Dynamisches Exergiekonzept für eine effizientere transiente Betriebsweise gekoppelter thermisch-elektrischer Energieversorgungsstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Karsten Müller
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416334151

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der mit dem Fortschreiten der Energiewende zunehmende Anteil fluktuierender Stromeinspeisung aus Windenergie- und Photovoltaikanlagen hat einen erheblichen Einfluss auf das Betriebsregime konventioneller Kraftwerke. Dies äußert sich in reduzierten Betriebsstunden, häufigeren Erzeugungspausen, zusätzlichen An- und Abfahrvorgängen sowie einer starken Zunahme der Lastwechsel und damit insgesamt in einer deutlich dynamischeren Fahrweise. Da häufige Lastwechsel in der Vergangenheit nicht im Fokus von Optimierungen standen, werden Potenziale zur Verbesserung des transienten Betriebsverhaltens vermutet, für deren Untersuchung und Bewertung sich Exergieanalysen anbieten, mit denen die tatsächlichen thermodynamischen Verluste in Energiewandlungsprozessen quantifiziert werden können. Um eine transiente Exergieanalyse des als primären Untersuchungsobjekt dienenden Gas- und Dampf-Kombikraftwerks auf Komponentenebene durchführen zu können, wurde ein umfassendes, dynamisches Simulationsmodell entwickelt, das neben den verfahrenstechnischen Komponenten wie Abhitzekessel und Wasser-Dampf-Kreislauf auch die Leittechnik umfasst. Das Modell wurde in der Modellierungssprache Modelica unter Verwendung der Komponentenbibliothek ClaRa entwickelt, die im Rahmen des Projekts um die Berechnung der exergetischen Bilanz- und Zustandsgleichungen erweitert wurde, wodurch die benötigten Exergiegrößen aller räumlich null- und eindimensional diskretisierten Komponenten ermittelt werden können. Die mit dem Simulationsmodell durchgeführten Analysen haben gezeigt, dass im transienten Betrieb insbesondere die Wärmeübertragung bei erhöhten Temperaturdifferenzen und die Ein- und Ausspeicherung von Exergie in den verschiedenen Teilsystemen für eine erhöhte Exergievernichtung ursächlich sind. Geringere Laständerungsgeschwindigkeiten und eine Annäherung an eine quasistationäre Fahrweise erhöhen die Exergieeffizienz des Prozesses. Basierend auf den Analyseergebnissen wurden Maßnahmen zur Verbesserung der exergetischen Effizienz im transienten Betrieb untersucht. Dies umfasst Modifikationen an der Regelung des Speisewasserbehälterdrucks und des Dampftrommelniveaus, wie z. B. Anpassung von Reglerparametern, asymmetrische Regelung, Störgrößenaufschaltung und lastabhängige Sollwertführung. Die untersuchten Maßnahmen haben aufgrund verschiedener Ausgleichseffekte nur einen sehr geringen Einfluss auf die Exergieeffizienz. Die maximal erreichte Steigerung des exergetischen Wirkungsgrades beträgt 0,04 %-Punkte. Die Übertragung der entwickelten Methodik auf das Modell eines Braunkohlekraftwerks konnte die Beobachtungen bestätigen. Für die GuD-Anlage wurden zusätzlich verschiedene Lastwechselfahrweisen im Dreiblockbetrieb untersucht, die im günstigsten Fall einen um 0,1 %-Punkte höheren exergetischen Wirkungsgrad zeigen. Es konnte nachgewiesen werden, dass durch regelungstechnische Anpassungen keine signifikante Steigerung des exergetischen Wirkungsgrades im transienten Betrieb erreicht werden kann, jedoch Potentiale zur Verbesserung transienter Fahrweisen bestehen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Evaluation of Flexibility Optimization for Thermal Power Plants. Volume 2: Heat Exchanger Technologies; Plant Performance; Thermal Hydraulics and Computational Fluid Dynamics; Water Management for Power Systems; Student Competition. American Society of Mechanical Engineers.
  Hübel, Moritz; Prause, Jens Hinrich; Gierow, Conrad; Hassel, Egon; Wittenburg, Raphael & Holtz, Dorian
  
• Effects of rising dynamic requirements on the lifetime consumption of a combined cycle gas turbine power plant. Energy Procedia, 158, 5717-5723.
  Wittenburg, Raphael; Hübel, Moritz; Prause, Hinrich; Gierow, Conrad; Reißig, Martin & Hassel, Egon
  
• „Dynamisches Exergiekonzept für eine effizientere transiente Betriebsweise gekoppelter thermisch-elektrischer Energieversorgungsstrukturen“. Fachvortrag auf dem VDI Thermodynamik-Kolloquium. Duisburg
  R. Wittenburg, M. Hübel & E. Hassel
  
• „Einsatzplanung eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerks mittels instationärem Prozessmodell“. In: Kraftwerkstechnik 2020. Hrsg. von M. Beckmann und A. Hurtado. Freiberg: SAXONIA Standortentwicklungs- und -verwaltungsgesellschaft mbH
  J. H. Prause, R. Wittenburg, D. Holtz, E. Hassel & C. Gierow
  
• Transient Exergy Analysis of the Dynamic Operation of a Combined Cycle Power Plant. ASME 2021 Power Conference. American Society of Mechanical Engineers.
  Wittenburg, Raphael; Hübel, Moritz; Holtz, Dorian & Müller, Karsten
  
• „Exergieanalyse des transienten Betriebsverhaltens eines GuD-Heizkraftwerks“. In: Kraftwerkstechnik 2021. Hrsg. von M. Beckmann und A. Hurtado. Freiberg: SAXONIA Standortentwicklungs- und -verwaltungsgesellschaft mbH
  R. Wittenburg, K. Müller, D. Holtz & M. Hübel
  
• „Transiente Exergieanalyse und Verbesserung des dynamischen Betriebs eines GuD-Kraftwerks“. Fachvortrag auf dem VDI Thermodynamik-Kolloquium
  R. Wittenburg, K. Müller & D. Holtz
  
• „Exergetische Bewertung von Maßnahmen zur Primärregelleistungserbringung in Kraftwerken“. Fachvortrag auf dem VDI Thermodynamik-Kolloquium. Chemnitz
  R. Wittenburg, T. H. Pruß, D. Holtz & K. Müller
  
• Transition of district heating from fossil to renewable energies – Pathways analysed by dynamic simulation. Renewable Energy Focus, 45, 271-286.
  Wittenburg, Raphael; Gierow, Conrad; Pötke, Rasmus; Müller, Karsten & Holtz, Dorian