Joule/Brayton-Prozess basierte Systeme zur flexiblen Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung
JouleFlex
Mikrogasturbine (MGT): Prüfstand im DLR-Institut für Verbrennungstechnik
Der Prüfstand besteht im Kern aus einer Mikrogasturbine, einem Hochtemperaturluftvorwärmer und verschiedenen Mischungssträngen. Mit ihm werden unterschiedliche Konzepte zur dezentralen Energieerzeugung untersucht. Von der ein Kilowatt Mikrogasturbine (MGT) im Gasturbinenprozes „Inverted Brayton Cycle“ bis hin zum hocheffizienten Hybridkraftwerk.
Induktiv beheizte Wabe am Prüfstand des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik
Der Versuchsteststand dient der Entwicklung neuer Power-to-Heat Technologien auf Basis des Induktionserwärmungsverfahrens. Im Rahmen des beschriebenen Projekts wird hier ein 1000 Grad Celsius Induktionsheizer aufgebaut und im Hochtemperaturbetrieb untersucht.
Die Energieversorgung wird zunehmend aus erneuerbaren Quellen bezogen. Daher wird es immer wichtiger, Strom so flexibel bereitzustellen, dass er immer genau dann verfügbar ist, wenn er gebraucht wird. Im Wärmesektor ist ein entsprechender Umbau angestrebt. Damit geht ein Rückbau fossiler Kraft-Wärme-Kopplungs-Kraftwerke/Technologien einher, der effiziente Lösungen zur Erzeugung Erneuerbarer Wärme notwendig macht.
Für den anstehenden Umstieg auf Wärme, die mittels erneuerbarer Energien erzeugt wird, sind daher effiziente und betriebsflexible Lösungen so genannte Power-to-Heat Technologien sowie alternative Brennstoffe in zentralen und dezentralen Anwendungen notwendig.
Strom-Wärme-Strom-Systeme eröffnen hierzu sektorübergreifend große Potentiale, die geforderten Anforderungen zu erfüllen, insbesondere durch hohe betriebliche Flexibilität ein bedarfsgerechtes Energiemanagement zu gewährleisten und somit die Energiewende erfolgreich zu unterstützen. Als Speichersystem ermöglichen sie die bedarfsgerechte Bereitstellung sowohl von elektrischer als auch von thermischer Energie (Wärme).
Zwei hierfür favorisierte Technologien unterschiedlicher Leistungsklassen basieren auf
Mikrogasturbinen mit einem systemisch integrierten und elektrisch beheizten Feststoff-Wärmespeicher sowie
Die Mikrogasturbine mit integriertem elektrisch beheiztem Feststoff-Wärmespeicher eröffnet durch ihren dezentralen Ansatz und brennstoffflexible Verbrennungssysteme große Marktpotentiale für gewerbliche Kraft-Wärme-Kopplung-Anwendungen sowie Anwendungen in Wohnquartieren.
Großmaßstäbliche Brayton-Prozess basierte Carnotbatterien wiederum bieten durch ihre kraftwerkstypische Größe eine höhere Flexibilität und Effizienz für Industrieanwendungen und Netzstabilität. Carnotbatterien sind Energiespeicher, die Strom in Form thermischer Energie speichern. Während des Ladevorgangs wird Strom in Wärme umgewandelt und im Wärmespeicher gespeichert, bei der Entladung wird die gespeicherte Wärme wieder in Elektrizität umgewandelt.
Eine erfolgreiche Weiterentwicklung dieser beiden Technologien hin zur experimentellen Erprobung und Untersuchung der Systemdynamik sind daher Kerninhalte des Projekts JouleFlex. Für die speichergestützte Mikrogasturbine umfasst dies die Entwicklung einer lastflexiblen Brennkammer, einer induktiven Hochtemperatur-Elektroheizung für den Feststoffspeicher sowie eine ganzheitliche, experimentelle Erprobung via virtueller Kopplung der Teilsysteme. Für die Brayton-Batterie umfassen die Arbeiten die Untersuchung der dynamischen Aspekte für Komponenten und Systeme zur Bewertung des Einsatzpotentials insbesondere für verschiedene Zielmärkte der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung.
Zentrale Forschungs- und Entwicklungsaufgaben
Entwicklung einer Brennkammer mit variabler Blendengeometrie (integrierter Hochtemperatur-Ventilmechanismus zur lastunabhängigen dynamischen Anpassung des Brennstoff/Luftverhältnisses im Brennraum für geringe Schadstoffemissionen über einen weiten Betriebsbereich) zur signifikanten Reduktion der Abgasemissionen über den gesamten Lastbereich einer Mikrogasturbine und Vorwärmbereich des Hochtemperatur-Wärmespeichers
Entwicklung einer Induktionsheizung für Betriebstemperaturen von über 1000 Grad Celsius mit hohem Strom-zu-Wärme-Wirkungsgrad
Ausarbeitung von kompakten Hochtemperatur-Feststoffwärmespeichern für dezentrale Anwendungen mit geringen Wärmeverlusten
Prozesssimulationen zur Untersuchung der erfolgversprechendsten Integrationsart von Hochtemperatur-Wärmespeichern in Mikrogasturbinen und deren Betriebsweise
Aufbau und Betrieb von aufeinander abgestimmten Mikrogasturbinen- und induktiv beheizten Hochtemperaturspeicherprüfständen zur Demonstration des virtuell gekoppelten Betriebs
Entwicklung dynamischer Systemmodelle für Brayton-Prozess basierte Carnotbatterien für Anwendungen im Megawattstunde/Gigawattstunde-Maßstab
Identifikation von Systemkonfigurationen und Betriebsstrategien zur Bewertung des Einsatzpotentials von Carnotbatterien für verschiedene Zielmärkte der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung.
Projekt JouleFlex – Joule/Bryton-Prozess basierte Systeme zur flexiblen Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung
