TcET – Thermochemischer Energiespeicher für thermische Kraftwerke und industrielle Wärme

Motivation

Im Zuge der Energiewende und des damit steigenden Anteils Erneuerbarer Energien im Strommix stehen konventionelle Kraftwerke vor neuen Herausforderungen. Neben Effizienz und Wirtschaftlichkeit gerät die Flexibilität der Kraftwerke zunehmend in den Fokus der Betreiber. Leistungsfähige Wärmespeichersysteme können einen entscheidenden Beitrag leisten, die Flexibilität thermischer Kraftwerke zu steigern. Einsatzmöglichkeiten bieten sich sowohl zur Absenkung der elektrischen Mindestlast der Anlagen, als auch zur Erhöhung von Lastwechselgeschwindigkeiten oder zur Senkung von An- und Abfahrzeiten. Zusätzliche Flexibilisierungsmöglichkeiten ergeben sich bei Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung, bei denen ein Speicher die Möglichkeiten zur stromgeführten Fahrweise erweitern kann.

Die an das Speichersystem gestellten Anforderungen sind die Speicherung großer Wärmemengen im Temperaturbereich von 300 bis 600 °C über längere Dauer. Thermochemische Speicher sind in der Lage, Wärmeenergie chemisch einzubinden. Dadurch verbinden sie einen sehr geringen technischen Aufwand für die Lagerung mit vergleichsweise hohen Speicherdichten. Im Gegensatz zu sensiblen oder latenten Wärmespeichern, die bereits kommerziell erhältlich sind, sind thermochemische Speicher bislang nur Gegenstand der Forschung.

Ziele

Das wesentliche Ziel des Projektes ist die Entwicklung von bezüglich Leistung und Kapazität optimierten thermochemischen Speichersystemen für verschiedene thermische Kraftwerke mit und ohne Wärmeauskopplung.

Wie bei allen thermischen Speichersystemen spielt die Wärmeübertragung auf das Speichermaterial eine Schlüsselrolle. Bei thermochemischen Speichern kommen zusätzliche Anforderungen bezüglich der Stoffübertragung hinzu. In den bisher in der Literatur vorgeschlagenen Festbettverfahren lassen sich diese Anforderungen für leistungsfähige Speichersysteme nicht zufriedenstellend lösen. Deshalb soll in diesem Projekt ein Wirbelschichtverfahren entwickelt werden, das hohe Wärmeübergange, gute Umsätze und einen kontinuierlichen Betrieb kombiniert und so die Grundlage schafft, thermochemische Energiespeicher in großtechnischer Skalierung einzusetzen.

Das Projekt umfasst dabei eine weite Spanne an Themen, angefangen bei der Suche nach geeigneten Speichermaterialien und deren Modifikation über das Reaktordesign bis hin zur numerischen Simulation des Reaktors und potentiellen Anwendungssystemen:

  • Definition von Anforderungsprofilen an das Speichersystem durch Analyse von Kraftwerksprozessen
  • Screening nach geeigneten Speichermaterialien
  • Eingehende Analyse geeigneter Materialien mittels Thermogravimetrie, sowie Ausloten von Katalysemöglichkeiten und Möglichkeiten zur Verbesserung der physikalischen Materialeigenschaften
  • Numerische Simulation des Speichersystems
  • Bau einer Wirbelschicht-Versuchsanlage mit realistischen Bedingungen (600 °C) im Technikumsmaßstab
  • Modellierung des Gesamtsystems (Kraftwerk + Speicher) zur Abschätzung von Effizienz und Wirtschaftlichkeit