entspannung Favorisiert wird die Anwendung eines Verdrängungsspeichers zur Speisewasserspeicherung (Speicherung von HD-Vorwärmenergie) aufgrund der hohen Speicherdichte und direkten und schnellen Nutzbarkeit 9

m in kg/s e in kj/kg Exergieverluste bei Teillast Exergie der Einbindepunkte und Exergiedifferenz bei Speicherung Referenzkraftwerk 1GW el -Block Teillast (60%) 450 400 350 300 Δe 1.800 1.600 1.400 1.200 250 200 150 100 50 Exergie-Effizienz bei Speicherung von: Frischdampf: 72% abzüglich Q v HD-Abdampf: 100% abzüglich Q v HD-Anzapfdampf: 100% abzüglich Q v ZWÜ-Dampf: 76% abzüglich Q v 1.000 800 600 400 200 0 SWB-VW6 SWP HD-VW7 HD-VW8 DE- Austritt HD- Austritt HD-AZ- VW8 HD-AZ-FW m in kg/s 405 403 403 403 403 368 35 1 367 18 e in kj/kg 122 143 187 266 1565 1124 1124 1124 1475 1207 ZWÜ MD-AZ- VW7 0 6 5 4 0 A 2 B 2 10

Speicherkonzept 1GW el - Referenzkraftwerk 0 B A C 2 4 7 8 6 5 11

Speicherkonzept 1GW el - Referenzkraftwerk zweite SPAT-Stufe notwendig Druckbehälter, HD-Umwälzpumpe und ZÜ 2 Mischvorwärmer notwendig massiver Eingriff ZÜ 1 in Prozess hydraulische Kopplung Dampf- und Speisewasserseite Ü 4 V2 evtl. Dampfkühlung und Entspannung notwendig Innenisolation Luft Brennstoff Ü 3 Ü 1/2 ECO + VD Dampf Wasser heiß Wasser kalt 4 VDS P2 MV V1 P3 V3 V4 V5 Speicherung HD-Vorwärmenergie, mit HD-/MD- Anzapfdampf, HD-Abdampf, ZWÜ-Dampf HD MD ND G SW-Behälter geringe Exergieverluste machbar 6 Speichermedium Wasser SPAT 0 5 B Entkopplung Kessel und Turbine C 2 P1 Nutzung der max. Dynamik der Turbine möglich A Spitzenlastbereitstellung durch HD-Bypass Lebensdauersicherung durch konstante Kesselbetriebsparameter hohe Laständerungsgeschwindigkeit durch Lastabwurf in Speicher evtl. über ULS Regelenergiebereitstellung durch Ein-/Ausspeicherung HD-Vorwärmenergie Warmhaltefunktion Kessel Anfahrbypass mit Speicher 7 8 FW 12 12

Verdrängungsspeicher Randbedingungen 1 2 3 4 Auslegungsdaten Mischvorwärmer (MV) zur Kondensation von 85 kg/s HD-Abdampf Verdrängungsspeicher (VDS) zur Einspeicherung von 235 kg/s Sattwasser mit einer Speicher-kapazität von 516 MWh Umwälzpumpe zur Umwälzung von 235 kg/s Speisewasser HD-Vorwärmer zur Kondensation von 76 kg/s HD-Anzapfdampf Wert Leistung: 86 MW Volumen: 82 m³ Durchmesser: 2 m Höhe: 30 m Wandstärke: 70 mm Anzahl: 68 Leistung: ca. 100 kw Leistung: 150 MW A B C D E F Temperatur [ C] Druck [bar (a)] 311-320 33-52 0-85 311-320 33-52 0-76 Massenstrom [kg/s] 169-188 33-52 318-587 240-266 33-52 403-672 228-266 52 0-822 188-266 52 (-672) - 235 13

