Verbundprojekt TurboHyTec
Turbomaschinen sind die zentralen Elemente in zahlreichen Energiespeicheranwendungen und Industrieprozessen und werden auch in Prozessen für die Erzeugung synthetischer grüner Brennstoffe eingesetzt. Dies betrifft insbesondere Prozessverdichter und –expander für die dazugehörigen Kreisprozesse. Diese werden in Zukunft in neuen thermodynamischen Kreisläufen eingesetzt und müssen mit alternativen Arbeitsmedien wie zum Beispiel Wasserstoff betreibbar sein. Insbesondere für Wasserstoff sind für die Speicherung und Verteilung, zum Beispiel in Pipeline-Netzwerken, geeignete Verdichtungs- und Expansionsaggregate zu entwickeln, wenn in Zukunft aus Überschussanteilen der erneuerbaren Energiebereitstellung erzeugter Wasserstoff als Speichermedium für die grüne Elektrifizierung aller Sektoren an Bedeutung gewinnen soll.
Klassische thermische Kraftwerke werden auch zukünftig unverzichtbar sein, um Schwankungen der volatilen Energieträger Sonne und Wind auszugleichen. Neben der Betriebs- und Brennstoffflexibilität werden in diesem Bereich nach wie vor höchste Wirkungsgrade der Anlagen und ihrer Komponenten gefordert, um dem hohen Preis der Stromrückgewinnung aus regenerativ erzeugten Brennstoffen gerecht zu werden.
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 Energiespeicher-Kapazitäten. 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 vor allem 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 wird. Die von der AG Turbo durchgeführten Arbeitspakete des Verbundvorhabens TurboHyTec greifen die genannten Aspekte auf und tragen damit zur Erfüllung der Ziele des 7. Energieforschungsprogramms „Innovationen für die Energiewende“ bei.
AP 1: Wasserstoff-Anwendungen
Für die Realisierung einer Wasserstoff-Energieinfrastruktur werden im Arbeitspaket „Wasserstoff-Anwendungen“ sowohl Verdichter für den Wasserstoff-Transport als auch Gasturbinen für die Wasserstoff-Rückverstromung betrachtet. Dabei stehen vor allem innovative Fertigungsverfahren und die Anwendung neuartiger Werkstoffe im Vordergrund. Zudem werden Themen bearbeitet, welche die Verbrennung in einer Gasturbine bei einem Einsatz von Wasserstoff optimieren.
AP 2: Energiespeicher
Neben Wasserstoff bilden „Energiespeicher“ das zweite große zentrale Element für eine Realisierung der Energiewende. Deswegen werden in diesem zweiten Arbeitspaket Verdichter-Komponenten für den Einsatz als Wärmepumpen und Expansionsturbinen als Bestandteile von Energiespeichersystemen erarbeitet.
AP 3: Flexibilisierung
Neben einer nachhaltigen Stromversorgung ist die Bereitstellung von grüner Wärme für die Industrie essentiell. Um bestehende Wärmeversorgungsanlagen und neuartige Wärmeenergie-Speicheranlagen an den zukünftigen flexiblen Betrieb anpassen zu können, der bei der Interaktion mit erneuerbarer Energiebereitstellung zwangsläufig entsteht, werden im Arbeitspaket „Flexibilisierung“ derartige Aufgabenstellungen an Verdichtern und Turbinen durchgeführt. Das Themenfeld Flexibilisierung ist in vorangegangenen AG Turbo Programmen schon intensiv bearbeitet worden, allerdings war der Fokus bislang maßgeblich die Stromerzeugung. Mit der Wärmeversorgung kommt jetzt ein neuer Schwerpunkt dazu.
AP 4: Digitalisierung
Für die Auslegung, die Produkterstellung und den Betrieb von Turbomaschinen und deren Bauteilen wird eine durchgängige Digitalisierung angestrebt. Daraus leiten sich Anpassungen in den Abläufen mit einer stärkeren Virtualisierung und weitergehenden Simulationsansätzen über den gesamten Produktentstehungsprozess und den Betrieb der Anlagen ab. Interdisziplinäre Simulationen sollen bereits in frühen Projektphasen eingesetzt werden. In dem Arbeitspaket „Digitalisierung“ werden diese Themenfelder adressiert.
Projektstruktur
Volumen
13.810 k€
Laufzeit
01.09.2023 - 31.03.2027
BMWK