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BERTI: Bewegtes Reaktionsbett zur thermochemischen Energiespeicherung, Teilvorhaben: Prozessführung und Funktionsnachweis

Dieses Vorhaben verfolgt das Ziel die zwei prinzipiellen Vorteile thermochemischer Wärmespeicher zu demonstrieren: (1) Getrennte Lagerung der Reaktionspartner und damit verlustfreie Speicherung (2) die Trennung von Kapazität und thermischer Leistung des Speichers und damit eine deutliche Kostenreduktion bei der Speicherung thermischer Energie. Im Rahmen dieses Vorhabens werden daher ingenieurwissenschaftliche sowie materialwissenschaftliche Disziplinen kombiniert, um die einzelnen Teilbereiche in Bezug auf das Speichermaterial, die Bewegung des Pulvers und die chemische Reaktion mit Wärmeein- und -auskopplung weiterzuentwickeln. Das abschließende Ziel des Vorhabens ist die Bestätigung der Realisierbarkeit des entwickelten Leitkonzepts für chemische Speicher mit bewegtem Reaktionsbett durch Versuchsreihen im Labormaßstab. Das Vorhaben gliedert sich im Wesentlichen in drei Arbeitsabschnitte: Im Rahmen des ersten Abschnitts wird ausgehend von der vorhandenen Expertise der beteiligten Partner ein Reaktorkonzept spezifiziert, das die Grundlage für den weiteren Projektverlauf bildet. Im zweiten Arbeitsabschnitt werden dann parallel die drei wesentlichen Fragestellungen für ein bewegtes Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung zielgerichtet bearbeitet (Materialentwicklung, Bewegung der Schüttung, Reaktionsführung). Den Abschluss des Vorhabens bildet der Funktionsnachweis im Labormaßstab am Institut für Technische Thermodynamik des DLRs.

Definition und Umsetzung von Anforderungen an das zukunftsfähige hochflexible, energieeffiziente und emissionsarme Kohlekraftwerk, Teilprojekt: Optimierung von Kessel- und Turbinenkomponenten PP4F

In diesem Vorhaben wird die technische Umsetzbarkeit von hochflexiblen, energieeffizienten und emissionsarmen Kohlekraftwerken für die zukünftige Stromerzeugung untersucht. Diese Kraftwerke mittlerer Leistung müssen neben einem hohen Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich eine hohe Betriebsflexibilität (Kaltstart, Warmstart, Heißstart, Lastwechsel, Mindestlast etc.) aufweisen und höchste Emissionsanforderungen auch für Spurenelemente erfüllen. Für die Umsetzbarkeit dieser Anforderungen werden alle Komponenten und Prozesse des Kraftwerks betrachtet und technische Konzepte für die Umsetzbarkeit erarbeitet. Für die Komponenten im Wasserdampfkreislauf (Dampferzeuger, Turbine usw.) werden von General Electric (GE) Berechnungen und APROS Simulationen (Dampferzeuger) zur Bewertung verschiedener Maßnahmen zur Steigerung der Dynamik und Effizienz durchgeführt. Hierbei wird dem Einsatz optimaler Werkstoffe sowie optimierte Berechnungsmethoden für besonders beanspruchte Bauteile eine besondere Bedeutung beigemessen und wichtige Ergebnisse und Erkenntnissen aus abgeschlossenen bzw. laufenden Werkstoffforschungsprogrammen insbesondere HWT I, HWT II und HWTII Add-on zugrunde gelegt. Durch die Integration von thermischen oder thermo-chemischen Speichern bestehen weitere Möglichkeiten zur Steigerung der Flexibilität. Hierzu werden von GE Integrationsmöglichkeiten verschiedener Speichertechnologien mituntersucht und bewertet. Gemeinsam mit anderen Partnern bewertet GE die in den einzelnen Arbeitspaketen erarbeiteten Maßnahmen und technische Verbesserungskonzepte. Als Kriterien für die Bewertung werden die technische Machbarkeit, wirtschaftliche und ökonomische Risiken sowie Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz zugrunde gelegt.

thermische Energiespeicher: poMMes: Synthese und Charakterisierung poröser Metall-Metallsalz-Verbünde für chemische Wärmepumpen und Wärmespeicher, Teilvorhaben: Herstellung und Charakterisierung metallischer Trägerstrukturen für Adsorptionsmaterialien in chemischen Wärmepumpen und Wärmespeichern

