Superkritisches Kohlendioxid in der thermischen Energietechnik

Motivation zur Gründung des Labs

© David Spura, TU Dresden

Kraftwerksprozesse auf Basis von superkritischem Kohlendioxid (sCO₂) versprechen, im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik, einen deutlichen Sprung in Leistungsdichte und Effizienz. Möglichkeiten liegen beispielsweise in deutlich kompakteren und weniger komplexen Einzelkomponenten, welche nicht nur Investitionskosten senken, sondern mit einer flexibleren Einbindung regenerativer und sekundärer Wärmequellen zu einer nachhaltigeren Stromerzeugung beitragen können (vgl. Abb. 1).

Eigenschaften von superkritischem CO₂ und sich daraus ableitende Zukunftsperspektiven bei der Anwendung als Arbeitsmedium in Kreisprozessen

Die Eigenschaften von sCO₂ :

• hohe Dichte
• hohe Wärmekapazität
• niedrige Viskosität
• kostengünstig
• ungiftig
• kein Phasenwechsel im superkritischen Zustand

führen zu folgenden technologischen Möglichkeiten:

• kompaktere Baugröße einzelner Komponenten
• niedrigere Komplexität der Bauteile
• höhere Effizienz bei der Energieumwandlung
• kein Wasserbedarf im Kreisprozess

Durch diese technologischen Möglichkeiten ergeben sich die im folgenden aufgeführten Vorteile und Zukunftsperspektiven:

• niedrigere Stromgestehungskosten
• niedrigere Investitionskosten
• geringere ökologischer Footprint von Energieanlagen
• einfachere Erschließung regenerativer und sekundärer Wäremquellen
• nachhaltigere Stromerzeugung

Ziel des Labs

Mit dem suCOO-Lab soll das Forschungsfeld sCO₂ in der thermischen Energietechnik der TU Dresden etabliert werden. Dabei steht vor allem auch die Zusammenarbeit mit Partnern aus Forschung und Industrie im Vordergrund. Durch die Errichtung einer Versuchsanlage liefert das suCOO-Lab die Grundlage erster experimenteller Arbeiten. Der prinzipielle Aufbau ist als Blockschaltbild in Abbildung 3 dargestellt.

© Sebastian Rath, TU Dresden

Hier finden Sie den detaillierten Alternativtext zu Abbildung 2.

Inhaltliche Schwerpunkte

Forschungsinhalte des suCOO-Labs erstrecken sich in Abhängigkeit der beteiligten Partner sowie des jeweiligen Anwendungsgebiets über vielfältige interdisziplinäre Themenbereiche, darunter:

Grundlagenforschung

• Schnelle hochgenaue Stoffdatenermittlung für Prozess- und Strömungssimulationen
• Prädiktive Modelle überkritischer Fluidgemische
• Experimentelle Validierung numerischer Ansätze
• Wärmeübergangsmessungen
• Werkstoffverhalten und Korrosion

Komponenten- und Prozessentwicklung

• Einbindung alternativer Design- und Fertigungskonzepte wie z.B. additive Fertigung
• Dichtungslösungen hochdynamischer Komponenten
• Lastflexibilität, Mess- und Regelverhalten superkritischer Energieanlagen
• Betriebsgrenzen und Prozessstabilität
• Sicherheitsaspekte

Transferorientierte Forschung

• Kopplung sCO₂-Prozess <> Speicher
• Alternative Anwendungsbereiche
• Übertragung auf bestehende regenerative Konzepte
• Lösungen für Abwärmenutzung in der Prozesstechnik <> Schnittstelle P2O-Lab

Ansprechpartner

© Michael Kretzschmar

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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Herr Dr.-Ing. Andreas Jäger

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Organisationsname

Professur für Thermodynamik

Professur für Thermodynamik

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Besuchsadresse:

Merkel-Bau (MER), Raum 203 Helmholtzstraße 14

01069 Dresden

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work Tel.

