7. Wissenschaftstag Vattenfall

1. 7. Wissenschaftstag Vattenfall
Stromspeicher – Schlüssel zur Energiewende
Speichertechnologien im Überblick
A. Kratzsch

2. 2
Gliederung
1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher?
2. Einteilung von Energiespeichern
3. Bedarf an Energiespeichern
4. Flexibles Kraftwerk
5. Zusammenfassung
29.10.2014
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Wissenscha@stag
Va9enfall

3. Quan%fizierte
Ziele
Energiekonzept
2020
2030
2040
2050
Minderung
der
THG-­‐Emissionen
(bezogen
auf
1990)
-­‐40%
-­‐55%
-­‐70%
-­‐80
bis
§ Umbau der Energieversorgung zu einem regenerativ dominierten
Energiesystem
§ Problematik:
– Fluktuierende Einspeisung aus Erneuerbaren Energien (EE)
– Synchronisierung von EE-Angebot und Netzlast
95%
Mindest-­‐Anteil
der
EE
am
Bru9o-­‐Endenergieverbrauch
18%
30%
45%
60%
Mindest-­‐Anteil
der
EE
am
Bru9ostromverbrauch
35%
50%
65%
80%
Minderung
des
Primärenergieverbrauchs
-­‐20%
-­‐50%
Minderung
des
Stromverbrauchs
-­‐10%
-­‐25%
Minderung
des
Endenergieverbrauchs
Verkehr
-­‐10%
-­‐40%
Reduzierung
des
Wärmebedarfs
(2020)
bzw.
des
-­‐20%
-­‐80%
Primärenergiebedarfs
(2050)
von
Gebäuden
AtomenergieaussZeg
2022
3
Ausgangssituation
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Va9enfall

4. 4
Ausgangssituation
§ Zielstellung: Äquivalenz zwischen Elektroenergienachfrage und
-angebot.
§ Es existieren entsprechende Stelleinrichtungen im Verbundnetz:
– bestehender fossiler und nuklearer Kraftwerkspark
– Gasturbinenkraftwerke (schnellstartfähig)
– Pumpspeicherkraftwerke
– Druckluftspeicherkraftwerk (HUNTORF)
§ Durch den fortschreitenden Zubau
Erneuerbarer Energien reicht der
Stellbereich und die Stellgeschwindigkeit
bestehender Stelleinrichtungen nicht mehr
aus è instabiles Verbundnetz
Abb. 1: KKW Krümmel, KW Boxberg (Quelle: Vattenfall)
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5. Residuallast 2020 Residuallast 2030 Residuallast 2050
Quelle: [BMU2012] S.202-204 Quelle: [BMU2012] S.202-204 Quelle: [BMU2012] S.202-204
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5
Entwicklung der Residuallast 2020 bis 2050 nach Studie BMU2012, Szenario 2011A
Grundlast verschwindet mit zunehmender Einspeisung aus EE
zunehmend hochflexibler wirtschaftlicher Kraftwerkspark für Spitzenlastdeckung mit
hohen Lastgradienten und gesicherter Leistung (Backup) notwendig
2050 Speicherkapazität ≈ flexible Erzeugungskapazität
Abb. 2: Residuallast 2020, 2030,
2050 (Quelle: BMU)
Ausgangssituation

6. 6
Gliederung
1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher?
2. Einteilung von Energiespeichern
3. Bedarf an Energiespeichern
4. Flexibles Kraftwerk
5. Zusammenfassung
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7. 7
Einteilung von Speichertechnologien
§ Einteilung nach Energieform
Energiespeicher
Mechanische
• Pumpspeicher
KW
• Drucklu@speicher
(CAES,
AA
CAES,
ADELE)
• Schwungräder
(DYNASTORE)
Chemische
• Elektrochemische
Ba9erien
• Brennstoffe
• Elektrolyse
(Power-­‐to-­‐Gas)
Biologische
• Biopolymere
(nachwachsende
Rohstoffe)
• Erdöl,
Kohle,
Erdgas
(fossile)
Elektrische
• Kondensator
• Superkondensator
• Ba9erien
§ Einteilung entsprechend Speicherdauer (Lang-/Kurzzeitspeicher)
§ Einteilung hinsichtlich der Bewertungskriterien für Speicher
§ Einteilung hinsichtlich der möglichen Beiträge zu Systemdienstleistungen
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Thermische
• Sensible
Wärmespeicher
• Latente
Wärmespeicher
• Thermochemische
Wärmespeicher

