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05 | 2019

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EnergieForum Bild 3

EnergieForum Bild 3 Nutzungsmöglichkeiten von Flüssigsalzspeichern mit den drei Teilsystemen: 1. Leistungseinkopplung, 2. Wärmespeicherung, 3. Leistungsauskopplung; beispielsweise in einem Wärmespeicherkraftwerk. Anpassung an neue Anwendungen in Deutschland forscht das DLR an der weltweit einzigartigen Testanlage für Wärmespeicherung in Salzschmelzen. Forschungsschwerpunkte im Bereich der Flüssigsalztechnologie sind die Erweiterung des Temperaturarbeitsbereichs und die weitere Senkung der Kapitalkosten. Diese Aspekte sind für einen breiteren Einsatz der Technologie unerlässlich. Die Testanlage Tesis besteht aus zwei Teilanlagen, die völlig unabhängig voneinander betrieben werden können (Bild 2). Ziel der Teilanlage „Tesis:store“ ist es, den üblichen Aufbau mit zwei Tanks durch einen Tank mit einer Temperaturschichtung mit kostengünstigen Füllstoffen wie Gestein zu ersetzen. Durch den Einsatz von nur einem Tank und die Reduktion des Salzvolumens durch den Einsatz von kostengünstigen Füllstoffen besteht das Potenzial, die Kapital - kosten im zweistelligen Prozentbereich zu senken. „Tesis:com“ dient der Qualifizierung von Flüssigsalzkomponenten und zur Klärung von verfahrenstechnischen Fragen. Mit der Anlage können Flüssigsalzkomponenten in einer Halle flexibel einund umgerüstet sowie flexible Testprogramme hinsichtlich Temperaturen und Massenströmen voll automatisiert durchgeführt werden. Zweck der Teilanlage ist es, Flüssigsalzkomponenten zu qualifizieren und zu verbessern. Beispiele sind Ventile, elektrische Heizungen, Dichtungen und Messtechnik. Weiterhin sind verfahrenstechnische Fragen wie Einfrier- und Überhitzungsvorgänge bei Flüssigsalz ein Untersuchungsgegenstand. Mit dem derzeitig laufenden Forschungsbetrieb der ersten Freiflächen - anlage mit rund 100 t Salzschmelze in Köln ist der Nachweis der Genehmigungsfähigkeit der Flüssigsalz-Technologie in Deutschland bereits erbracht. Nutzungsmöglichkeiten von Flüssigsalzspeichern Insbesondere die Bereiche Prozesswärme und Kraftwerkstechnik bieten Potenziale, die Technologie in Deutschland einzusetzen. Bei der Entladung eigenen sich Flüssigsalzspeicher insbesondere zur Versorgung von Dampfturbinen bis zu einer Temperatur von 560 °C. Zukünftige Einsatzmöglichkeiten ergeben sich somit in allen Bereichen mit Dampfturbinentechnologie wie zum Beispiel zentrale KWK-Anlagen, Kohlekraftwerken und GuD-Kraftwerken. Für die Beladung des Flüssigsalzspeichers können verschiedenste Quellen wie elektrische Energie, überhitzter Dampf, Abwärme, Gasfeuerung oder konzentrierte Solarwärme genutzt werden. Eine Kombination von verschiedenen Energiequellen zur Beladung ist hierbei ebenfalls möglich. Komponenten für den elektrischen Energieeintrag (Power-to-Heat) in Flüssigsalzspeicher sind kommerziell im Megawattmaßstab prinzipiell verfügbar. Somit besteht das Potenzial für sogenannte Strom-Wärme-Strom-Speicher, die auch Wärmespeicherkraftwerke oder Carnot- Batterien [1; 2] genannt werden. Es besteht das Potenzial, den Wirkungsgrad dieser Speicherkraftwerke durch Hochtemperatur-Wärmepumpen zukünftig weiter zu steigern. Die Nutzungsmöglichkeiten von Flüssigsalzspeichern sind in Bild 3 zusammengefasst. Das System besteht aus drei Einheiten: 1. einer Leistungseinheit zur Energie - einkopplung; 2. einer Kapazitätseinheit zur Speicherung in Flüssigsalz; 3. dem Dampfkreis zur Verstromung oder gekoppelten Strom- und Wärme-Bereit - stellung. Oft stellt der Dampfkreis mit Verstromung hierbei die teuerste Leistungskomponente dar. Um die Kosten zu senken, ist es daher zielführend, die Nutzung bestehender Dampfinfrastrukturen zu prüfen. Fazit Insgesamt ist festzuhalten, dass die vorgeschlagenen Konzepte zumeist auf kommerziellen Komponenten beruhen, aber in dieser Kombination neu und bisher nicht umgesetzt sind. Erste Demonstrationsanlagen sind daher für einen Markteintritt erforderlich. Hierzu ist es zielführend, zunächst die mögliche Kostensenkung durch Integration der Flüssigsalzspeicher in bestehende Prozesse zu untersuchen. Neben der Umsetzung von Demonstrationsanlagen besteht zukünftig das Potenzial, durch Forschung und Entwicklung an Hochtemperatur- Komponenten wie Wärmepumpen, Wärmespeichern, Wärmeübertragern und Elektroerhitzern diese an die Prozesse optimal anzupassen, um dadurch die Investitionskosten weiter zu senken und die Gesamtwirkungsgrade zu steigern. Literatur [1] Laughlin, R. B.: Pumped thermal grid storage with heat exchange. Journal of Renewable and Sustainable Energy 9 (4), 2017. https://doi.org/10.1063/1.4994054. [2] Steinmann, W.-D.: Thermo-mechanical concepts for bulk energy storage. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 75 Suppl. C, 2017. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.10.065. 44 BWK Bd. 71 (2019) Nr. 5

