Öffentliche Verteidigung der Doktorarbeit des ETSi

 

Datum: Freitag, 7. Juli 2023.

Uhrzeit: 10:00 Uhr

Ort: Saal Professor Juan Larrañeta, Technische Hochschule für Ingenieurwissenschaften der Universität Sevilla.

Der Doktorand Andrés Carro Paulete wird seine Dissertation mit dem Titel „Schadens- und Versagensmechanismen unter Ermüdung in Langfaserverbundwerkstoffen mit ultradünnen Lagen“ öffentlich verteidigen. Betreut wurde die Dissertation von den Professoren Ricardo Chacartegui Ramírez  vom Fachbereich Energietechnik der Höheren Technischen Schule für Ingenieurwesen der Universität Sevilla und Carlos Ortiz Domínguez vom Fachbereich Ingenieurwesen der Loyola-Universität.

Wir befinden uns mitten in einer globalen Energiewende, die darauf abzielt, konventionelle Energieträger (Gas, Öl, Kohle) vollständig durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Unterstützt durch die Reduzierung von Treibhausgasemissionen zur Abschwächung des Klimawandels, erweist sich die vorherrschende Nutzung erneuerbarer Energien als Schlüsselfaktor für Marktentwicklung, Energieunabhängigkeit und Nachhaltigkeit. Erneuerbare Energien weisen eine stochastische und intermittierende Natur auf, was die Energiequalität und die Netzstabilität beeinträchtigen kann. Energiespeicher, die es ermöglichen, die tägliche und saisonale Verzögerung zwischen der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien und dem Energiebedarf auszugleichen, sind daher unerlässlich, um die Flexibilität von Energiesystemen, die auf 100 % erneuerbarer Energieerzeugung basieren, zu verbessern. Die Entwicklung neuer, hocheffizienter, kostengünstiger und großtechnischer Energiespeichersysteme, die preiswerte Materialien mit minimalen Umweltauswirkungen nutzen, ist notwendig, um erneuerbare Energien optimal zu nutzen.

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung verschiedener großtechnischer thermischer Energiespeichertechnologien, die auf unterschiedlichen Temperatur- und Entwicklungsstufen Anwendung finden können. Ziel ist es, zur Entwicklung neuer, hocheffizienter und umweltfreundlicher Energiespeicherlösungen beizutragen, die in große Kraftwerke integriert werden können und so die Einbindung erneuerbarer Energien erleichtern. Die Studie umfasst den gesamten Prozess von der ersten Konzeptformulierung bis zur Modellentwicklung mit experimenteller Unterstützung. Der Fokus liegt auf drei vielversprechenden thermischen Energiespeichertechnologien, kategorisiert nach ihrer Temperaturstufe. Die Arbeit ist in drei Kapitel unterteilt, die jeweils einer spezifischen Temperaturstufe gewidmet sind.

Das elektrothermische Energiespeichersystem, das transkritische Kohlendioxid-Zyklen (CO₂) als Niedertemperatur-Wärmespeichertechnologie nutzt, befindet sich innerhalb des breiteren Feldes thermischer Energiesysteme in einem frühen Stadium der technologischen Entwicklung. Die techno-ökonomische Validierung des Niedertemperatur-Energiespeichersystems wird derzeit erarbeitet, und eine neuartige Studie zur Integration mit geologischer CO₂-Speicherung wird durchgeführt. Das in einem Kraftwerk oder einer Industrieanlage abgeschiedene CO₂ dient als Arbeitsmedium im vorgeschlagenen thermodynamischen Kreislauf, um elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen in Form von Wärmeenergie und CO₂ in unterirdischen Formationen zu speichern. Dieses Verfahren nutzt die hohen Drücke des transkritischen CO₂-Kreislaufs und erreicht je nach Betriebsbedingungen einen Wirkungsgrad von 40–50 %.

Das thermochemische Energiespeichersystem auf Basis von Calciumhydroxid als Mitteltemperatur-Wärmespeichertechnologie befindet sich derzeit im Laborstadium der technologischen Entwicklung. Dieses System basiert auf der reversiblen Dehydratisierungs-/Hydratisierungsreaktion von Calciumhydroxid. Eine detaillierte techno-ökonomische Validierung des Mitteltemperatur-Energiespeichersystems wird derzeit erarbeitet. Ein neuartiger Aspekt ist die Diskussion der technologischen Herausforderungen des Systems, wobei die Bedeutung der Rückgewinnung der Kondensationswärme des bei der Dehydratisierungsreaktion entstehenden Dampfes hervorgehoben wird. Diese Kondensationswärme macht 38 % der den Reaktor erreichenden solaren Wärmeenergie aus. Es werden Extremfälle analysiert, sowohl solche, bei denen die gesamte Kondensationswärme zurückgewonnen wird, als auch solche, bei denen sie an die Umgebung abgegeben wird. Verschiedene Rückgewinnungsmechanismen, wie beispielsweise ein Ammoniak-Rankine-Kreislauf oder ein Druckdampfspeicher, werden vorgeschlagen, wobei die Unabhängigkeit der Be- und Entladephasen gewahrt bleibt.

Das auf Calcium-Looping basierende thermochemische Energiespeichersystem ist als Hochtemperatur-Wärmespeichertechnologie technologisch am weitesten entwickelt. Die durchgeführte techno-ökonomische Analyse positioniert die Technologie im Vergleich zu anderen Wärmespeichersystemen äußerst wettbewerbsfähig. Der Wirkungsgrad der thermischen-elektrischen Umwandlung kann bis zu 48 % erreichen, die Stromgestehungskosten (LCOE) liegen bei etwa 100 MWh. Neu an dieser Arbeit ist die Präsentation von Konzeption, Entwicklung und Erprobung einer experimentellen Kampagne in einer Pilotanlage im kW-Maßstab – der ersten ihrer Art für die Calcium-Looping-Technologie, an der der Autor maßgeblich beteiligt war. Diese experimentelle Kampagne positioniert die Technologie in der Demonstrationsphase ihrer Entwicklung unter realen Bedingungen. Die Kalzinierungs- und Carbonatisierungsreaktionen werden in einem Strömungsreaktor innerhalb weniger Sekunden unter den Temperatur- und Druckbedingungen des Calcium-Looping-Speichersystems durchgeführt. Dies ermöglicht die Integration des Speichersystems in große Wärmekraftwerke.

Die Dissertation ist wie folgt strukturiert. Das erste Kapitel, die Einleitung, stellt den Hintergrund und die identifizierten Forschungsmöglichkeiten dar, erläutert die daraus abgeleiteten Ziele der Arbeit und definiert den Untersuchungsbereich. Es analysiert den aktuellen Forschungsstand, beschreibt die Methodik und den Forschungsplan entsprechend den festgelegten Zielen und präsentiert die Ergebnisse sowie die Struktur der Arbeit. Im Anschluss an die Einleitung werden die Forschungsbeiträge durch die Analyse großtechnischer Energiespeichertechnologien für hohe, mittlere und niedrige Temperaturen vorgestellt. Dieser Abschnitt umfasst die Kapitel 2 (Niedertemperaturspeicherung mittels transkritischer CO₂-Zyklen), 3 (Mitteltemperaturspeicherung mittels Calciumhydroxid-Technologie) und 4 (Hochtemperaturspeicherung mittels Calcium-Looping-Technologie). Abschließend widmet sich ein Kapitel der Diskussion der Ergebnisse, zukünftigen Forschungsarbeiten und den Schlussfolgerungen der Studie. Die Anhänge enthalten die Publikationen, die der Autor während der Erstellung dieser Dissertation verfasst hat.