8. Abb. 3: KW HUNTORF und Luftspeicher-Gasturbinengruppe (Quelle: BBC1980)
8
Einteilung von Speichertechnologien
§ Beispiel: Druckluftspeicher HUNTORF
§ Inbetriebnahme 1978 als kombiniertes Druckluft-speicher-
und Gasturbinenkraftwerk mit einer
Leistung von 321 MWel.
§ Zur Druckauflastung der Kaverne (72.000 t Press-luft
bei 72 bar) ist eine elektrische Arbeit von
480 MWh erforderlich.
§ Die Kaverne ersetzt den klassischen Verdichter der
Gasturbine.
§ Die Beladung erfolgt zu Schwachlastzeiten, die Entladung
zu Spitzenlastzeiten.
§ Es sind 120 min. Volllastbetrieb bei voll geladener Kaverne
möglich (danach Gleitdruckbetrieb).
§ Vergleich: 40 min. Volllastbetrieb ohne Kaverne bei
identischer Gasmenge
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9. 9
Gliederung
1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher?
2. Einteilung von Energiespeichern
3. Bedarf an Energiespeichern
4. Flexibles Kraftwerk
5. Zusammenfassung
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10. 10
Bedarf an Energiespeichern
§ Energiespeicher müssen in der Lage sein Systemdienstleistungen zu
erbringen bzw. bisherige Systemdienstleister dahingehend unterstützen/
ertüchtigen!
§ Systemdienstleistungen
– Frequenzhaltung
• Momentanreserve
• Primärregelleistung
• Sekundärregelleistung
• Minutenreserve
– Spannungshaltung
– Versorgungswiederaufbau
– Betriebsführung
§ Entsprechend werden Anforderungen an Speicher gestellt.
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11. 11
Bedarf an Energiespeichern
Kapazität
Dynamik
Zyklenstabilität
Teillasfähigkeit
Standzeit
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Zuverlässigkeit
und
Verfügbarkeit
ökologische/
ökonomische
Aspekte
gesellscha@liche
Akzeptanz
§ Anforderungen an Stromspeicher im Verbundnetz (Auszug)

12. 12
Bedarf an Energiespeichern
§ Beiträge ausgewählter Energiespeicher zu Systemdienstleistungen:
Schwungmassen-­‐
speicher
Ba9erien
Pumpspeicher-­‐
kra@werke
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Power-­‐to-­‐Gas
Gas-­‐to-­‐Power
Momentan-­‐
reserve
Primärregel-­‐
leistung
Sekundär-­‐
regelleistung
Minuten-­‐
reserve
Bewertung:
§ Hohe Investitionskosten für die Realisierung von Stromspeichern als Stell-einrichtungen
im Verbundnetz.
§ Erforderliche dezentrale Strukturen führen zu einem hohen informations-technischen
Aufwand.

13. 13
Gliederung
1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher?
2. Einteilung von Energiespeichern
3. Bedarf an Energiespeichern
4. Flexibles Kraftwerk
5. Zusammenfassung
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14. 29.10.2014
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Va9enfall
14
Folgen für Großkraftwerke bis 2030 durch den zunehmenden Ausbau der EE
§ volatile Spitzen durch EE-Einspeisung nehmen zu
§ zeitweise Vollversorgung durch EE
§ starker Anstieg des Spitzenlastbedarfs
§ schrittweise Abnahme der Deckung des
Grundlastbedarfs durch Bestandskraftwerke
§ steigender Bedarf an Regelenergie
§ An- und Abfahrprozesse nehmen stark zu
§ hohe Lastgradienten
§ Zunahme von Lastwechselfahrweisen
§ erhöhte Belastung der Bauteile
Mögliche Residuallast 2030
Quelle: [BMU2012] S.202-204
Flexibles Kraftwerk
Abb. 4: Simulierter Verlauf der Residuallast für zwei Wochen in 2030
Ø Ertüchtigung von bestehenden Stelleinrichtungen (Bestandskraftwerken) in
Hinblick auf Stellgeschwindigkeit und Stellbereich.
Ø Integration thermischer Energiespeicher (TES) in den Kraftwerksprozess.