Gegenüberstellung Parameter und Kosten Kennwert Verdrängungsspeicher SNG Anlage TBK Anlage Speicherkapazität entsprechend Behälterkapazität Sehr hoch (Erdgasnetz) entsprechend Silokapazität Spezifischer Platzbedarf des Speicher [m²/mw el, installiert ] 10,0 25,0 137,5 20,0 Lade- und Entladezeit Minuten Minuten Minuten Integrationsaufwand mittel hoch mittel Speicherpotential Behälteranzahl operativ anpassbar Sehr gut (Erdgasnetz) Silokapazität operativ anpassbar Spez. Kosten [M /MW el, installiert ] 0,20 1,69 0,32 Bewertung gut mittel gut Quelle: Integration von Energiespeichern KTK 2013 N. Jentsch Vattenfall 14

Gliederung 1. 2. 3. 4. Anforderungen an den Kraftwerkspark und resultierende Zielstellungen Speicherkonzept für das Referenzkraftwerk Pilotversuchsanlage des neuen Zittauer Kraftwerkslabors (ZKWL) Zusammenfassung 15

Versuchsanlage THERESA ÜH 60bar 350 C DE 160bar SWP-2 347 C VDS 60bar 275 C Universelle Schnittstelle/ PCM 160bar, 347 C HD-VW SW-Behälter Wärmesenke ND-VW SWP-1 16

Versuchsanlage THERESA Thermische Energiespeicheranlage - THERESA 3D-Modell der Versuchsanlage THERESA 17

Versuchsanlage THERESA Die Versuchsanlage THERESA dient folgenden Untersuchungen: Entwicklung von Verdrängungsspeichern (thermische Schichtung, Mischungsverluste, Optimierung der Konstruktion) Entwicklung von Regelungs- und Steuerungsstrategien für die gekoppelte Betriebsweise von SWP1 + VDS + SWP2 + DE im Kraftwerksprozess Effizienzuntersuchungen zukünftiger Lastwechselfahrweisen mit VDS Intelligente Leittechnikkonzepte auf Basis von KNN und Fuzzy Logic Entwicklung von Simulationsmodellen und Planungswerkzeugen Untersuchung von neuen Hochtemperatur-Speicherkonzepten/-medien Instandhaltungsstrategien und Bauteilmonitoring THERESA besitzt folgende Fähigkeiten: Nachbildung eines Kraftwerks-Prozesses bis 347 C/160bar bzw. 350 C/60bar universelle Untersuchungsschnittstellen bis 347 C/160bar Wasser, Dampf (ÜH, satt) max. 0,1kg/s Dampf, 0,5kg/s Speisewasser 18

Gliederung 1. 2. 3. 4. Anforderungen an den Kraftwerkspark und resultierende Zielstellungen Speicherkonzept für das Referenzkraftwerk Pilotversuchsanlage des neuen Zittauer Kraftwerkslabors (ZKWL) Zusammenfassung 19

Zusammenfassung Wasser ist im betrach. Temperaturbereich das optimale Speichermedium Die Einbindung eines Verdrängungsspeichers ermöglicht: kurzzeitige Entkopplung Kessel und Turbine Mindestlastabsenkung Spitzenlastfähigkeit Lebensdauersicherung Regelenergiebereitstellung erhöhte Laständerungsgeschwindigkeit Schnellstartfähigkeit durch Warmhaltung Verbesserung der Teillastwirkungsgrade bei Lastwechselfahrweisen Exergie-Effizienz der Speicherung von 70% -100% (abzüglich Q v ) möglich Hohe Speicherkapazitäten durch Behälterkaskaden realisierbar und beliebig erweiterbar 20

14.11.2013 C. Schneider FG Messtechnik / Prozessautomatisierung Vielen Dank für Ihr Interesse! Kontakt: Ansprechpartner/-in: Hausanschrift: Prof. Dr.-Ing. Alexander Kratzsch Institut für Prozeßtechnik, Prozeßautomatisierung und Meßtechnik Fachgebiet Messtechnik / Prozessautomatisierung Telefon: +49 3583-611282 Telefax: +49 3583-611288 E-Mail: A.Kratzsch@hszg.de Web: www.hszg.de/ipm Hochschule Zittau/Görlitz IPM Theodor-Körner-Allee 16 02763 Zittau weitere Informationen 21