Besserer Wirkungsgrad
In Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium haben die Sandia National Laboratories (SNL) in Albuquerque, New Mexico, eine Technologie zur Kommerzialisierung von überkritischem Kohlendioxid (s-CO2) entwickelt. Bis Ende 2019 wollen SNL ein voll funktionsfähiges Demonstrationsystem namens s-CO2 Brayton Power Conversion System (550?C, 10 MWe) erstellen, das die systematische Identifizierung und Stilllegung von technischen Risiken und Tests von Komponenten für die kommerzielle Anwendung dieser Technologie ermöglicht.
Kraftwerk Schkopau bei Leuna – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify
Was ist überkritisches CO2?
Überkritisches CO2 ist ein flüssiger Zustand von Kohlendioxid, in dem es über seinem kritischen Punkt (d.h. kritischem Druck und Temperatur) gehalten wird. Die Dichte an dieser Stelle ist vergleichbar mit der einer Flüssigkeit und ermöglicht es, die in einem Kompressor benötigte Pumpleistung deutlich zu reduzieren und damit den Wirkungsgrad der thermischen in elektrische Energieumwandlung deutlich zu erhöhen. SNL erforschen die neuartige thermisch-elektrische Energieumwandlungstechnologie in einer Konfiguration, die als recompression closed Brayton cycle (RCBC – geschlossener Brayton-Kreislauf) bezeichnet wird, der s-CO2 als Arbeitsflüssigkeit anstelle von Dampf verwendet, wodurch die Umwandlungseffizienz im Vergleich zu Rankine-Systemen dramatisch erhöht wird. (siehe: solarify.eu/ueberkritisches-co2)
Weniger Wärme – mehr Strom
Der Hauptgrund für den verbesserten Wirkungsgrad der Energieumwandlung liegt laut SNL darin, dass die Verwendung von s-CO2 als Arbeitsmedium in einem Brayton-Zyklus weniger Aufwand erfordert, um einen bestimmten Wärmeeintrag in Strom umzuwandeln. Im Allgemeinen bedeutet ein erhöhter Wirkungsgrad eine höhere Leistung bei gleichem Wärmeeintrag, unabhängig von der Wärmequelle (Erdgas, Kernenergie, Solar oder Kohle). Wenn die Brennstoffkosten einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten ausmachen (kohle- und erdgasbefeuerte Anlagen), ist der Vorteil die Senkung der Brennstoffkosten. Bei hohen Investitionen (Kernenergie und konzentrierende Solarenergie) ist der Nutzen die Erhöhung des Ertrages für die Erstinvestition.
Zu den laufenden Aktivitäten zur Unterstützung dieser Mission gehören:
- Nachweis der Lebensfähigkeit vorhandener Komponenten (Lager und Gasdichtungen) und Materialeignung
- Anpassung an viele Betriebsparameter und Anwendungen
- Integration und Skalierung bestehender Technologien in eine neue Anwendung
- Entwicklung robuster Betriebsverfahren für den Betrieb an kritischen Punkten
Vorteile
Die s-CO2-Technologie bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber konkurrierenden Zyklen:
- Geringere Größe im Vergleich zum Dampfsystem (geringere Investitionskosten)
- Erhöhte Effizienz (dadurch erhöhte Stromproduktion bei gleichem Wärmeeintrag)
- Umweltverbesserung durch Reduktion von Treibhausgasen
- Erhebliche Verringerung des Wasserverbrauchs
- Trockene Kühlung, geeignet für trockene Umgebungen
Solarbetriebener überkritischer s-CO2-Kreislauf
Solarthermische (CSP)-Anlagen haben zwei Hauptziele: Steigerung der Effizienz bei der Umwandlung von solarthermischer Energie in Strom und Reduzierung des Wasserbedarfs für die Erzeugung und Kühlung.
Sandias CSP-Team, unterstützt vom Nuclear Energy Systems Laboratory (NESL), untersucht Strategien für einen trockengekühlten s-CO2-Brayton-Zyklus, um diese Ziele zu erreichen; eine große Herausforderung ist dabei die Übertragung der CSP-Wärme (sehr hohe Temperaturen) auf den Brayton-Leistungskreislauf.
Im Juli 2015 wurde ein kontinuierlich umlaufender Fallstrombehälter in die Turmspitze der National Solar Thermal Test Facility (NSTTF, s.: solarify.eu/national-solar-thermal-test-facility-nsttf) installiert. Der von Sandia entwickelte Fallpartikel-Empfänger lässt sandförmige Keramikpartikel durch den konzentrierten Sonnenlichtstrahl der NSTTF fallen und speichert die erwärmten Partikel in einem isolierten Tank. Die Technologie kann im Gegensatz zu herkömmlichen Salzschmelzsystemen Wärme bei hohen Temperaturen aufnehmen und speichern, ohne sie zu zerstören. Höhere Temperaturen bedeuten mehr verfügbare Energie und günstigere Speicherkosten, da weniger Material für die Wärmeübertragung benötigt wird.
Fossile Energie
Zur Unterstützung fossiler Energieanwendungen kann eine funktionsfähige RCBC
- eine bestehende Rankine-Kraftwerksstromerzeugung durch die Nutzung von Abwärmeenergie ergänzen , ohne den ursprünglichen Kraftwerksblock zu beeinträchtigen;
- den Wirkungsgrad dampferzeugender Rankine-Kreisläufe in Kohlekraftwerken, Müllverbrennungsanlagen und Erdgasanlagen um 50 Prozent verbessern;
- wenn in ein Gas- und Dampfturbinenkraftwerk einbezogen, kann der kombinierte Wirkungsgrad bei reduzierten Gesamtkapitalkosten bei mehr als 60 Prozent liegen.
Zukünftige Anwendungen
s-CO2-Leistungszyklen sind potenziell für viele Stromerzeugungsanwendungen einsetzbar: Kernenergie, konzentrierte Solarthermie, Kessel für fossile Brennstoffe, Geothermie und Schiffsantriebe wurden alle als günstige Anwendungen für s-CO2-Kreisläufe identifiziert und würden bisher übliche Dampf-Rankine-Kreisläufe ersetzen.
Industrielle Zusammenarbeit
s-CO2-Leistungszyklen können laut SNL für den großen dezentralen Energiemarkt modifiziert werden: „Tatsächlich arbeiten Sandia und acht weitere Unternehmen und Forschungseinrichtungen zusammen, um ein verteiltes Energiesystem zu entwickeln, das sauberer und effizienter Strom erzeugen kann. Diese Zusammenarbeit wurde in einem Memorandum of Understanding (MOU) formalisiert. Organisationen, die das Memorandum mit Sandia unterzeichnen, sind Peregrine Turbine Technologies und seine Tochtergesellschaft PTT Distributed Energy Systems aus Wiscasset, Maine; Vacuum Process Engineering aus Sacramento, Kalifornien; Mid-South Engineering aus Hot Springs, Arkansas; und vier Partner aus Huntsville, Alabama, CFD Research Corp, dem U.S. Space & Rocket Center im Marshall Space Flight Center der NASA, der Government Energy Solutions Inc. und der Energy Huntsville Initiative.“
->Quellen: