Peters, Jens (2022)
Untersuchungen zur Erhöhung der Flexibilität zirkulierender Wirbelschichtkraftwerke zur Integration erneuerbarer Energien.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00020292
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Integration volatiler erneuerbaren Energiequellen in den Strommarkt erfordert Ausgleichstechnologien, die Versorgungssicherheit gewährleisten können. Solche Technologien müssen schnelle Lastwechsel über einen großen Lastbereich durchführen können und möglichst niedrige Treibhausgasemissionen aufweisen. In der vorliegenden Arbeit wird vorgeschlagen, existierende zirkulierende Wirbelschichtkraftwerke mit Kohlefeuerung für die Co-Verbrennung von Kohle, Biomasse und Ersatzbrennstoff umzurüsten. Der Ansatz ermöglicht eine sehr schnelle und kostengünstige technische Umsetzung bei gleichzeitig hohem CO2-Einsparpotential. Bestehende Großkraftwerke sind meist auf Nennlast und für einen bestimmten Brennstoff ausgelegt. Daher besteht Forschungsbedarf, die Brennstoffflexibilität und die Lastflexibilität von zirkulierenden Wirbelschichtfeuerungen besser zu verstehen und Wege zu finden, diese zu erhöhen. Ein Fokus dieser Dissertation ist die experimentelle Untersuchung der Bedingungen im Brennraum bei der Co-Verbrennung im Lastwechselbetrieb. Dazu wurden stationäre und dynamische Versuche in einer 1 MWth Versuchsanlage zur Co-Verbrennung von Braunkohle, Strohpellets und Refuse Derived Fuel durchgeführt. Für den Co-Verbrennungsbetrieb unter transienten Bedingungen müssen insbesondere die Temperaturen und der Wärmeübergang im Brennraum beherrscht werden. Die Versuchsergebnisse zeigen die große Bedeutung der hydrodynamischen Bedingungen für den Gesamtprozess. Der Temperaturverlauf, der Ort der Verbrennung, die Wärmeübertragung in der Wirbelschicht und andere Parameter wurden durch die komplexe Gas-Partikelströmung der zirkulierenden Wirbelschicht bestimmt. In der Arbeit wird gezeigt, welche Parameter die Hydrodynamik beeinflussen. Zur Erhöhung der Lastflexibilität wurden Lastwechselversuche auf die Betriebsparameter hin untersucht, die den stärksten Einfluss auf den Wärmeübergang zur Wasser-Dampfseite haben. Die Erkenntnisse wurden genutzt, um Konzepte für die Beschleunigung von Lastwechseln zu erarbeiten. Eines dieser Konzepte wurde erfolgreich in der Versuchsanlage getestet. Die experimentellen Daten wurden genutzt, um ein Modell der zirkulierenden Wirbelschichtverbrennung mit der dynamischen Prozesssimulationssoftware APROS zu entwickeln. Die Zielstellung der Prozesssimulation war die Untersuchung des dynamischen Betriebs der Co-Verbrennung. Die Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den experimentellen Daten ist hoch und das Modell kann zukünftig zum Beispiel für die Bewertung neuer Lastwechselkonzepte genutzt werden. Die Dissertation liefert eine umfassende Bewertung der Flexibilität von zirkulierenden Wirbelschichtkraftwerken im Hinblick auf die Co-Verbrennung erneuerbarer Festbrennstoffe unter Lastwechselbedingungen. Maßnahmen und Konzepte werden vorgestellt, um diese Flexibilität weiter zu erhöhen.

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