Verbundprojekt DigITecT
Die politische Vorgabe der massiven Ausweitung der erneuerbaren Energiewandlung basierend auf Wind und Sonne hat große Auswirkungen auf zukünftige Kraftwerkskapazitäten aber auch auf den bestehenden Kraftwerkspark, der an die volatile Natur der erneuerbaren Energieträger angepasst werden muss. Neben der im Energieforschungsgesetz angepeilten Energieeffizienz auf der Verbraucherseite können die von der Bundesregierung angestrebten Ziele nur erreicht werden, wenn auch Sektoren wie Verkehr, Haushalt und Industrie stärker elektrifiziert werden, um sie den erneuerbaren Energieträgern zugänglich zu machen. Neben den grundsätzlichen technischen Herausforderungen müssen dabei vor allem auch die Robustheit der Stromversorgung und die Bezahlbarkeit künftiger Strompreise Berücksichtigung finden.
Turbomaschinen bilden das Rückgrat in zahlreichen Speicheranwendungen und Industrieprozessen und werden dabei auch in Prozessen für die Erzeugung synthetischer Brennstoffe eingesetzt.
Aus dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energiewandlungsanlagen lassen sich folgende Schlüsse ziehen:
Der Ausbau der erneuerbaren Energien erfordert zur Sicherung der Netzstabilität zugleich auch eine deutliche Ausweitung von Energie-Speicherkapazitäten. Dies muss in einem Umfang geschehen, der die bislang technisch ausgereiften Speichertechnologien (Pumpspeicher, Batterien) bei weitem übersteigt. Dazu gehört neben mechanischen (LAES; CAES) und thermischen Speichern, in denen ausnahmslos Turbomaschinen für neue Kreisprozesse eingesetzt werden, auch die chemische Power-to-Gas Speicherung, zum Beispiel mit grünem Wasserstoff.
Thermische Kraftwerke müssen durch Bereitstellung von Reserveenergien die Schwankungen der Erneuerbaren abfangen, um „power-on-demand“ zu liefern und das Netz zu stabilisieren. Dies bedeutet, dass die Kraftwerke und deren Turbomaschinen ein Höchstmaß an Betriebsflexibilität besitzen müssen.
Neben der Erzeugung von Strom für alle Sektoren spielt nach wie vor die Erzeugung von Wärme für industrielle Anwendungen sowie für die regionale Versorgung von Fernwärmenetzen eine wichtige Rolle. Durch die Verwendung von GuD- und KWK-Anlagen stehen hierzu Anlagen mit höchsten Wirkungsgraden bzw. Brennstoffausnutzungsraten zur Verfügung.
Der Übergang von der präventiven zur prädiktiven Wartung (predictive maintenance) wird verstärkt den Einsatz hochentwickelter numerischer und materialtechnischer Verfahren fordern, um die Lebensdauer der Kraftwerksturbinen für die erwarteten stark zyklisch geprägten Fahrweisen zuverlässiger vorhersagen zu können. Dazu sind unter anderem digitale Zwillinge zu entwickeln, die parallel zum realen Betrieb betrieben werden und Abweichungen online bewerten können.
MAN Energy Solutions SE
Arbeitspakete
Das Verbundprojekt gliedert sich in vier thematisch übergeordnete Arbeitspakete, in denen die Entwicklung von Turbokomponenten für unterschiedliche Anwendungsbereiche im neuen Energiemix vorangetrieben werden. Das AG Turbo Verbundvorhaben DigITecT greift die genannten Aspekte auf und trägt damit zur Erfüllung der Ziele der 7. Energieforschungsprogramme „Innovationen für die Energiewende“ bei.