15. Reaktions-wärmespeicher
15
Flexibles Kraftwerk
TES
Sensible
Wärmespeicher
Flüssig
Fest
Latente
Wärmespeicher
Übergang
fest-­‐
flüssig
Übergang
flüssig-­‐
gasf.
Thermochemische
Wärmespeicher
Sorp6ons-­‐
speicher
Reak6ons-­‐
wärme
speicher
Fluidspeicher
Dampfspeicher
Feststoffspeicher Latentwärmespeicher Ad- u. Absorptions-speicher
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Va9enfall
AB+ΔHR A+B-ΔHR
Hoch
Entwicklungsstand
Niedrig
Niedrig
Speicherdichte
Hoch

16. Flexibles Kraftwerk
Stand
der
Technik
-­‐
gute
Leistungsanpassung
-­‐
bis
600°C
je
nach
Medium
Stand
der
Technik
-­‐
Speicherung
bei
kleinem
ΔT
-­‐
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Druckbehälter
-­‐
Temperatur-­‐
und
Druckniveau
nicht
konstant
16
Speicherkonzepte
T
>
150°C
Prinzip
Typ.
Speichermed.
Vorteile
Nachteile
Fluidspeicher
Speicherung
sensibler
Wärme
in
flüssigem
Speichermedium,
direkt
o.
indirekt
-­‐
Zwei-­‐Tank-­‐System
-­‐
Ein-­‐Tank-­‐Schicht-­‐System
-­‐
Thermoöl
-­‐
Druckwasser
-­‐
Flüssigsalz
-­‐
-­‐
Druckbehälter
(Wasser)
-­‐
hohe
Wärmeverluste
-­‐
Wärmeüberganswiderst.
-­‐
Temperaturniveau
nicht
konstant
Dampfspeicher
Speicherung
sensibler
Wärme
in
Druckwasser,
Phasenwechsel
Wärmeträger
bei
Be-­‐
und
Entladung
(Ruths-­‐Speicher)
-­‐
Druckwasser
-­‐
Abdeckung
von
Leistungsspitzen
-­‐
Speichermedium
günsZg
-­‐
bis
374°C
bei
221bar
-­‐
Feststoffspeicher
Speicherung
sensibler
Wärme
in
festem
Speichermedium
mit
integriertem
Wärmeübertrager
-­‐
Beton
-­‐
(Stein,
Metalle)
-­‐
kein
Druckbehälter
-­‐
preiswertes
Speichermed.
-­‐
bis
550°C
-­‐
Pilotprojektstadium
-­‐
geringe
Wärmeleif.
-­‐
Leistungsanpassung
Latentwärmespeicher
Isotherme
Speicherung
latenter
Wärme
in
einem
Medium
mit
Phasenwechsel
(PCM)
während
Be-­‐
und
Entladung
-­‐
Tech.
Salze
-­‐
Metalle
und
Legierungen
-­‐
hohe
Speicherdichte
-­‐
kein
Druckbehälter
-­‐
bis
1000°C
-­‐
Pilotprojektstadium
-­‐
z.T.
geringe
WärmeleiW.
-­‐
Kosten
Speichermedium
Ad-­‐/AbsorpZonsspeicher
Speicherung
phys.
Bindungswärme
durch
Ausheizung
eines,
an
einem
festen
bzw.
flüssigen
Stoff
A
angelagerten
bzw.
gelösten
Stoffes
B
-­‐
Natronlauge
-­‐
Zeolith
-­‐
Silikagel
-­‐
Metallhydride
-­‐
Nutzung
KondensaZonswärme
-­‐
Temperaturhub
möglich
-­‐
keine
Wärmeverluste
-­‐
150
bis
300°C
-­‐
z.T.
Pilotprojektstadium
-­‐
Druckabhängig
-­‐
geringe
Wärmeleif.
-­‐
evtl.
Reaktor
notwendig
ReakZonswärmespeicher
Speicherung
chem.
ReakZonswärme
durch
Aufspaltung
eines
Stoffes
AB
unter
Wärmezufuhr
in
die
separierten
Stoffe
A
und
B
-­‐
Ammoniaksynt.
-­‐
DehydraZsieru.
/Decaboxillieru.
von
Metallen
-­‐
höchste
Speicherdichte
-­‐
keine
Wärmeverluste
-­‐
250
bis
950°C
-­‐
Laborstadium
-­‐
Zyklenstabillität
AB+ΔHR A+B-ΔHR -­‐
Reaktor
notwendig

