In einer Forschungskooperation unterstützt das IET die Firma Hydrotaurus GmbH bei der Entwicklung einer Hubkolbenmaschine mit CO2 als Arbeitsmedium, welches sich stets im überkritischen (im superkritischen) Zustandsbereich befindet. Die Maschine soll dazu genutzt werden, thermische Energie von niedriger Temperatur (Niedertemperaturwärme) in möglichst hohem Maße in mechanische Energie umzuwandeln.

Während eines Arbeitszyklus tauscht das Arbeitsmittel mechanische Energie mit einem hydraulischen System aus, in welchem Hydrauliköl von einem niedrigen auf ein hohes Druckniveau gebracht wird. In idealisierter Weise nehmen dabei die Zustandsänderungen des Arbeitsmittels während des Kreisprozesses in einem Zustandsdiagramm, bei dem der Druck über dem spezifischen Volumen aufgetragen wird (p,v-Diagramm), eine rechteckige Gestalt an.

Bei gegebenen Temperaturniveaus der Wärmezufuhr und der Wärmeabfuhr ist die Geometrie der Hubkolbenmaschine so zu wählen, dass die vom Kreisprozess eingeschriebene Fläche möglichst groß wird. In den Abbildungen sind beispielhaft zwei Kreisprozesse im p,v- und im T,s-Diagramm (Temperatur über Entropie) dargestellt.

Konzentrierende Solarkraftwerke (Concentrated Solar Power, CSP) können im 21. Jahrhundert eine wichtige Rolle hinsichtlich des Energiemixes zur Versorgung mit elektrischer Energie spielen. Leider haben die Stromgestehungskosten für CSP’s noch nicht den erwarteten Zielwert erreicht - abgesehen von einigen Anlagen in besonders guter Lage.

Viele der heute durchgeführten Forschungsprojekte haben daher die Wirkungsgradsteigerung der Kraftwerksanlage zum Ziel, um damit gleichzeitig die Stromgestehungskosten der superkritischen CO₂-Anlagen zu verringern. Trotzdem bleiben die relativ hohen Umgebungstemperaturen an Orten hoher Sonnenstrahlung die Schwachstelle von superkritischen CO₂-Systemen. Die Ursache dafür ist die starke Wirkungsgradreduktion, wenn die Umgebungstemperatur gleich oder höher als die kritische Temperatur von reinem CO₂ (31 °C) ist, weil der Rankine-Kondensationsprozess mit seinem, gegenüber dem geschlossenen Gasturbinenprozess, höheren Wirkungsgrad nicht realisiert werden kann. Der beschriebene Zusammenhang stellt für die Kommerzialisierung rankinebasierter CSP-Anlagen eine kritische Hürde dar, die unter Anwendung der Standardtechnologie kaum gelöst werden kann.

Um dieses Problem zu lösen, beschäftigt sich das vorliegende Projekt mit einem modifizierten Arbeitsmedium, d. h. dass das CO₂ mit entsprechend geeigneten Additiven vermengt wird, um die Kondensationstemperatur auf 60 °C anzuheben. Gleichzeitig müssen die Mischungen bei den höchsten Kreisprozesstemperaturen thermisch stabil sein. Diese Entwicklung kann den Durchbruch für den Einsatz der CSP-Technologie bedeuten, weil sich der elektrische Wirkungsgrad von den derzeit erreichbaren 42 % auf mehr als 50 % steigern lässt, womit eine starke Reduktion der Stromgestehungskosten einhergeht.

Zwei Forschungsschwerpunkte kennzeichnen dieses Projekt: Der erste beschäftigt sich mit dem Auffinden des optimalen Additives, wodurch sich die Abmessungen des Kraftwerksblocks reduzieren und der Wirkungsgrad steigt. Der zweite Punkt betrifft die Entwicklung entsprechender Wärmetauscher – im Besonderen des Air-Cooled-Condensers, um das innovative Arbeitsmedium im Kraftwerksprozess bestmöglich einsetzen zu können. Beide Beiträge führen zu einer signifikanten Abnahme von CAPEX und OPEX im Vergleich zu konventionellen CSP-Technologien.

Ziele:

Das Projekt hat die Entwicklung und Demonstration eines innovativen Kraftwerksprozesses mit CO₂-Additivmischungen für CSP-Anwendungen zum Ziel. Höhere Wirkungsgrade unter Einsatz der Mischungen erlauben die Verwendung des Rankine-Kondensationsprozesses und  aus den höheren Wirkungsgraden resultieren bei gegebener Leistung kleinere Maschinen und damit niedrigere Kosten.

