Ausgabe - VGB PowerTech Journal 11/2020

Die Corona-Herausforderungen

Die Corona-/Covid-19-Krise hat die Welt weiterhin fest im Griff. Während zur Jahresmitte mit sinkenden Infektionszahlen und Erkrankungen die Hoffnung aufkeimte, dass sich diese Pandemie ihrem Ende zuneigt, zerschlug sich diese zum Jahresende. Die Infektionszahlen und Erkrankungen stiegen wieder, nicht nur regional, sondern über alle Regionen und Staaten, und dies teils rasant. Entsprechend waren erneut Maßnahmen zur Eindämmung dieser Entwicklung erforderlich, d.h. sowohl das private als auch öffentliche Leben wurden und werden eingeschränkt. [weiter...]

Digitalisierung im Energiesektor – Status-quo, Ausblick und Handlungsbedarf

Paul Weigel und Klaus Görner

Digitalisierung und Industrie 4.0 werden weitreichende Auswirkungen auf den Energiesektor haben. Für die Akteure aller Wertschöpfungsstufen und Erzeugungstechnologien ergeben sich neue Chancen und Möglichkeiten, aber auch neue Herausforderungen. Das VGB-Projekt DigiPoll@Energy (VGB P428) analysiert die Sicht auf die Digitalisierung sowie den aktuellen Stand und die erwartete Entwicklung unter ordentlichen VGB-Mitgliedern mit dem Ziel, den Weg für gemeinsame Forschungsprojekte und unterstützende Aktivitäten des VGB für seine Mitglieder zu bereiten.

Dazu wurde im Dezember 2019 eine Online-Umfrage gestartet. Umfangreiche Antworten wurden von 35 Teilnehmern beigetragen. Anschließend wurden mit 5 Interviewpartnern Deep Dive Interviews zur Klärung von Fragen und zur Vertiefung spezifischer Sachverhalte durchgeführt.

Die Umfrage zeigt, dass sich die Unternehmen der anstehenden Veränderungen sowohl auf der Nutzen- als auch auf der Risikoseite sehr wohl bewusst sind. Obwohl bereits erste Schritte unternommen wurden, zeigt sich ein erheblicher Bedarf, die Digitalisierungsmaßnahmen weiter voranzutreiben. Es gibt Anzeichen, dass die Implementierung und Nutzung der tatsächlichen digitalen Anwendungen der Umsetzung von Digitalisierungsmaßnahmen mit einer zeitlichen Verzögerung folgt, rasches Handeln ist somit empfehlenswert. Trotz dem aktuell niedrigen Implementierungsgrad digitaler Anwendungen experimentieren viele Unternehmen derzeit mit neuen Anwendungen, so dass zukünftig mit erheblichen Auswirkungen gerechnet werden kann. Eine der größten Herausforderungen für viele Unternehmen scheint zu sein, verschiedene Systeme, Geräte und Sensoren in ein zentrales Netzwerk bzw. eine zentrale Datenbank einzubinden.

Dieser Artikel ist eine zusammengefasste Version der vollständigen DigiPoll@Energy Dokumentation!

Möglichkeiten der Digitalisierung und das Potenzial des Digital Twin für Dampfversorgungssysteme

Lukas Kasper, Thomas Bacher, Felix Birkelbach und René Hofmann

Digitalisierung führt zu einer weiteren Revolution industrieller Prozesse und eröffnet völlig neue Anwendungsmöglichkeiten. Die Zukunftsvisionen von Industry4.0 und Energy4.0, wie sie in dieser Arbeit zusammengefasst sind, zeichnen ein Bild beispielloser Vernetzung von Gegenständen und Dienstleistungen im Internet of Things. Sie versprechen einen noch nie dagewesenen Grad an Vernetzung, Flexibilisierung und Automatisierung von Produkten und Systemen, sowie enorme Potenziale zur Senkung von Kosten und Energieverbrauch sowie zur Steigerung der Nachhaltigkeit.

Als Auszug aus dem VGB-Forschungsprojekt DigiSteam, werden in diesem Beitrag die vielversprechendsten Möglichkeiten der Digitalisierung evaluiert und der Zusammenhang mit dem Konzept von Referenzarchitekturen, wie RAMI4.0, mit Fokus auf den Dampferzeugungssektor untersucht. Unter Anwendung der hier thematisierten theoretischen Grundlagen wird eine Adaption eines fünfdimensionalen Modells für einen Digitalen Zwilling von einem Dampferzeuger präsentiert, bestehend aus physikalischem Dampferzeuger, Kommunikationsmodell, virtuellem Dampferzeuger, Datenmodell und Servicemodell. Ein ganzheitliches Prognose- und System Health Management werden illustriert und Anwendungsfälle zeigen, dass die Systemüberwachung, -vorhersage und -optimierung stark verbessert werden kann.