Die Nutzung von chemischen oder Sorptionswärmepumpen ist bislang eine kaum verwendete Möglichkeit, fossile Energieträger durch Umweltwärme oder Niedertemperaturabwärme zu substituieren. Kernprobleme in der Anwendung sind momentan die Gewährleistung eines ausreichenden Wärme- und Stofftransportes sowie die Vermeidung von Agglomerationen der Arbeitsmedien. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung neuer Arbeitsstoffe für chemische Wärmepumpen auf Basis poröser Metallstrukturen, die mit Metallsalzen als reaktives Arbeitsmedium beladen werden. Das Teilprojekt am Fraunhofer IFAM Dresden beschäftigt sich vor allem mit der Auslegung, Auswahl und Herstellung der porösen metallischen Trägerstrukturen sowie der wärme- und strömungstechnischen Charakterisierung der Metall-Metallsalz-Verbünde. Die Metallstrukturen werden dabei pulver- bzw. schmelzmetallurgisch hergestellt. Die Trägerstrukturen werden charakterisiert und optimiert, sodass eine gezielte Nutzung der Metall-Metallsalz-Verbünde in Wärmepumpensystemen ermöglicht wird. Einen wesentlichen Bestandteil bilden dabei Simulationen zum Verständnis der auftretenden physikalischen Effekte. Nach Festlegung der Spezifikationen für die untersuchten Materialien (AP 1) durch alle Projektpartner werden Vorversuche an flachen Material- und Strukturproben durchgeführt, die das IFAM-DD herstellt und geometrisch sowie thermisch und strömungstechnisch charakterisiert (AP 2). Die Bestimmung der Sorptionsisothermen der einzelnen Hydratstufen der Salze (AP 3) dient als Basis für spätere Auslegungsrechnungen. Hauptarbeitspunkt des Projektes ist die Synthese und Charakterisierung der Trägerstrukturen (AP 4) sowie die Analyse der Verbünde (AP 6) von verschiedenen Metallen und Salzen. Diese Ergebnisse werden zur iterativen Optimierung der Metallsalzsynthese und der Trägerstrukturen verwendet. Abschließend wird das Zusammenspiel der Komponenten an einem Versuchsmuster demonstriert.

thermische Energiespeicher: poMMes: Synthese und Charakterisierung poröser Metall-Metallsalz-Verbünde für chemische Wärmepumpen und Wärmespeicher, Teilvorhaben: Entwicklung und Evaluierung einer Technologie zur Herstellung von Adsorbern aus Metall-Metallsalz-Verbundmaterial

Die Bereitstellung von Raum- und Prozesswärme sowie Warmwasser stellt den größten Anwendungsbereich beim Endenergieverbrauch dar. Durch den Einsatz von Wärmepumpen kann ein Teil dieses Energiebedarfs durch Umweltwärme oder Niedertemperaturabwärme substituiert werden. Einen vielversprechenden Ansatz stellen thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen auf der Basis reversibler chemischer Reaktionen oder Sorptionsprozesse dar. Zur dauerhaften Gewährleistung eines guten Wärme- und Stofftransportes müssen die Arbeitsstoffe auf poröse Trägerstrukturen aufgebracht werden. Bisher werden dafür vor allem Silicagel und Zeolithe verwendet, die aufgrund geringer Wärmeleitfähigkeiten die erreichbare Leistungsdichte solcher Systeme limitieren. Im Forschungsvorhaben sollen daher neue Arbeitsstoffe für chemische Wärmepumpen auf Basis poröser Metallstrukturen untersucht werden, die eine Verbesserung der Eigenschaften versprechen. Das Teilprojekt beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Herstellungstechnologie zur Verbindung der untersuchten Metall-/Metallsalz-Verbünde mit dem Wärmeübertrager. Im Projekt werden verschiedene Verfahren (Weiten der Rohre, Löten) zur Anbindung der Metallstrukturen an Rohre mit und ohne Lamellenbleche untersucht und analysiert. Im Ergebnis sollen Aussagen zur thermischen Leistungsfähigkeit des gesamten Wärmeübertragers sowie zur thermischen und mechanischen Stabilität des Aufbaus getroffen werden. Aufbauend auf den Ergebnissen soll ein Versuchsmuster eines Adsorber-Wärmeübertragers für eine Wärmepumpe konstruiert und gefertigt werden. In experimentellen Untersuchungen wird die Funktionalität des Versuchsmusters mit verschiedenen Temperaturen getestet. Aus den Ergebnissen werden wichtige Kenngrößen wie die spezifische Leistungsdichte und erreichbare Werte für den COP abgeleitet.

thermische Energiespeicher: poMMes: Synthese und Charakterisierung poröser Metall-Metallsalz-Verbünde für chemische Wärmepumpen und Wärmespeicher, Teilvorhaben: Synthese und makrokinetische Untersuchung von Adsorptionsmitteln mit metallischer Trägerstruktur

