Kopplung von luftbetriebenen CSP-Anlagen mit Luft-Brayton-Gasturbinen-Kreisläufen zur Steigerung der Effizienz
Laufzeit: 1.11.2022 - 31.10.2026
Ein Entwurf für eine vielversprechende CSP-Zukunft: Das von der EU finanzierte Projekt ABraytCSPfuture plant die Entwicklung einer Technologie für luftbetriebene konzentrierende Solarkraftwerke (CSP), die mit einem CO2-neutralen Brayton-Kreisprozess, bei dem Strom über Luftdruck-Gasturbinen erzeugt wird, gekoppelt sind. Bisher werden in herkömmlichen Kraftwerken hocheffiziente Luft-Brayton-Kreisprozesse eingesetzt, bei denen fossile Brennstoffe durch Druckluft verbrannt werden.
Das Projekt-Ziel besteht darin, höhere Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität zu erreichen, die für die Wettbewerbsfähigkeit von CSP von entscheidender Bedeutung sind und weder durch Photovoltaik noch durch Salzschmelzen und Thermoöle erreicht werden können.
Keramikstrukturen werden erhitzt
Um das zu erreichen, will das Projekt eine innovative, kompakte Bauweise eines thermochemischen Reaktors/Wärmetauschers demonstrieren, der Wärme von einem drucklosen Luftstrom auf einen unter Druck stehenden Luftstrom überträgt. Dieser wird auch als thermischer Booster fungieren und die Temperatur des unter Druck stehenden Stroms soweit anheben, wie es für den Betrieb der Brayton-Gasturbinenkreisläufe erforderlich ist.
Dieses innovative Design wird aus nicht beweglichen, durchströmten porösen Keramikstrukturen (Waben und Schäume) bestehen. Diese werden aus spezifischen Oxiden hergestellt, die aus kostengünstigen, reichlich vorhandenen und gesundheitlich unbedenklichen Rohstoffen gewonnen werden. Diese Oxide sind Sauerstoffverbindungen, die in ihrer einfachsten Form aus Sauerstoff und einem Metallkation (Me) bestehen, das mehrere Oxidationsstufen hat. Daher können solche Oxide durch chemische Reduktions-Oxidations-Reaktionen (Redoxreaktionen), bei denen Elektronen von den Metallatomen auf die Sauerstoffatome übertragen werden und umgekehrt, reversibel zwischen ihrem oxidierten (höhere Wertigkeit, MeOox) und reduzierten (niedrigere Wertigkeit, MeOred) Zustand wechseln.
Je nach Art des Metalls können diese Reaktionen von erheblichen endothermen (Wärme wird absorbieren) und exothermen (Wärme wird freigesetzt) Wärmeeffekten begleitet sein. Insbesondere setzt die oxidierte Form des Oxids MeOox bei Zufuhr externer Wärme (Q), beispielsweise aus einer konzentrierenden Solarthermieanlage, eine bestimmte Menge Sauerstoff frei und geht gemäß dem untenstehenden allgemeinen Reaktionsschema in den reduzierten Zustand über. Wenn diese Vorwärtsreaktion vollständig reversibel ist, kann die zu ihrer Durchführung zugeführte Wärmeenergie durch die Rückreaktion des reduzierten Oxidzustands mit dem in einem Luftstrom vorhandenen Sauerstoff vollständig zurückgewonnen werden.
MeOox + (Q) MeOred + O2 (g) …
Im Wesentlichen wird die Sonnenwärme im reduzierten Zustand des Oxids gespeichert und bei Bedarf zurückgewonnen, wenn die Sonne nicht zur Verfügung steht. Dieses zweistufige zyklische Schema auf Oxidbasis ist einer von mehreren sogenannten thermochemischen Energiespeicherungsansätzen (TCES), die für die Speicherung von Sonnenwärme untersucht werden.
Darüber hinaus wird die Solarenergiespeicherdichte der CSP-Anlage im Projekt ABraytCSPfuture durch die Verwendung von ähnlich strukturierten, auf Redoxoxiden basierenden porösen Keramiken als Wärmespeichermedium erheblich erhöht. Auf diese Weise werden die derzeitigen rein sensiblen regenerativen Speichersysteme zu hybriden sensiblen thermochemischen Speichersystemen mit demselben Speichervolumen.
Beide Funktionen, der thermische Booster und die thermochemische Wärmespeicherung, werden durch die Nutzung reversibler Reduktions-/Oxidationsreaktionen beim Erhitzen/Abkühlen solcher Oxide in direktem Kontakt mit Luft realisiert.
Der Prozess
Konzentrierte Solarenergie (CSP): Hochtemperatur-Luft-CSP in Kombination mit einem volumetrischen offenen Luftreceiver (OVAR)
Thermochemische Energiespeicherung (TCES): Thermochemischer Doppelbettreaktor mit hoher Energiedichte, der auf Redoxreaktionen basiert
Power Block (Kombikraftwerk): Luft-Brayton/Rankine-Kombikraftwerk, das einen hohen thermischen Wirkungsgrad erreicht
Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen auf der Grundlage von Solarenergie – Beschleunigung des grünen Wandels mit „einer strahlenden CSP-Zukunft“
Schritt 1
Darstellung des Projektkreislaufs mit Hochtemperatur-Luft-CSP in Kombination mit einem volumetrischen offenen Luftreceiver (OVAR), einer thermochemischen Energiespeicherung und dem Luft-Brayton/Rankine-Kombikraftwerk
Bild: 1/2, Credit:
ABraytCSPfuture
Schritt 2
Darstellung des Projektkreislaufs mit Hochtemperatur-Luft-CSP in Kombination mit einem volumetrischen offenen Luftreceiver (OVAR), einer thermochemischen Energiespeicherung und dem Luft-Brayton/Rankine-Kombikraftwerk
Bild: 2/2, Credit:
ABraytCSPfuture
Diese Technologie wird von einer interdisziplinären Partnerschaft entwickelt, die die gesamte CSP-Wertschöpfungskette abdeckt und aus führenden Forschungszentren, Universitäten, innovativen kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) und Großunternehmen, einschließlich Anbietern von Zusatzdiensten und Technologie-Endnutzern, besteht.