EnergieForum Metastudienanalyse von energie- und klimapolitischen Szenarien Die Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung im zukünftigen Energiesystem Bild: MWM KWK | Kraft-Wärme-Kopplungs (KWK)-Anlagen wandeln bis zu 90 % des eingesetzten Brennstoffs in nutzbare Energie um und tragen auf diese Weise zur ressourcenschonenden Energieversorgung bei [1]. KWK-Anlagen stehen jedoch zunehmend in Konkurrenz zu erneuerbaren Strom- und Wärmeerzeugungsanlagen, die keine Brennstoffe für die Energieproduktion benötigen [2; 3]. Diese Konkurrenzsituation führt zu einem verminderten Ausbau gekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung [3]. Mit erneuerbaren Wärmeerzeugern ist die Bereitstellung von Prozesswärme im Hochtem - peraturbereich in der Industrie derzeit jedoch kaum möglich. Auch die Elektrifizierung ist bei einigen Prozessen in der Industrie bisher nicht (kosten) effizient durchführbar [4 bis 7]. Trotz ökonomischer Risiken in Zeiten hoher erneuerbarer Energieerzeugung überrascht es deshalb nicht, dass energie- und klimapolitische Szenarien die Bedeutung von KWK- Anlagen zumindest als Brückentechnologie zur Dekarbonisierung des Energiesystems hervorheben [2; 3; 8; 9]. Durch den Einsatz synthetischer Brennstoffe ergeben sich zudem neue Perspektiven für KWK-Anlagen [10]. Autoren Tobias Hübner, M.Sc., Jahrgang 1989, Studium Technology and Management an der Technischen Universität München. Seit Januar 2018 wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH (FfE), München. i thuebner@ffe.de Andrej Guminski, M.Sc., Jahrgang 1991, Studium Technologie- und Managementorientierte Betriebswirtschaftslehre an der Technischen Universität München. Seit Mai 2016 wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH (FfE), München. i aguminski@ffe.de Britta Kleinertz, M. Sc., Jahrgang 1989, Bachelorstudium Umwelttechnik an der Ruhr-Universität Bochum, Masterstudium Energy Science and Engineering an der TU Darmstadt. Seit 2017 Projektingenieurin und wissenschaftliche Mitarbeiterin bei der Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH, München. i bkleinertz@ffe.de Dr.-Ing. Serafin von Roon, Jahrgang 1975, Studium des Wirtschaftsingenieurwesens an der TU Berlin. Seit 2011 Geschäftsführer der Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH, München. i SRoon@ffe.de Die Rolle von KWK-Anlagen im zukünftigen Energiesystem wird anhand einer Metastudienanalyse von energie- und klimapolitischen Szenarien herausgearbeitet. Es werden die in der Tabelle angeführten Studien analysiert. Relevante Szenarien und Methodik Um die Rolle von KWK-Analgen im zukünftigen Energiesystem abzuleiten, werden direkte und indirekte Indikatoren herangezogen. Die zukünftige Bedeutung von KWK-Anlagen kann an der installierten Leistung sowie der Stromund Wärmeerzeugung direkt erfasst werden. Indirekt wird die Bedeutung von KWK-Anlagen anhand des Anteils der KWK-Wärme am Wärmebedarf und des Wärmebedarfs selbst abgeleitet. Daneben ist die Durchdringung von mit KWK-Anlagen konkurrierendem Powerto-Heat (PtH) ein relevantes indirektes Kriterium. Analyseergebnisse Die Szenarien werden in der Meta - analyse hinsichtlich der ausgewählten direkten und indirekten Indikatoren untersucht. In den folgenden Abbildungen finden die Szenarien Berücksichtigung, die quantitative Daten zur Entwicklung von KWK-Anlagen bereitstellen. In der BWK Bd. 71 (2019) Nr. 5 45

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