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Flexibilisierung eines Gas-und Dampturbinenkraftwerks durch Integration einer P2F-Synthese

Florian Möllenbruck, Emmanouil Kakaras und Klaus Görner

Durch die Integration und entsprechende Dimensionierung einer Power-to-X-Anlage in einen bestehenden Kraftwerksprozess kann der Leistungsbereich des Kraftwerks signifikant erhöht werden. Die Bereitstellung der benötigten Betriebsmedien für die Power-to-X-Anlage hat jedoch einen deutlichen Einfluss auf den Prozess. Der thermische Leistungsbedarf resultiert im wesentlich aus der CO2-Abscheidung (Desorption des Lösungsmittels). Dies führt zu einer durchschnittlichen Reduktion der Bruttoleistung von etwa 11 MWel. Der elektrische Leistungsbedarf der Power-to-X-Anlage wird von der Elektrolyse (96 %) dominiert. Die Integration der Power-to-X-Anlage in den Kraftwerksprozess führt weiterhin zu einer teilweise deutlichen Änderung der mechanischen Wellenleistung. Während die HD-Turbine nahezu unbeeinflusst bleibt, nimmt die Wellenleistung der ND-Turbine deutlich ab. Die Absenkung ergibt sich im Wesentlichen aus der Reduzierung des Massenstroms und der daraus resultierenden Absenkung des Eintrittsdrucks.

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Gasturbinen mit Gleichraumverbrennung

Friedrich Hala und Reinhard Willinge

Um die frühe Mitte des 20. Jahrhunderts erfuhren Gasturbinen wichtige Veränderungen, unter anderem im Bereich der Verbrennung, die sich wiederum auf zwei verschiedene Arten entwickelte: die Verbrennung bei konstantem Druck und die Wärmezufuhr bei konstantem Volumen, die zu einem höheren thermodynamischen Wirkungsgrad führt. Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung der letzteren Methode.

Bis Mitte des 20. Jahrhunderts wurden weitere Forschungen durchgeführt, bei denen Detonationen für den brennenden Brennstoff verwendet wurden. Auch hier gab es zwei Ansätze, beide in Kombination mit einer Turbinenstufe, nämlich durch „gepulste Detonationsmotoren (PDE)“ und durch den „kontinuierlich rotierenden Detonationsmotor (CDRE)“. Beide Methoden werden hier kurz beschrieben.

In den verschiedenen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass Gasturbinen mit Brennkammern, in denen die Wärmezufuhr isochor erfolgt, einen besseren Wirkungsgrad erzielen können, als bei isobarer Verbrennung. Insbesondere gilt das für Brennkammern, die mit Detonationen arbeiten.

Als vorteilhaft wird die Brennkammer mit rotierender Detonation (RDE) angesehen, da sie in der Lage ist, einen nahezu konstanten Abgasstrom zu liefern. Allerdings wird eingeschränkt, dass noch viele Arbeiten zur Optimierung erforderlich sind, wie zum Beispiel im Hinblick auf die Stabilität der Einleitung der Detonationsvorgänge, die Kraftstoffversorgung, den Schutz vor Überhitzung und Vibrationen. Bei einer erfolgreichen Weiterentwicklung unter Berücksichtigung dieser Punkte wäre ein Dauerbetrieb möglich. Eine Brennkammer (PDE oder RDE) für Gasturbinen großer Leistungen, so scheint es, bedarf in der Zukunft noch einiger Forschungs- und Entwicklungsarbeit.

Highlights aus dem World Nuclear Performance Report 2020

Jonathan Cobb

Basis der aktuellen, diesjährigen Ausgabe des World Nuclear Performance Report sind Daten, Informationen und Hintergründe der World Nuclear Association sowie aus der PRIS-Datenbank der Internationalen Atomenergie-Organisation. Der Bericht befasst sich mit langfristigen Trends in der nuklearen Leistung sowie mit den Fortschritten beim Bau neuer Kernkraftwerke. Der vollständige Bericht, der auf der Website des Verbandes abrufbar ist, enthält zudem fünf Fallstudien und Interviews, die sich anhand einzelner Beispiele mit maßgeblichen Entwicklungen aus dem kerntechnischen Sektor befassen. Während der diesjährige Bericht die Daten zu Kapazitäten und Erzeugung von Kernreaktoren weltweit im Jahr 2019 detailliert analysiert, liegt der Schwerpunkt für einen Großteil des Jahres 2020 auf den Auswirkungen der COVID-19-Pandemie. Während der bisherigen und weiterhin aktuellen Pandemie haben die Betreiber mit großem Engagement daran gearbeitet, sicherzustellen, dass ihre Reaktoren weiterhin Strom liefern und die Netzstabilität und damit die Stromversorgung insgesamt unterstützen. Das in den Anlagen beschäftigte Personal musste sich darauf einstellen, unter COVID-sicheren Bedingungen zu arbeiten und gleichzeitig die Kontinuität ihrer Tätigkeiten zu gewährleisten. Angesichts des teils dramatischen Rückgangs der Stromnachfrage, die in einigen Regionen zu beobachten war, mussten die Reaktoren eine größere Flexibilität im Betrieb unter Beweis stellen. Während viele Erzeuger erneuerbarer Energien durch Abnahmeverpflichtungen von den Auswirkungen der Pandemie abgefedert wurden, mussten die Betreiber von Kernkraftwerken die Leistung ihrer Anlagen variieren, um sowohl die intermittierende Erzeugung als auch Veränderungen der Nachfrage auszugleichen, damit unter anderem die Stabilität der Netze gegeben war.