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Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke

DLR – Institut für Technische Thermodynamik

Dr. Ing. Markus Eck

5. Juni 2014

-www.DLR.de/TT • Folie 2 > DLR – Innovative Speicher für Solarthermische Kraftwerke > Markus Eck > 05.06.2014

Gliederung

• Einleitung

• Aktuelle Tendenzen bei solarthermischen Kraftwerken

• Entwicklungspfade am DLR

• Zusammenfassung


EinleitungSolarthermische Kraftwerke und thermische Energiespeicher

Thermischer Speicher


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Ang

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ärm

e) Anforderungeno Temperatur

o Wärmeträgerfluid

o Lade-/Entlade-Charakteristik

o Speicherkapazität

Speicherprinzip

ReaktionsWärme

Latent Wärme

Sensible Wärme


Aktuelle Tendenzen bei solarthermischen KraftwerkenKostensenkung

Kostensenkung durch verringerte Investitionen

• Günstigere Komponenten

• Innovative Systeme

Kostensenkung durch Effizienzsteigerung

• Höhere Temperaturen

• Verringerte Verluste

Kostensenkung durch standardisierte Verfahren


Aktuelle Tendenzen bei solarthermischen KraftwerkenAnforderungen 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)


Entwicklungspfade am DLR – KostensenkungFlüssigsalzsysteme

Herausforderungen

• Salzstabilität

• Korrosion

• Thermocline


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]

Temperatur [°C]

KNO3

NaNO3

K,Na // NO3 (Eutectic)

(1) NaNO3 NaNO2 +1/2 O2

(2) 2 NaNO2 Na2O + NO2 + NO


Herausforderungen

• Salzstabilität

• Korrosion

• Thermocline



Herausforderungen

• Salzstabilität

• Korrosion

• Thermocline


Entwicklungspfade am DLR – KostensenkungFlüssigsalzsysteme – Zukünftige Untersuchungsmöglichkeiten

Realisierung einer neuen Großinvestition am DLR zur Untersuchung von Flüssigsalzsystemen im realen Maßstab


Entwicklungspfade am DLR – Erhöhte BetriebstemperaturenRegeneratorspeicher

Zieldaten Speicher:• Maximaltemperatur: 650-1000 ˚C • Luft: 1 bar (Dampfturbine) bis

10 bar (Gasturbine)

• Direktkontakt zwischen Gas und Speicher-material: einfacher Aufbau

• Breite Auswahl an Materialien (Oxidkeramiken, Naturstein)

• Formsteinaufbau typisch, Kostenreduktion durch Schüttaufbau


Entwicklungspfade am DLR – Erhöhte BetriebstemperaturenRegeneratorspeicher – 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 GWhth)• AA-CAES (~1 GWhth)

DLR


Entwicklungspfade am DLR – Erhöhte BetriebstemperaturenPartikelbasierte Speicher

Einsatzgebiete:• Volumetrische Receiver• Partikelreceiver


Entwicklungspfade am DLR – Erhöhte BetriebstemperaturenPartikelbasierte Speicher

Herausforderungen an den Wärmeübertrager

• 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

Teststand mit WBWÜ-Prüfling

PIV-Strömungsfeld (l.),

CFD-Ergebnisse (r.)


Entwicklungspfade am DLR – Innovative Systeme Thermochemische Speicher – Funktionsweise

PulverGas

Reaktor Gas handling

Gesamtsystem

K.


Entwicklungspfade am DLR – Innovative Systeme Thermochemische Speicher – Systemintegration

Pulver-Gas

Reaktor - Gas handling

Systemintegration (Reaktionspartner ist im Prozess schon vorhanden)

-C.


Entwicklungspfade am DLR – Innovative Systeme Thermochemische Speicher – Materialentwicklung

Ansatz:

• Calciumhydroxid für 400-700 °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 Labormaßstaberbracht


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


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

Dr.-Ing. Markus [email protected]+ 49 711 6862 429

Diskussion

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