17. Sensible Wärmespeicher: Fluidspeicher mit Flüssigsalz
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Va9enfall
17
Beispiel: Solar Two
§ Anwendungen mit großen
Temperaturspreizungen
§ 1400 Tonnen 60 % NaNO3 + 40 % KNO3
§ „kalter“ Tank: 290 °C, Material: Stahl
§ „heißer“ Tank: 565 °C, Material: Edelstahl
§ Speicherkapazität: 110 MWh (35,5 MW x 3 h)
§ Speicherdichte: ca. 0,56 kWh/m³K
§ Ø
Wärmeverlustleistung ca. 200 kW
§ Dämmung: „Foamglas“ + Firebricks
Quelle: [0231], [0189], [0186]
11,6m
7,8m
8,4m
Flexibles Kraftwerk
Abb. 5: Kraftwerk Solar Two im Bild und schematisch (Quelle: 0231)

18. Sensible Wärmespeicher: Feststoffspeicher mit N4-Beton DLR
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Wissenscha@stag
Va9enfall
18
Beispiel: Plataforma Solar de Almería, Spanien, (Pilotanlage)
§ Anwendungen mit
großen Temperaturspreizungen
§ Temperaturen von 200 °C bis 500 °C
§ Speicherkapazität: ca. 1 MWh
§ Speicherdichte: ca. 0,63 kWh/m³K
§ Ø
Wärmeverlustleistung ca. 9 kW
§ Wärmeübertrager im Beton integriert
§ Dämmung durch 400 mm Mineralwolle
§ hohes Kostensenkungspotenzial durch
höhere Wärmeleitfähigkeit im Speicher-medium
Quelle: [0060]
1,7m
1,3m
8,37m
Quelle: [0053], [0060]
Flexibles Kraftwerk
Quelle: [0018]
Abb. 6: Betonspeicher im Bild und schematisch

19. Latente Wärmespeicher: Salz NaNo3
29.10.2014
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Wissenscha@stag
Va9enfall
19
Beispiel: Carboneras Spanien (Pilotanlage)
§ Anwendungen mit kleinen Temperaturspreizungen
§ Phasenwechseltemperatur 306 °C
§ Nutzung Schmelzwärme NaNO3 zur Verdampfung
Speicher = Dampferzeuger!
§ Speicherkapazität: ca. 0,72 MWh (0,24 MW x 3 h)
§ Speicherdichte: ca. 84 kWh/m³ (Schmelzwärme)
§ Wärmeübertrager integriert
§ konstante Entladetemperatur
§ Dämmung durch 400 mm Mineralwolle
§ hohes Kostensenkungspotenzial durch
höhere Wärmeleitfähigkeit im Speichermedium
Quelle: [0038], [0071]
Flexibles Kraftwerk
Abb. 7: Salzspeicher im Bild und schematisch (Quelle: 0036)

