CARBOSOLA

Kommerzielle Anlagen zur elektrischen Energieerzeugung nutzen den offenen direkt befeuerten Brayton oder Joule-Kreislauf (bsp. Gasturbinenkreisläufe) und der geschlossene indirekt befeuerte Rankine-Kreislauf (Dampfkreislauf). Neben diesen konventionellen Kraftkreisläufen existiert seit einigen Jahren, basierend auf den Brayton-Kreislauf, ein innovatives Konzept mit überkritischem Kohlenstoffdioxid (sCO₂) als Arbeitsmedium. Hierbei kombiniert sCO₂ die Vorteile niedriger Viskosität mit hohen Dichten, wodurch kompakte Komponenten sowie geringe Footprints der Kraftwerksanlagen möglich sind. Zudem haben zahlreiche Studien gezeigt, dass sCO₂ Kreisläufe das Potential haben, höhere Wirkungsgrade als konventionelle Energieumwandlungsanlagen zu erreichen.
Im Rahmen des Vorhabens wird eine entsprechende Versuchsanlage mit superkritischem Kohlendioxid als Arbeitsfluid entwickelt und am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf errichtet. Dabei können Temperaturen von bis zu 520 °C und gleichzeitig 300 bar bei einem Massenstrom von 1,32 kg/s erreicht werden.

Durch die Entwicklung, den Aufbau und den Betrieb dieser Versuchsanlage sollen Komponenten getestet sowie generische Experimente zur Gewinnung von Daten für die Modellierung und Simulation von Strömung und Wärmetransport in sCO₂ durchgeführt werden. Die anspruchsvollen Prozessparameter versprechen wertvolle Erkenntnisgewinne in einem breit gefächerten Themenbereich. Offene Fragen ergeben sich zum Beispiel im Zusammenhang mit den hohen Temperaturen von >500°C im Materialverhalten sowie der strukturellen und fluidtechnischen Integrität und Gestaltung der Einzelkomponenten. Verbunden mit den zuvor beschriebenen, stark variierenden Fluideigenschaften nahe des kritischen Punkts, sind hierbei das Teillastverhalten des Verdichters, die Thermofluiddynamik in den Wärmeübertragern, Strömungs- und Kondensationsphänomene nahkritischer Betriebspunkte sowie das Komponenten- und Prozessverhalten bei Stoffgemischen bzw. Verunreinigungen von Interesse. Weiterhin gilt es auch, Einzelbauteile auf die Eignung mit sCO₂ zu erproben und ggf. weiterzuentwickeln. Dies gilt insbesondere für Lösungen zur dynamischen Dichtung und Lagerung von Turbomaschinen, als auch hinsichtlich der Eignung verfügbarer Mess- und Sicherheitstechnik zur Anwendung mit sCO₂. Ergänzend dazu sind prozessseitige Untersuchungen verschiedener An- und Abfahrprozesse sowie der Betrieb bei unterschiedlichen Lastkurven. Die Errichtung und der Betrieb dieser leistungsfähigen Versuchsumgebung trägt damit wesentlich zur Kommerzialisierung und Optimierung der sCO₂-Kraftwerkstechnologie als Bestandteil zukunftsfähiger Energiesysteme bei.

Publikationen

• Unger, S.; Müller, J.; Bangalore Mohankumar, M.; Rath, S.; Hampel, U.
  Numerical dimensioning of a pre-cooler for sCO₂ power cycles to utilize industrial waste heat
  Energies 14(24), 8278, (2021) DOI: 10.3390/en14248278

Förderung

Superkritisches Kohlendioxid (sCO2) als alternatives Arbeitsfluid für Nachschaltprozesse und solar-thermische Anwendungen - CARBOSOLA (BMWi, 03EE5001D). Die Verantwortung für den Inhalt liegt beim Autor.