Aufbau einer Versuchsanlage mit superkritischen Kohlenstoffdioxid (sCO2) als Arbeitsmedium in Kraftkreisläufen


Aufbau einer Versuchsanlage mit superkritischen Kohlenstoffdioxid (sCO2) als Arbeitsmedium in Kraftkreisläufen

Unger, S.; Fogel, S.; Rath, S.; Gampe, U.; Hampel, U.

Der Großteil elektrischer Energieerzeugung erfolgt durch thermische Kraftkreisläufe, welche durch eine Wärmequelle versorgt werden. Hierbei werden zwei Typen kommerzieller Anlagen betrieben, der offene direkt befeuerte 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 superkritischen Kohlenstoffdioxid (sCO2) als Arbeitsmedium. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass sCO2 Kreisläufe das Potential haben, höhere Wirkungsgrade zu erreichen, einen niedrigeren Brennstoff- und Wasserverbrauch zu erzielen (Subbaraman et al., 2011; Kacludis et al., 2012; Shelton et al., 2016). SCO2 kombiniert den Vorteil der hohen Dichte von Flüssigkeiten und die niedrige Viskosität von Gasen, sodass geringere Komponentengrößen, kleinere Footprints der Gesamtanlage und damit niedrigere Kapitalkosten möglich sind.
Bei der Prozessführung wird zwischen dem offenen und dem geschlossenen sCO2 Brayton-Kreislauf unterschieden. Bei einem geschlossenen Kreislauf wird sCO2 nahe des kritischen Punktes (ca. 31 °C und 74 bar) verdichtet, in einem Rekuperator vorgewärmt, in einem Erhitzer durch die Wärmequelle aufgeheizt, in einer Expansionsturbine entspannt, durch den Rekuperator auf der Gegenseite geführt und anschließend bis nahe des kritischen Punktes zurückgekühlt, um den Kreislauf erneut zu beginnen. Dieser Prozess kann für unterschiedlichste Wärmequellen, wie fossile Kraftstoffe, Kernenergie, industrielle Abwärme, Geothermie oder Solarstrahlung eingesetzt werden. Der offene Kreislauf adressiert dagegen höhere Temperaturen und wird üblicherweise für eine Sauerstoffverbrennung untersucht. Dabei wird ein Sauerstoff-Methan-Gemisch bei hohen Druck und hoher Temperatur verbrannt. Das Rauchgas wird dann, vermischt mit großen Mengen sCO2, in einer Turbine entspannt. Das sCO2-Wasserdampf-Gemisch wird ebenfalls in einem Rekuperator genutzt, um anschließend Wasser sowie kleine Mengen CO2 mittels Kondensation sowie Abtrennung aus dem Kreislauf zu entfernen. Der verbleibende sCO2-Strom wird erneut dem Verbrennungsprozess zugeführt. Dieser offene Kreislauf ist besonders attraktiv, um Erdgas, synthetisch erzeugte Gase oder vergaste Kohle zu nutzen. Verglichen mit dem geschlossenen Kreislauf können hier noch höhere Wirkungsgrade und Leistungsdichten erreicht werden.
Um diese Kraftwerkskonzepte sowie die dafür notwendigen Komponenten auf einer experimentellen Basis untersuchen zu können, wurde das Projekt CARBOSOLA in Zusammenarbeit mit der TU Dresden, dem DLR und der Siemens Energy AG initiiert. Inhalt dieses Projektes ist unter anderem der Aufbau einer Versuchsanlage am HZDR, zur Untersuchung von sCO2 bei bis zu 650 °C, bei gleichzeitig 300 bar und einem Massenstrom bis zu 3,3 kg/s. Die damit verbundenen Herausforderungen und Lösungen werden erläutert.

Keywords: superkritischen Kohlenstoffdioxid; Energieumwandlung; hohe Wirkungsgrade; CARBOSOLA

  • Lecture (Conference)
    53. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, 05.-06.10.2021, Dresden, Deutschland
  • Contribution to proceedings
    53. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, 05.-06.10.2021, Dresden, Deutschland
    Proceedings des 53. Kraftwerkstechnisches Kolloquium

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-32751
Publ.-Id: 32751