20. Flexibles Kraftwerk
29.10.2014
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Wissenscha@stag
Va9enfall
20
Identifikation vorhandener nutzbarer thermischer Speicher im
Kraftwerksprozess.
Abb. 8: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses (Quelle: 0231)

21. 21
Flexibles Kraftwerk
§ Erhöhung der vorhandenen thermisch nutzbaren Speicherkapazitäten im
Kraftwerksprozess durch Integration thermischer Energiespeicher.
Hydraulische Grundschaltungen thermischer Energiespeicher:
§ Parallelschaltung
§ Reihenschaltung
Prinzipiell nutzbare Energieströme:
§ Frischdampf
§ Abdampf HD-Teil
§ Anzapfdampf HD-, MD, ND-Teil
§ Speisewasser HD-Vorwärmung
§ Speisewasser Speisewasserbehälter
§ Speisewasser ND-Vorwärmung
29.10.2014
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7.
Wissenscha@stag
Va9enfall

22. PND: Parallelschaltung zur ND-Turbine, Fernwärmespeicherung
§ Substitution ND-Turbine
§ T = 270-280 °C
§ ΔT = 240-260 K
§ p = 4-6 bar
§ Δp = 4-6 bar
§ Einspeicherung von
Entnahmedampf
§ Ausspeicherung
von Fernwärme
§ Speicherauslegung
abhängig von
Lastkurve
Fernwärme
29.10.2014
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Wissenscha@stag
Va9enfall
22
Flexibles Kraftwerk
Abb. 9: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses mit thermischem Energiespeicher im Fernwärmesystem

23. RES: Reihenschaltung zur Erhöhung vorhandener Speichermassen
§ Speicherkapazitäten als
Dämpfungsglied
§ TFD = 555 °C
§ TSW = 240-270 °C
§ p = 155-300 bar
29.10.2014
A.
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Zi9au/Görlitz
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7.
Wissenscha@stag
Va9enfall
23
Flexibles Kraftwerk
Abb. 10: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses mit thermischem Energiespeicher in der Frischdampfstrecke

24. N4-­‐Beton
DLR
Wasser
Siedelinie
NaNO3
Siededruck
0
100
200
300
400
500
600
24
Flexibles Kraftwerk
§ Idealisierte Darstellung der temperaturabhängigen Speicherdichte
verschiedener Speichermedien
10bar
46bar
221bar
129bar
1bar
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
gespeicherte
Energie
in
kWh/m³
Temperatur
in
°C
29.10.2014
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Wissenscha@stag
Va9enfall

25. Flexibles Kraftwerk
§ Bewertungskriterien für die Auswahl thermischer Energiespeicher zum
29.10.2014
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7.
Wissenscha@stag
Va9enfall
25
Temperaturniveau
Speicherkapazität
Zyklenstabilität
Wärmeleifähigkeit
Druckabhängigkeit
Korrosion
ökologische/
ökonomische
Aspekte
VolumendilataZon
Einsatz im Kraftwerksprozess (Auszug).

26. 26
Flexibles Kraftwerk
Medium
Art
Speicherkapazität
160-­‐270
°C
[kWh/m3]
Kostenfaktor
bezogen
auf
Wasser
[-­‐]
Therminol72
Flüssigkeit
64
190
N4-­‐Beton
DLR
Feststoff
70
10
Wasser
Flüssigkeit
83
1
Hitec
(flüssig)
Flüssigkeit
97
136
NaNO3+KNO3
60/40
PCM
118
75
Gussstahl
Feststoff
143
2100
AlCl3
PCM
268
2500
LiNO3
PCM
372
10000
§ Wasser wird als am besten geeignet bewertet!
§ Wasser ist bereits im Kraftwerksprozess vorhanden.
§ Für die Integration sind keine zusätzlichen Wärmeübertrager erforderlich
(maßgeblicher Beitrag zum Exergieerhalt der eingespeicherten Energie).
29.10.2014
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Wissenscha@stag
Va9enfall

