Verbundprojekt RoBoFlex
Der stetig größer werdende Anteil an erneuerbaren Energien im Stromnetz hat Rückwirkungen auf das historisch gewachsene Netz. Die ursprünglich für recht konstanten Betrieb ausgelegten Turbomaschinen müssen heute im Verbund mit Erneuerbaren Energien neue Fahrweisen bewerkstelligen. So erhöht sich nicht nur die Anzahl der Start und Stopp Zyklen für vorhandene Kraftwerke. Insbesondere werden die Turbinen auch immer stärker im Off-Design betrieben. Zusätzlich werden schnellere Anfahrvorgänge nötig, um die Verfügbarkeit der volatilen erneuerbaren Energien auszugleichen. Da durch die hohe Volatilität die Energie aus erneuerbaren Quellen in erheblichem Umfang zwischengespeichert werden muss, bieten sich synthetische Brennstoffe (Power-to-X) als sichere und zuverlässige Speicher an, die auch im großtechnischen Maßstab realisierbar sind.
Das Spektrum der eingesetzten Brennstoffe wird sich somit in Zukunft verändern weg von fossilem Erdgas und hin zu Biogas, Wasserstoff und synthetischen Brennstoffen aus Power-to-X und variiert ggf. während des Betriebs. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird eine erhöhte Flexibilität der Turbomaschinen benötigt. Die geforderte Flexibilität geht dabei aber bei den heutigen Turbomaschinen einher mit höherem Verschleiß, großen Wirkungsgradeinbußen im Teillastbereich und einer verkürzten Lebensdauer.
Durch die Teilforschungsvorhaben sollen die Turbomaschinen für die Energiewende ertüchtigt werden, denn „Gaskraftwerke haben ein hohes Flexibilitätspotenzial und können dazu beitragen, die fluktuierende Erzeugung aus Erneuerbare-Energie-Anlagen auszugleichen“ und „Insbesondere für Gaskraftwerke sind Brennstoff- und Lastflexibilität daher wichtige Forschungsziele, um Systemdienstleistungen erbringen zu können.“
Arbeitspakete
Im AP 1 „Turbinenbetrieb im Verbund mit Erneuerbaren“ und im AP 2 „Brennstoffflexibilität und Emissionsreduzierung“ liegt der Schwerpunkt der Projekte in der Auswirkung der Flexibilität sowohl auf den Betrieb als auch im Bezug der eingesetzten Brennstoffe auf die Auslegung von Gasturbinen.
AP 1: Turbinenbetrieb im Verbund mit Erneuerbaren
Dieses Arbeitspaket beschäftigt sich u.a. mit Untersuchungen zur Steigerung des Teillastwirkungsgrads und dem Schwingungs- sowie dem dynamischen Verhalten von Turbinenbauteilen im Teillastbetrieb.
AP 2: Brennstoffflexibilität und Emissionsreduzierung
Die Untersuchung und Beschreibung der Auswirkungen von wechselnder Brennstoffzusammensetzung auf die Flammenstabilität, die Emissionsminderung bei Teillastbetrieb und die Herausforderungen an die Brennkammerkühlung sind wesentliche Projektziele.
AP 3: Lebensdauer bei stark fluktuierendem Betrieb
Es wird die Auswirkung von Last- und damit Temperaturgradienten in den Maschinen bei einer deutlich höheren Anzahl von An- und Abfahrvorgängen untersucht mit dem Ziel, die Lebensdauer und damit die Verfügbarkeit der Turbinen im erweiterten Lastfolgebetrieb zu erhöhen. Für eine genauere Lebensdauervorhersage ist es notwendig, mit Hilfe von Modellen das Berstverhalten von 4 Turbinenscheiben unter zyklischer Belastung oder den Einfluss von Materialeinschlüssen bzw. Poren besser zu verstehen. Daraus können dann gezielt konstruktive Veränderungen im Turbinendesign abgeleitet werden, die zu einem verminderten Lebensdauerverbrauch auch bei hochgradig lastflexiblem Turbinenbetrieb führen.
AP 4 „Simulationsverfahren und multidisziplinäre Optimierung“
Das Arbeitspaket umfasst die Weiterentwicklung von umfangreichen numerischen Verfahren zur wechselseitigen Simulation von aerodynamischen, thermischen und mechanischen Phänomenen mit dem Ziel der Schaffung einer durchgängigeren Digitalisierung, um die Entwicklung der Bauteile sowie die Bewertung kritischer Zustände zuverlässig im Vorfeld begleiten zu können. Schlussendlich ist Ziel dieser Untersuchungen die integrale Beschreibung und Simulation einer kompletten Turbine und ihrer Einzelkomponenten in Bezug auf das Bauteilverhalten im flexiblen Betrieb.
Projektstruktur
Zahlen und Fakten
Volumen
14.674 k€
Laufzeit
01.07.2019 - 31.12.2023