Überkritische CO₂-Kraftkreisläufe zur effizienten Wärmenutzung

Bei der sich weltweit vollziehenden Transformation der Energiesysteme müssen die Weiterentwicklung und der Zubau von disponiblen Erzeugereinheiten sowie von Energiespeichersystemen zur Bewahrung von Versorgungssicherheit und Systemstabilität sowie zur Wärmeversorgung vorangetrieben werden. Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Kohlendioxid oberhalb des kritischen Punktes (31°C, 73,8 bar) ergeben sich Vorteile bei der Anwendung in thermodynamischen Kreisprozessen. Diese Kreisprozesse erzielen höhere Wirkungsgrade sowie eine deutliche Reduktion von Baugröße und Komplexität der Einzelkomponenten. Dadurch wird die effizientere Nutzung von industriellen (Abwärme), geothermischen und solaren Wärmequellen sowie von thermischen Energiespeichersystemen möglich. Bisher nicht wirtschaftlich verwertbare Wärmequellen zeigen somit Potentiale für stabile Energieversorgung. Allerdings existieren einige Herausforderungen und Forschungsbedarf bevor die Kommerzialisierung weiter vorangetrieben werden kann. Beispielsweise sind Turbomaschinen mit überkritischem CO₂ (sCO₂) zwar deutlich kompakter als Wasserdampf-Turbinen, allerdings verbleibt die Temperatur auf einem hohen Niveau und große Wärmemengen müssen intern durch kompakte und kosteneffiziente Wärmeübertrager rekuperiert werden. Weiterhin kommt aufgrund der hohen Energiedichte der aerodynamischen Optimierung der Turbomaschinen eine besondere Bedeutung zu. Darüber hinaus müssen neuartige verbesserte Dichtungs- und Lagerungstechnologien entwickelt bzw. angepasst werden. Die hohe Druckbelastung bei gleichzeitig hohen Prozesstemperaturen stellt gesteigerte Anforderungen an die eingesetzten Konstruktionsmaterialien, welche für diese Anwendung qualifiziert werden müssen. Schließlich existiert aufgrund der Originalität des sCO₂ -Prozesses weltweit kaum Betriebserfahrung bezüglich der Regelung und Instrumentierung in solchen Anlagen.

CARBOSOLA

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 Strömungen und Wärmetransport in sCO₂ durchgeführt werden.

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Entwick­lung kompak­ter sCO₂ Wärme­übertrager

Diffusionsgeschweißte Wärme­übertrager (Printed Circuit Heat Exchanger-PCHE) sind aufgrund der sehr kleinen Kanäle eine kompakte Lö­sung für Rekuperatoren und Kühler im sCO₂ Kraft­kreislauf (hydraulische Durchmesser von bis zu 1 mm) und erreichen gleichzeitig einen extrem hohen Widerstand für die vorherrschende Hochdruckumge­bung.

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Thermische Speicher als Wärmequelle für sCO₂-Prozesse

Das CO₂-basierte elektrothermische Energie- und geologische Speichersystem ist ein Konzept mit hohem Risiko und hohem Nutzen, das darauf abzielt, eine hocheffiziente, kosteneffiziente und skalierbare Energiespeicher­techno­logie zu entwickeln, indem die Integration transkritischer CO₂-Zyklen mit unterirdischer Energiespeiche­rung durch gleichzeitige CO₂-Speiche­rung und geothermische Wärmegewinnung ermöglicht wird.

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ESCO

Das Vorhaben ESCO hat das Ziel Erkenntnisse zur sCO₂ Technologie zu generieren und diese an dem Technologiedemonstrator CARBOSOLA zu validieren. Einzelne neuartige Komponenten, wie beispielsweise die Wärmeübertrager und die Durchflussmesstechnik, werden entwickelt und im Labor untersucht. Weiterhin werden geeignete Werkstoffe unter CO₂ Atmosphäre validiert und techno-ökonomische Analysen für unterschiedliche Gesamtsysteme durchgeführt.

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