AP 1: Digitalisierung interdisziplinärer Auslegungsprozesse
Für die Auslegung und Produkterstellung von Gasturbinen und deren Bauteilen wird eine durchgängige Digitalisierung der Entwicklungs- und Herstellprozesse angestrebt. Daraus leiten sich signifikante Anpassungen in den Abläufen mit einer stärkeren Virtualisierung und weitergehenden Simulationsansätzen über den gesamten Produktentstehungsprozess ab. Interdisziplinäre Simulationen sollen bereits in frühen Projektphasen eingesetzt werden. In dem Arbeitspaket „Digitalisierung interdisziplinärer Auslegungsprozesse“ werden diese Themenfelder adressiert.
AP 2: Speicher und H2-Anwendungen
Das Arbeitspaket „Speicher und H2-Anwendungen“ widmet sich Verdichtern und Expansionskomponenten für Anwendungen in Speicherprozessen für die zukünftige, von Erneuerbaren dominierte Energieinfrastruktur und in Prozessen der synthetischen Erzeugung klimaneutraler Brenngase. Für Turbinen und Expander, die in den Kreisprozessen der thermischen Speicherung eingesetzt werden, steht die Erweiterung der Auslegungssystematik für besondere Gasgemische und Wasserstoff in den Wärme- und Kältekreisläufen im Vordergrund. Unter anderem müssen besondere Maßnahmen zur Abdichtung getroffen werden, um die Ausströmung der Prozessgase in die Umgebung zu verhindern. Radialverdichter der Zukunft werden mit neu zu entwickelnden multidisziplinären Auslegungsverfahren berechnet und konstruiert.
AP 3: Effizientes GT-Design für synthetische Brennstoffe
Zum Erreichen der klimapolitischen Ziele wird der Anteil der Stromproduktion aus erneuerbaren Energien mit hoher Volatilität wie Photovoltaik oder Windenergie weiter steigen. Damit die Versorgungssicherheit gewährleistet wird, müssen Speicher die potentiellen Engpässe ausgleichen. Im geforderten großtechnischen Maßstab kommen hierfür insbesondere chemische Speicher wie Wasserstoff oder andere Kohlenwasserstoffe in Frage, die aus Strom zu Zeiten der Überproduktion synthetisiert wurden. Im Arbeitspaket „Effizientes GT-Design für synthetische Brennstoffe“ wird die dafür notwendige hohe Flexibilisierung der Stromerzeugung durch GT-basierte Kraftwerke adressiert. Dies führt zu einem häufigen schnellen An- und Abfahren von Gasturbinen in Kraftwerken. Für die flexible Anpassung der Energiebereitstellung gewinnen auch kleine Gasturbinen, die nach Bedarf zu- und abgeschaltet werden können, zunehmend an Bedeutung. Die Architektur von kleinen Anlagen unterscheidet sich zum Teil deutlich von großen Maschinen (Radial- vs. Axialverdichter) und generell sind durch die größeren relativen Spalte in kleinen Gasturbinen die geforderten Wirkungsgradziele nur mit höherem Aufwand zu erreichen.
AP 4: Transienter Betrieb und Lebensdauer
Der bisherige Einsatz von Gasturbinenkraftwerken im Grundlastbereich mit bis zu 8.000 Betriebsstunden im Jahr verliert durch den steigenden Anteil von erneuerbaren Energien zunehmend an Bedeutung. Durch die notwendige höhere Flexibilität im Betrieb werden deutlich mehr Zyklen mit transienten An- und Abfahrvorgängen erforderlich. In dem Arbeitspaket „Transienter Betrieb und Lebensdauer“ werden unter anderem der Einfluss auf Spalte und die damit verbunden Verluste im transienten Betrieb untersucht. Die steigende Zyklenzahl begünstigt den Rissfortschritt und forciert damit die Materialermüdung. Dies kann die erreichbare Lebensdauer der Gasturbinenkomponenten erheblich reduzieren. Zum Erreichen möglichst langer Wartungsintervalle und Nutzungszeiten ist eine genauere Kenntnis und Modellierung der Schädigungsvorgänge durch die zyklische Belastung unabdingbar.
Projektstruktur
Zahlen und Fakten
Volumen
15.228 k€
Laufzeit:
01.08.2022 - 31.03.2026
BMWK