ESCO – Design und Betriebsverhalten von Energieanlagen mit überkritischem Kohlendioxid (sCO₂) als Arbeitsfluid

Die übergreifende Zielstellung des Vorhabens ist die grundlegende technische Konzeption von Systemen und Komponenten von sCO₂-Kreisläufen für die Abwärmerückverstromung sowie für thermische Energiespeicher. Das Vorhaben stützt sich dabei auf die im Projekt CARBOSOLA gewonnenen Erkenntnisse der techno-ökonomische Analysen für Gesamtsysteme sowie auf die Nutzung der in CARBOSOLA aufgebauten Versuchsanlagen.

In dem Projekt ESCO arbeiten Partner aus Industrie und Wissenschaft aus unterschiedlichen Disziplinen zusammen, um die folgenden wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele aus drei Themenbereiche zu untersuchen.

Themenbereich 1: Entwicklung neuartiger Komponenten sowie Materialien und Beschichtungen für mit sCO₂ betriebene Energieanlagen

Die wesentlichen Kostentreiber von sCO₂-Anlagen sind die relevanten Hauptkomponenten wie die Wärmeübertrager, Wärmequellen und Turbomaschinen. Daher werden im Projekt kosteneffiziente Komponentendesigns untersucht sowie alternative Materialien erprobt. Dies betrifft ebenfalls die Integration eines thermischen Energiespeichers in den sCO₂-Prozess.

Arbeitsziele:

• Verbesserung der Leistung der kostentreibenden Komponenten durch moderne Fertigungsverfahren (additive Fertigung, Diffusionsschweißen) und neuartige Auslegungsmethoden.
  Involvierte Partner: Kelvion, HZDR
• Integration von thermischen Energiespeichern in sCO₂-Kreisläufen, zur Speicherung und Rückverstromung von Überkapazitäten aus erneuerbaren Energiequellen.
  Involvierte Partner: Keramik-Institut, HZDR
• Bewertung und Validierung neuartiger bzw. geeigneter Materialien und Fluiddichtungen für sCO₂-Anwendungen.
  Involvierte Partner: Siemens Energy, Kelvion, HZDR
• Untersuchung von Komponenten der Fluidförderung in sCO₂ Kreisläufen.
  Involvierte Partner: TU Dresden, Siemens Energy, HZDR

Themenbereich 2: Betrieb, Prozessregelung und Messtechnik

In einem von fluktuierend einspeisenden Energiequellen geprägten Energiesystem sind häufige An- und Abfahrvorgänge sowie Teillastbetrieb besonders relevant. Daher werden Untersuchungen zum dynamischen Betrieb von sCO₂-Anlagen sowohl theoretisch als auch experimentell durchgeführt. Die Entwicklung der hierfür notwendigen Messtechnik ist ebenfalls Teil des Projektes. Die ultraschallbasierte Durchflussmessung wird speziell für die Anwendung bei vorherrschenden hohen Temperaturen und Drücken entwickelt und experimentell qualifiziert. Da im transkritischen Betrieb sowohl Gas- als auch Flüssigkeitsanteile im Prozess auftreten, ist die Entwicklung und experimentelle Verifizierung einer Zweiphasen-CO₂-Messtechnik notwendig.

Arbeitsziele:

• Analyse von effektiven Regelungsmethoden für sCO₂-Kreisläufe sowie deren praktische Erprobung.
  Involvierte Partner: HZDR, Siemens Energy
• Konzipierung, Fertigung und experimentelle Untersuchung von Ultraschall-Durchflussmesstechnik für sCO₂-Systeme.
  Involvierte Partner: Endress+Hauser SICK, HZDR
• Entwicklung moderner Zweiphasen-CO₂-Messtechnik für transkritische CO₂-Kreisläufe, inklusive Elektronikentwicklung und Validierung.
  Involvierte Partner: Teletronic, HZDR

Themenbereich 3: Systemcharakterisierung und techno-ökonomische Analysen für Kreisläufe mit Wärmeabfuhr, mit thermischen Energiespeichern und mit Fluidgemischen

Eine neuartige Systemarchitektur für sCO₂-Wärmekraftmaschine mittels temperaturstabilisierter Wärmeabfuhr bietet das Potential den Kreislaufwirkungsgrad zu erhöhen und ganzjährig einen stabilen Betriebspunkt zu gewährleisten. Basierend auf der Absorptionskältetechnologie, wird ein neuartiges Wärmeabfuhrsystem modelliert und praktisch in einem Kreislauf integriert. Weiterhin werden unterschiedliche Anlagenkonzepte für die elektrothermische Energiespeicherung aus erneuerbaren Energien untersucht, welche einen Elektroerhitzer oder eine sCO₂-basierte Wärmepumpe zur Beladung des Speichers in Betracht ziehen. Schließlich wird der Einfluss von sCO₂-basierten Fluidgemischen oder Verunreinigungen untersucht und mögliche Wirkungsgradsteigerungen identifiziert. Für diese Kreislaufarchitekturen werden techno-ökonomische Bewertungen durchgeführt, um eine Kommerzialisierung dieser Technologie zu fördern.

Arbeitsziele:

• Untersuchung von neuartigen sCO₂-Kreisläufen mit integrierten Absorptionskälteprozess.
  Involvierte Partner: TU Dresden
• Technisch-wirtschaftliche Optimierung der Systemarchitekturen von sCO₂-Kraftkreisläufen mit integrierten thermischen Speichern.
  Involvierte Partner: DLR, HZDR
• Charakterisierung des Systemverhaltens bei sCO₂-basierten Fluidgemischen und Verunreinigung.
  Involvierte Partner: TU Dresden

Projektpartner

Siemens Energy (Koordinator)
Kelvion
KI Keramik-Institut GmbH
Endress+Hauser SICK
Teletronic Rossendorf GmbH
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.
Technische Universität Dresden

Förderung

Design und Betriebsverhalten von Energieanlagen mit überkritischem Kohlenstoffdioxid (sCO₂) als Arbeitsfluid - ESCO (BMWK, 03EE5157H). Die Verantwortung für den Inhalt liegt beim Autor.