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+49 351 463-37759

© Michael Kretschmar

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Name

Herr Dipl.-Ing. Sebastian Rath

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Besucheradresse:

Merkelbau, Raum 208 Helmholtzstraße 14

01069 Dresden

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Partner

• Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
• Bereich Mathematik und Naturwissenschaften der TU Dresden

Veranstaltungen

• Mitorganisation und Teilnahme an der  „European sCO2 Conference“

Projekte

CARBOSOLA

Veröffentlichungen

Zeitschriftenartikel / Konferenzartikel

• Gampe, U.; Henoch, J.; Gerbeth, G.; Hannemann, F.; Rath, S.; Hampel, U.; Glos, S: Concept and preliminary design of a 600 °C+ sCO2 test facility, Proceedings of the 2^nd European sCO2 Conference 2018, Essen, Germany
• Jäger, A.; Bell, I.H.;  Breitkopf, C. (2018): A theoretically based departure function for multi-fluid mixture models, Fluid Phase Equilib. 469,  56–69. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2018.04.015.
• Jäger, A.; Mickoleit, E.; Breitkopf, C. (2018): A Combination of Multi-Fluid Mixture Models with COSMO-SAC, Fluid Phase Equilib. 476, 147–156. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2018.08.004.
• Jäger, A.; Mickoleit, E.; Breitkopf, C. (2019): Accurate and Predictive Mixture Models Applied to Mixtures with CO2 , Proceedings of the 3rd European sCO2 Conference, September 2019, Paris, Frankreich. https://doi.org/10.17185/DUEPUBLICO/48891.
• Rath, S.; Mickoleit, E.; Gampe, U.; Breitkopf, C.; Jäger, A. (2021): Study of the Influence of Additives to CO2 on the Performance Parameters of a sCO2-Cycle, Proceedings of the 4th European supercritical CO2 conference, März 2021, Online-Konferenz. https://doi.org/10.17185/duepublico/73965.
• Unger, S.; Müller, J.; Mohankumar, M.B.; Rath, S.; Hampel, U. (2021): Numerical dimensioning of a pre-cooler for sCO2 Power Cycles to Utilize Industrial Waste Heat, Proceedings of the 4th European supercritical CO2 conference, März 2021, Online-Konferenz. https://doi.org/10.17185/duepublico/73968

• Rath, S.; Gampe, U.; Breitkopf, C.; Jäger, A. (2022): Impact of selective admixture of additives to carbon dioxide on the size of sCO2 power cycle key components, Proceedings of The 7th International Supercritical CO2 Power Cycles Symposium, San Antonio, Texas, USA, 2022.

• Rath, S.; Mickoleit, E.; Gampe, U.; Breitkopf, C.; Jäger, A. (2022): Systematic analysis of additives on the performance parameters of sCO2 cycles and their individual effects on the cycle characteristics, Energy 252, 123957. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.12395

• Gotelip, T.; Gampe, U.; Rath, S.; Jäger, A.; Glos, S. (2023): Parametric Analysis of Heat Exchanger Design in a Techno-Economic Optimization of a sCO2 System, Proceedings The 5th European sCO2 Conference for Energy Systems, Prag, Tschechische Republik, 2023. https://doi.org/10.17185/duepublico/77280

• Rath, S.; Gampe, U.; Breitkopf, C.; Jäger, A. (2023): Design and Setup of the suCOO-Lab sCO2 Test Facility at TU Dresden, Proceedings The 5th European sCO2 Conference for Energy Systems, Prag, Tschechische Republik, 2023. https://doi.org10.17185/duepublico/77269

• Rath, S.; Gampe, U.; Jäger, A. (2023): Influence of the Equation of State on the Design of sCO2-Power Cycles, Proceedings The 5th European sCO2 Conference for Energy Systems, Prag, Tschechische Republik, 2023. https://doi.org/10.17185/duepublico/77268

