Wegweisendes Design der Wärmetauscher mit 3D-Technologie

Im Gegensatz zu herkömmlichen Dampfturbinen sind Turbomaschinen mit überkritischem CO₂ kompakter und erfordern eine hocheffiziente Wärmerückgewinnung durch innovative Wärmetauscher. Die einzigartigen Eigenschaften von sCO₂ erfordern eine präzise aerodynamische Optimierung, fortschrittliche Dichtungs- und Lagertechnologien sowie Materialien, die extremen Drücken und Temperaturen standhalten.

Durch 3D-Topologieoptimierung und den Einsatz von hochmodernen Materialien entwickelt Kelvion Hochleistungswärmetauscher, die auf diese anspruchsvollen Bedingungen zugeschnitten sind. Der Einsatz des 3D-Drucks ermöglicht nicht nur eine größere Designflexibilität, sondern verspricht auch deutlich kürzere Produktionszeiten im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren. Sobald sich dieses Verfahren als praxistauglich erwiesen hat, können es in großem Maßstab kommerzialisiert und in der Industrie eingesetzt werden.

Umwandlung energieintensiver Industrien

Während Wasser-Dampf-Kreisläufe in der Stromerzeugung gut etabliert und weit verbreitet sind, führt die Energiewende zu einem wachsenden Interesse an alternativen Technologien wie sCO₂. In der Vergangenheit war die Nachfrage nach sCO₂-Systemen, insbesondere in Europa, begrenzt. Der wachsende Bedarf an höherer Effizienz und geringerer Umweltbelastung führt jedoch zu einer Verschiebung dieser Dynamik.

Überkritische CO₂-Kraftwerke bieten dabei mehrere Vorteile:

• Höherer Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.
• Kleinere, kompaktere Komponenten, die das Systemdesign vereinfachen und die Kosten senken.
• Minimaler Wasserverbrauch

Diese Vorteile machen die sCO₂-Technologie zu einer transformativen Lösung für Bereiche wie Abwärmerückgewinnung, Geothermie, solarthermische Anwendungen und thermische Energiespeichersysteme.

„Die Beteiligung von Kelvion am ESCO-Projekt spiegelt unser Engagement für die Weiterentwicklung von Energietechnologie und Nachhaltigkeit wider“, sagt Stefan Ziegler (VP Research and Innovation). „Durch die Zusammenarbeit mit führenden Industriepartnern wollen wir das Design von Wärmetauschern neu definieren, neue Industriestandards etablieren und einen transformativen Wandel in den globalen Energiesystemen vorantreiben. Gemeinsam tragen wir zu einer effizienteren, nachhaltigen Energiezukunft bei.“

Über ESCO

Mit der weltweit stattfindenden Energiewende muss die Weiterentwicklung und der Ausbau von regelbaren Erzeugungseinheiten und Energiespeichern zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit und Systemstabilität sowie der Wärmeversorgung vorangetrieben werden. Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Kohlendioxid oberhalb des kritischen Punktes (31°C, 73,8 bar) ergeben sich Vorteile beim Einsatz in thermodynamischen Kreisprozessen. Diese Kreislaufprozesse erreichen höhere Wirkungsgrade und eine deutliche Reduzierung der Größe und Komplexität der einzelnen Komponenten. Dies ermöglicht eine effizientere Nutzung industrieller (Ab-)Wärme, geothermischer und solarer Wärmequellen sowie thermischer Energiespeichersysteme. Wärmequellen, die bisher nicht wirtschaftlich genutzt werden konnten, haben somit das Potenzial für eine stabile Energieversorgung. Allerdings gibt es einige Herausforderungen, bevor die Kommerzialisierung vorangetrieben werden kann. Zu den wichtigsten Herausforderungen für sCO2-Turbomaschinen gehören die Wärmerückgewinnung, die aerodynamische Optimierung, neue Dichtungs- und Lagertechnologien, die Eignung von Werkstoffen für hohe Drücke/Temperaturen und die begrenzte Betriebserfahrung mit Kontrollsystemen. Diese Probleme sollen angegangen werden, um die technische Reife zu verbessern.

Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, diese Herausforderungen anzugehen und die grundlegende technische Auslegung von Systemen und Komponenten von sCO2-Kreisläufen zur Abwärmenutzung und thermischen Energiespeicherung zu schaffen.

Das ESCO-Projekt baut direkt auf den Ergebnissen des Vorgängerprojekts CARBOSOLA (https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=63555&pNid=0&pLang=de) auf und die gewonnenen Erkenntnisse können für den Bau eines Technologiedemonstrators genutzt werden.

Einzelne Komponenten, wie die Wärmetauscher und die Durchflussmesstechnik, werden bis zum Versuchsaufbau im Labor weiterentwickelt und geeignete Materialien unter CO2-Atmosphäre validiert.