Im SCARABEUS-Projekt soll die Anwendung von CO₂-Additiv-Mischungen demonstriert werden, um CAPEX um 30 % und OPEX um 35 % zu reduzieren. Das innovative Arbeitsmedium und die neu entwickelten Wärmetauscher (300 kW_th) werden im Rahmen des Projektes für 300 h in einer CSP-ähnlichen Umgebung getestet.

CO2Refinery ist ein Doktoratskolleg an der TU Wien und ermöglicht exzellente Forschung in Kombination mit multi- und interdisziplinärem wissenschaftlichen Training

Das Hauptziel dieses vierjährigen Forschungsprogramms ist die Durchführung modernster multidisziplinärer Forschung und Entwicklung im Bereich überkritischer CO₂ basierter Stromerzeugungssysteme. Weiters wird das Potential solcher Systeme, eine grundlegende Änderung der damit verwirklichbaren Kreisprozesse zu ermöglichen, untersucht. Damit leistet dieses Projekt einen wichtigen Beitrag zum Erreichen der Null-Emissionsziele für 2050 und bietet gleichzeitig eine spezielle Ausbildung für 15 Doktoratsstudierende, um das Rückgrat eines wichtigen, im Aufbau befindlichen Industriezweigs aufzubauen. Die technischen Ziele dieser Forschung sind:

1. Entwicklung fortschrittlicher Modelle und Designtools, die die optimale Integration von sCO₂-Energiesystemkomponenten für verschiedene thermische Energiequellen und Endverbrauchsanwendungen ermöglichen,
2. Entwicklung von präzisen Softwaretools für die Simulation des transienten Betriebs von sCO₂-Kreisprozessen. Basierend darauf die Bereitstellung von fortschrittlichen Konzepten zur Regelung und Betriebsoptimierung,
3. Entwicklung innovativer Methoden zur Verbesserung der aerodynamischen und mechanischen Leistung, Zuverlässigkeit und Funktionsfähigkeit wichtiger Systemkomponenten
4. Entwicklung fortschrittlicher Modellierungs- und experimenteller Methoden, welche die Auswahl und Entwicklung von Materialien, Beschichtungen und Fertigungstechniken ermöglichen

ISOP ist ein EU-finanziertes Projekt (Call: HORIZON-MSCA-2021-DN-01), das aus vier Forschungs-Arbeitspaketen besteht. 15 Doktoratsstudierende forschen für insgesamt 540 Personenmonate an dem ehrgeizigen Plan zur Weiterentwicklung der sCO₂-Technik.

Das Projekt zielt darauf ab, einen Beitrag zur EU-Agenda für den Europäischen Forschungsraum zu leisten, indem es „eine neue Generation kreativer, unternehmerischer und innovativer Nachwuchsforscher“ ausbildet, die sich künftigen Herausforderungen stellen und Wissen und Ideen in Produkte und Dienstleistungen für Wissenschaft und Wirtschaft umwandeln können. Darüber hinaus stehen die Unterstützung und Einhaltung der Sustainable Development Goals der Vereinten Nationen im Mittelpunkt der Ausbildung.

Projektpartner

1. CITY UNIVERSITY OF LONDON UK
2. UNIVERSIDAD DE SEVILLA ES
3. INSTITUTO SUPERIOR TECNICO PT
4. UNIVERSITY OF STUTTGART DE
5. NUOVO PIGNONE TECNOLOGIE SRL IT
6. TOTALENERGIES SE FR
7. MEGGITT UK LIMITED UK
8. EMPRESARIOS AGRUPADOS INTERNACIONAL SA ES
9. FUNDACION ANDALUZA PARA EL DESARROLLO AEROESPACIAL ES
10. SOFTINWAY SWITZERLAND GmbH CH
11. TU WIEN AT
12. EUROPEAN TURBINE NETWORK Belgium
13. INERCO INGENIERIA, TECNOLOGIA Y CONSULTORIA, SA Spain
14. EASY ENERGY CONSULTING & TECHNOLOGY SA CH
15. ROSSWANG GmbH DE
16. CESKE VYSOKE UCENI TECHNICKE V PRAZE Czechia
17. DOOSAN SKODA POWER SRO Czechia

Kontakt

Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.
Markus HAIDER
Telefon: +43 1 58801 302 08
E-Mail: markus.haider@tuwien.ac.at