Die Bereitstellung von Raum- und Prozesswärme sowie Warmwasser stellt den größten Anwendungsbereich beim Endenergieverbrauch dar. Durch den Einsatz von Wärmepumpen kann ein Teil dieses Energiebedarfs durch Umweltwärme oder Niedertemperaturabwärme substituiert werden. Einen vielversprechenden Ansatz stellen thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen auf der Basis reversibler chemischer Reaktionen oder Sorptionsprozesse dar. Zur dauerhaften Gewährleistung eines guten Wärme- und Stofftransportes müssen die Arbeitsstoffe auf poröse Trägerstrukturen aufgebracht werden. Bisher werden dafür vor allem Silicagel und Zeolithe verwendet, die aufgrund geringer Wärmeleitfähigkeiten die erreichbare Leistungsdichte solcher Systeme limitieren. Im Forschungsvorhaben sollen daher neue Arbeitsstoffe für chemische Wärmepumpen auf Basis poröser Metallstrukturen untersucht werden, die eine Verbesserung der Eigenschaften versprechen. Dieses Teilprojekt beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung dieser Metall-Metallsalz-Verbünde. Salze ermöglichen mit Wasserdampf, Ammoniak oder Alkoholen die Nutzung verschiedener Gas-Feststoff-Reaktionen, die sich für Anwendungen in Wärmepumpen, Kältemaschinen oder thermochemischen Speichern im Niedertemperaturbereich eignen. Das Ziel ist die Erzeugung von reaktiven Salzschichten auf porösen metallischen Schaum- oder Faserstrukturen. Hierzu sollen unterschiedliche Synthesepfade und deren Einfluss auf die Eigenschaften und Haftung der Salzschichten untersucht werden. Die hergestellten Verbundmaterialien werden anschließend experimentell charakterisiert, um Aussagen zu den Wärmeleiteigenschaften, zur Kinetik der Reaktions- bzw. Adsorptionsvorgänge und zur erreichbaren Leistungs- und Speicherdichte zu treffen. Anhand der Ergebnisse sollen Optimierungsmöglichkeiten abgeleitet und ein Simulationsmodell zur Auslegung von Adsorber-Wärmeübertragern auf Basis der neuen Verbundmaterialien erstellt werden.

Deutsch-Griechische Forschungskooperation 'A Novel Energy STORage and transportation concept based on concentrated solar irradiation-aided CaO-looping (NESTOR)'

Kraftwerkstechnik (Lastflexible und teillastfähige Kraftwerke) - Thermische und thermochemische Energiespeicher in Kraftwerken

Aufwertung von Abwärme durch Einsatz THErmochemischer SpeichermAterialieN (TheSan), Teilvorhaben: Anwendungskonzepte für industrielle Batchprozesse und Untersuchung von Nachhaltigkeitsaspekten der Reaktionsmaterialien

Das Projekt adressiert industrielle Wärmeströme, die aufgrund des Temperaturniveaus nicht wieder integriert werden können und somit als industrielle Abwärme anfallen. Zur Aufwertung dieser Wärmeströme werden thermochemische Systeme auf Basis reversibler Gas-Feststoff-Reaktionen untersucht und weiterentwickelt. Die Druckabhängigkeit dieser Reaktionen erlaubt es, durch gezielte Anpassung des Gasdrucks die Reaktionstemperatur einzustellen. Dies ermöglicht einerseits den Einsatz in thermochemischen Wärmepumpen zur kontinuierlichen Aufwertung von Wärmeströmen im Hochtemperaturbereich und andererseits die zeitgleiche Nutzung dieser Systeme als thermische Energiespeicher, um anfallende Abwärmeströme für spätere Prozessschritte zu speichern und aufzuwerten.

Aufwertung von Abwärme durch Einsatz THErmochemischer SpeichermAterialieN (TheSan), Teilvorhaben: Analyse des technisch-wirtschaftlichen Potentials thermo-chemischer Wärmepumpen auf Basis reversibler Gas-Feststoffreaktionen

Das Projekt adressiert industrielle Wärmeströme, die aufgrund des Temperaturniveaus nicht wieder integriert werden können und somit als industrielle Abwärme anfallen. Zur Aufwertung dieser Wärmeströme werden thermochemische Systeme auf Basis reversibler Gas-Feststoff-Reaktionen untersucht und weiterentwickelt. Die Druckabhängigkeit dieser Reaktionen erlaubt es, durch gezielte Anpassung des Gasdrucks die Reaktionstemperatur einzustellen. Dies ermöglicht einerseits den Einsatz in thermochemischen Wärmepumpen zur kontinuierlichen Aufwertung von Wärmeströmen im Hochtemperaturbereich und andererseits die zeitgleiche Nutzung dieser Systeme als thermische Energiespeicher, um anfallende Abwärmeströme für spätere Prozessschritte zu speichern und aufzuwerten.

Aufwertung von Abwärme durch Einsatz THErmochemischer SpeichermAterialieN (TheSan), Teilvorhaben: Entwicklung von Materialien zur thermochemischen Energieaufwertung auf Basis mineralischer Bindemittel

Das Projekt adressiert industrielle Wärmeströme, die aufgrund des Temperaturniveaus nicht wieder integriert werden können und somit als industrielle Abwärme anfallen. Zur Aufwertung dieser Wärmeströme werden thermochemische Systeme auf Basis reversibler Gas-Feststoff-Reaktionen untersucht und weiterentwickelt. Die Druckabhängigkeit dieser Reaktionen erlaubt es, durch gezielte Anpassung des Gasdrucks die Reaktionstemperatur einzustellen. Dies ermöglicht einerseits den Einsatz in thermochemischen Wärmepumpen zur kontinuierlichen Aufwertung von Wärmeströmen im Hochtemperaturbereich und andererseits die zeitgleiche Nutzung dieser Systeme als thermische Energiespeicher, um anfallende Abwärmeströme für spätere Prozessschritte zu speichern und aufzuwerten.

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