Dynamische Modellierung und Regelung von überkritischen CO₂-Kraftwerksprozessen

Die Art und Weise, wie Energie nachgefragt und bereitgestellt wird, unterliegt derzeit einem tiefgreifenden Wandel. Der Wechsel von fossilen Brennstoffen, die auf Abruf verbraucht werden können, zu erneuerbaren Energiequellen, die nur zu bestimmten Zeiten und für einen begrenzten Zeitraum verfügbar sind, ist unumgänglich.

Um diese Quellen nutzen zu können, müssen Methoden zur Bewältigung ihrer variablen Verfügbarkeit gefunden werden. Dies erfordert zunächst die Entwicklung von Speichertechnologien. Des weiteren muss die gespeicherte Energie bei Bedarf in Strom umgewandelt werden können. Zu diesem Zweck können überkritische CO₂ (sCO₂) Kraftwerksprozesse eingesetzt werden, die hochkomprimiertes CO₂ als Wärmeträgermedium verwenden. Die Anlagen dieser Prozesse zeichnen sich durch einen kompakten Aufbau aus, der eine Installation an einer Vielzahl von Standorten ermöglicht, und sie sind hocheffizient. Da die Anlagen oberhalb der kritischen Temperatur von CO₂ bei 31 °C betrieben werden, kann jede erneuerbare Wärmequelle – einschließlich gespeicherter Energie – genutzt werden, die diese Temperatur überschreitet.

Übersicht eines sCO₂-Kreislaufs mit variabler Leistungsabgabe und verschiedenen erneuerbaren Energiequellen.

Das Ziel besteht darin, diese Systeme entsprechend dem Strombedarf zu betreiben. In Fällen, in denen keine erneuerbaren Energiequellen verfügbar sind, wird gespeicherte Energie ausgespeichert, wobei der sCO₂-Prozess die Energie umwandelt. Der Prozess wird hingegen angehalten, wenn erneuerbare Energie verfügbar ist. Dies bedeutet, dass das System in der Lage sein muss, schnell zu starten und abzuschalten sowie in sogenannten Off-Designfällen zu arbeiten und dabei gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten.

Um dies zu erreichen, wird in MATLAB Simulink ein dynamisches Modell eines sCO₂-Joule-Kreisprozess erstellt, um verschiedene Betriebsstrategien zu untersuchen. Das System besteht aus drei Wärmetauschern (Heizung, Kühler, Rekuperator) sowie einer Turbine und einem Kompressor. Zur Validierung des Modells wird die institutseigene experimentelle sCO₂-Anlage CARBOSOLA verwendet.

Beispiel eines Regelmechanismus mit Bypass und Inventory mass control für den dynamischen Betrieb.	Modell eines Discretised Printed Circuit Heat Exchanger, der typischerweise für sCO₂-Anwendungen verwendet wird.