27. 27
Flexibles Kraftwerk
§ Qualitativer Vergleich zwischen bisherigem Kraftwerksprozess und
flexibilisiertem Kraftwerksprozess.
qualitativer Lastverlauf
qualitativer Lastverlauf mit Speicher
29.10.2014
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Wissenscha@stag
Va9enfall
Quelle: [0173]
100
40
24
Tagesstunden
Block-Last in %
Beispielhafter Block-Lastverlauf
2
3
3
Block-Last in %
Regelenergiebereitstellung
100
40
IST SOLL
Primär- u.
Sekundär-regelleistung
Lastregelbereich 4 4
1
Mindestlastabsenkung
(P
<
40
%)
Überlasfähigkeit
(P
>
100
%)
Erhöhung
Laständerungsgeschwindigkeit
(P/min.)
Erhöhung
Regelenergiebereitstellung
1
2
3
4

28. 28
Gliederung
1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher?
2. Einteilung von Energiespeichern
3. Bedarf an Energiespeichern
4. Flexibles Kraftwerk
5. Zusammenfassung
29.10.2014
A.
Kratzsch
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Wissenscha@stag
Va9enfall

29. 29
Zusammenfassung
§ Deutschland steht vor einem signifikanten Umbau des Energieversorgungs-systems.
§ Aufgrund des rasanten Zubaus von Erneuerbaren Energien ist davon auszu-gehen,
dass zukünftig die bestehenden Stelleinrichtungen an ihre Leistungs-grenzen
kommen und die Netzstabilität nicht sicherstellen können.
§ Stromspeicher sind geeignet, Systemdienstleistungen zu erbringen und kön-nen
damit als Stelleinrichtung im Verbundnetz eingesetzt werden.
§ Der Aufbau der erforderlichen Infrastruktur ist mit hohen Kosten und langen
Zeiträumen verbunden.
§ Bestandskraftwerke garantieren schon jetzt die Stabilität des Verbundnetzes.
§ Die weitere Flexibilisierung der Kraftwerksanlagen durch die Integration ther-mischer
Energiespeicher leistet einen Beitrag zur Erweiterung der Stellmög-lichkeiten
der Kraftwerke.
29.10.2014
A.
Kratzsch
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7.
Wissenscha@stag
Va9enfall

30. Merkmale:
§ Nachbildung kraftwerksrelevanter Wasser-
Dampf-Prozesse bis max. 350 °C und 160 bar
§ universelle Schnittstelle für die Integration
externer Untersuchungsgegenstände
§ max. 0,1 kg/s Dampf, 0,5 kg/s Speisewasser
§ korrosionsbeständige Ausführung
Untersuchungsschwerpunkte:
§ Analyse kraftwerksrelevanter Prozesse
§ Integration thermischer Energiespeicher in
den Kraftwerksprozess
§ Einzeleffektanalysen
30
Ausblick
Energieeffizienzsteigerung in thermischen Energieanlagen
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Versuchsanlage THERESA
A.
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Va9enfall

31. [0018] DLR: „Schlussbericht Forschungsvorhaben WANDA WESPE-Speichertechnologie für ANDASOL“;
[0038] Laing et al: „Test and Evaluation of a thermal energy storage system for direct steam generation“;
[0071] Steinmann, Schulte, Scherrer: „EVA Thermische Energiespeicherung zur Verstromung diskontinuier-licher
[0126] Kurt, Greiner, Kallina: „Verbesserung des Regelverhaltens von Dampfkraftwerksblöcken“; STEAG
[0173] Schüle, V.: „Betriebsflexibilität“; Alstom; 2011; Legin, M.: „Thermische Energiespeicherung für DKW;
[0186] Pacheco, Kelly, Herrmann, Cable, Mahoney, Price, Blake, Nava, Potrovitza: „Engineering aspects of
[0231] Pacheco J.: „Final test and evaluation results from the solar two project“, SNL; 2002
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A.
Kratzsch
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Hochschule
Zi9au/Görlitz
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7.
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