Öffentliche Verteidigung der Doktorarbeit des ETSi

 

Datum: Freitag, 7. Juli 2023.

Zeit: 10.00 Uhr

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

Der Doktorand Andrés Carro Paulete wird seine Doktorarbeit mit dem Titel „Schadens- und Ausfallmechanismen unter Ermüdung in Langfaserverbundwerkstoffen mit ultradünnen Lagen“ öffentlich verteidigen, die von Professor Ricardo Chacartegui Ramírez  vom Fachbereich Energietechnik der Höheren Technischen Universität School of Engineering der Universität Sevilla und Carlos Ortiz Domínguez von der Ingenieurabteilung der Loyola University

Wir befinden uns derzeit in einer Umstellung des globalen Energiesystems, das darauf abzielt, konventionelle Produktionsquellen (Gas, Öl, Kohle) durch eine zu 100 % erneuerbare Energieerzeugung zu ersetzen. Unterstützt durch die Reduzierung der Treibhausgasemissionen mit dem Ziel, die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern, entwickelt sich die überwiegende Nutzung erneuerbarer Energien zu einem Schlüsselfaktor für Marktentwicklung, Energieunabhängigkeit und Nachhaltigkeit. Die erneuerbare Ressource ist stochastischer und intermittierender Natur, was sich negativ auf die Qualität der Energie und die Stabilität des Stromnetzes auswirken kann. Die Energiespeicherung, die es ermöglicht, die tägliche und saisonale Lücke zu schließen, die zwischen der Verfügbarkeit der erneuerbaren Ressource und dem Energiebedarf besteht, ist die notwendige Komponente, um die Flexibilität des Energiesystems zu verbessern, das zu 100 % auf erneuerbaren Energien basiert. Um die Vorteile der erneuerbaren Ressource nutzen zu können, ist die Entwicklung neuer groß angelegter, hocheffizienter und kostengünstiger Energiespeichersysteme erforderlich, die billige Materialien mit geringer Umweltbelastung verwenden.

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung verschiedener groß angelegter Technologien zur Speicherung thermischer Energie mit Wirkungskapazität bei unterschiedlichen Temperatur- und Entwicklungsniveaus; mit dem Ziel, zur Weiterentwicklung neuer hocheffizienter Energiespeicherlösungen mit geringer Umweltbelastung beizutragen, die in große Kraftwerke integriert werden können und so die Integration erneuerbarer Energien erleichtern; von der Phase des Vorschlags der vorläufigen Idee bis zur Entwicklung des Konzepts auf Modellebene und mit experimenteller Unterstützung. Die Studie konzentriert sich auf drei vielversprechende thermische Energiespeichertechnologien basierend auf dem Temperaturniveau. Der Forschungsbeitrag ist in drei Kapitel unterteilt, die jeweils dem jeweiligen Temperaturniveau gewidmet sind.

Das elektrothermische Energiespeichersystem, das transkritische Zyklen von Kohlendioxid (CO2) als Niedertemperatur-Wärmeenergiespeichertechnologie innerhalb thermischer Energiesysteme nutzt, befindet sich in einem Anfangsstadium der Technologieentwicklung. Die technisch-ökonomische Validierung des Niedertemperatur-Energiespeichersystems wird entwickelt und als Neuheit eine Studie zur neuartigen Integration mit der geologischen Speicherung von CO2 einbezogen. Das in einem Kraftwerk oder einer Industrieanlage abgeschiedene CO2 wird als Arbeitsmedium im vorgeschlagenen thermodynamischen Kreislauf verwendet, um elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen in Form von thermischer Energie und CO2 in unterirdischen Formationen zu speichern, wobei die hohen Drücke im transkritischen System ausgenutzt werden Kreislauf von CO2, mit einem Hin- und Rückwegwirkungsgrad im Bereich von 40-50 %, abhängig von den Betriebsbedingungen.

Das thermochemische Energiespeichersystem auf Basis von Calciumhydroxid als Mitteltemperatur-Speichertechnologie für thermische Energie befindet sich in der Laborphase der Technologieentwicklung. Es handelt sich um ein thermochemisches Energiespeichersystem, das auf der reversiblen Dehydratisierungs-/Hydratisierungsreaktion von Calciumhydroxid basiert. Eine technisch-ökonomische Validierung des Mitteltemperatur-Energiespeichersystems wird im Detail entwickelt. Als Neuheit werden die technologischen Herausforderungen des Systems diskutiert, wobei die Bedeutung der Rückgewinnung der latenten Kondensationswärme des bei der Dehydratisierungsreaktion erzeugten Dampfes hervorgehoben wird, der 38 % der solarthermischen Energie ausmacht, die den Reaktor erreicht. Es werden Extremfälle analysiert, in denen die gesamte latente Wärme zurückgewonnen und an die Umgebung abgegeben wird, und es werden verschiedene Rückgewinnungsmechanismen vorgeschlagen, wie beispielsweise ein Ammoniak-Rankine-Zyklus oder die Speicherung von Druckdampf, wobei die Unabhängigkeit der Wärme gewahrt bleibt Lade- und Entladephasen.

Das thermochemische Energiespeichersystem basierend auf Calcium-Looping als Hochtemperatur-Wärmeenergiespeichertechnologie entspricht auf der Ebene der technologischen Vorbereitung dem am weitesten entwickelten System unter den Thermochemikalien. Die durchgeführte technisch-ökonomische Analyse stellt die Technologie in eine sehr wettbewerbsfähige Position im Vergleich zu anderen Wärmespeichersystemen, mit einem Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärme in Elektrizität von bis zu 48 % und Stromgestehungskosten von etwa 100 MWhe. Als Neuheit wird der Entwurf, die Entwicklung und die Erprobung der Versuchskampagne einer Pilotanlage im kW-Maßstab vorgestellt, der ersten dieser Stufe für die Calcium-Looping-Technologie, bei der der Autor der Hauptakteur war. Die experimentelle Kampagne platziert die Technologie in der Demonstrationsphase der technologischen Entwicklung in einer relevanten Umgebung und entwickelt die Kalzinierungs- und Karbonisierungsreaktionen in wenigen Sekunden in einem Flugstromreaktor unter den Temperatur- und Druckbedingungen des auf Calcium-Looping basierenden Speichersystems würde die Integration des Speichersystems in große Wärmekraftwerke ermöglichen.

Der Aufbau der Arbeit ist wie folgt. Im ersten Kapitel, das der Einleitung gewidmet ist, werden der Hintergrund und die ermittelten Forschungsmöglichkeiten dargestellt, die in der Arbeit festgelegten Ziele anhand der Möglichkeiten und des Umfangs der Studie abgegrenzt, der Stand der Technik analysiert und die Methodik erläutert und der Forschungsplan basierend auf den festgelegten Zielen sowie die aus der These abgeleiteten Ergebnisse und die Struktur, der das Dokument folgt, werden gezeigt. Nach der Einführung werden die Forschungsbeiträge anhand der Analyse großtechnischer Energiespeichertechnologien für hohe, mittlere und niedrige Temperaturen vorgestellt. Es umfasst die Kapitel 2 (Niedertemperaturspeicherung auf Basis transkritischer CO2-Kreisläufe), 3 (Mitteltemperaturspeicherung mittels Calciumhydroxid-Technologie) und 4 (Hochtemperaturspeicherung mittels Calcium-Looping-Technologie). Abschließend ist ein Kapitel der Diskussion der Ergebnisse, zukünftigen Arbeiten und Schlussfolgerungen der Forschung gewidmet. Schließlich enthalten die Anhänge die Veröffentlichungen des Autors während der Entstehung dieser Dissertation.