Vorträge und Poster

•  Jäger, A.; Mickoleit, E.; Bell, I.H.; Breitkopf, C. (2018): Die Kombination von Multifluid-Gemischmodellen mit UNIFAC und COSMO-SAC, Thermodynamik-Kolloquium, September 2018, Kassel. Vortrag.
• Rath, S. (2018): Prospects and Challenges of Supercritical Carbon Dioxide (sCO2) as an Alternative Working Fluid in Power Generation, 32nd Turbomachinery Workshop, Oktober 2018, Szczyrk, Polen, Vortrag.
• Jäger, A.; Mickoleit, E.; Breitkopf, C. (2019): Accurate and Predictive Mixture Models Applied to Mixtures with CO2, 3rd European supercritical CO2 conference, September 2019, Paris, Frankreich, Vortrag.
• Jäger, A.; Mickoleit, M.; Breitkopf, C. (2019): Prädiktive Multifluid-Gemischmodelle angewandt auf Zustandsgrößen im homogenen Gebiet, Thermodynamik-Kolloquium, September 2019, Duisburg, Poster.
• Gampe, U.; Rath, S. (2019): Energiewende – Perspektiven thermischer Turbinen, 51. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, Oktober 2019, Dresden, Vortrag
• Glos, S.; Wechsung, M.; Gampe, U.; Rath, S. (2019): Supercritically from heat to power, VGB Fachtagung Gasturbinen und Gasturbinenbetrieb, Juni 2019, Mainz, Vortrag.
• Rath, S.; Mickoleit, E.; Gampe, U.; Breitkopf, C.; Jäger, A. (2021): Study of the Influence of Additives to CO2 on the Performance Parameters of a sCO2-Cycle, The 4th European sCO2 Conference for Energy Systems, März 2021, Online-Konferenz, Vortrag.
• Unger, S.; Müller, J.; Mohankumar, M.B.; Rath, S.; Hampel, U. (2021): Numerical dimensioning of a pre-cooler for sCO2 Power Cycles to Utilize Industrial Waste Heat, The 4th European sCO2 Conference for Energy Systems, März 2021, Online-Konferenz, Vortrag.

• Rath, S.; Gampe, U.; Breitkopf, C.; Jäger, A. (2022): Impact of selective admixture of additives to carbon dioxide on the size of sCO2 power cycle key components, The 7th International Supercritical CO2 Power Cycles Symposium, Februar 2022, San Antonio, Texas, USA.

• Gotelip, T.; Jäger, A.; Gampe, U.; Glos, S. (2022): Optimization Strategies of Different sCO2 Architectures for Gas Turbine Bottoming Cycle Applications, 34th Workshop Turbomachinery, September 2022, Danzig, Polen.

• Gotelip, T.; Gampe, U.; Rath, S.; Jäger, A.; Glos, S. (2023): Parametric Analysis of Heat Exchanger Design in a Techno-Economic Optimization of a sCO2 System, Proceedings The 5th European sCO2 Conference for Energy Systems, März 2023, Prag, Tschechische Republik, Vortrag.

• Rath, S.; Gampe, U.; Breitkopf, C.; Jäger, A. (2023): Design and Setup of the suCOO-Lab sCO2 Test Facility at TU Dresden, Proceedings The 5th European sCO2 Conference for Energy Systems, März 2023, Prag, Tschechische Republik, Vortrag.

• Rath, S.; Gampe, U.; Jäger, A. (2023): Influence of the Equation of State on the Design of sCO2-Power Cycles, Proceedings The 5th European sCO2 Conference for Energy Systems, März 2023, Prag, Tschechische Republik, Vortrag.

• Jäger, A. (2023): Supercritical CO2 cycles: principles, modeling, and experimental setups, Workshop on thermophysical properties and related topics, März 2023, Prag, Tschechische Republik, Vortrag.

• Jäger, A. (2023): Blends for sCO2 in Power Cycles, SCARABEUS-Exhibition and Workshop, Juni 2023, Wien, Österreich, Vortrag.