6M - Generator and Turbine Centre

Cluster of Excellence ‚Eco-Efficient Power Engines for Centralized & Decentralized Energy Generation‘
Prof. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger
F1/15
Cluster of Excellence ‚Eco-Efficient Power Engines for Centralized & Decentralized Energy Generation‘
Cluster of Excellence
‚Eco-Efficient Power Engines for
Centralized and Decentralized Energy Generation‘
Bildquelle:
http://www.the-eic.com/News/images/MT30(R-R)GASTURBINE.jpg
Prof. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger
F2/15
Cluster of Excellence ‚Eco-Efficient Power Engines for Centralized & Decentralized Energy Generation‘
Politisch-wirtschaftliche Zielsetzungen des Exzellenzclusters
Stärkung des Wirtschafts- und Forschungsraumes Berlin/Brandenburg
• Bündelung ansässiger Hochschulen und
Unternehmen
• Systematische Ergänzung und Vernetzung
vorhandener Potenziale zur Nutzung von
Synergieeffekten
• Ausbildung von Fachkräften für den regionalen
Arbeitsmarkt
• Ausprägung eines möglichen Alleinstellungsmerkmals zu anderen Regionen
Bildung eines führenden Wissenschaftsstandortes zum Thema Turbine/Triebwerk
• Entwicklung zukunftsfähiger entwicklungs-,
fertigungs- und produktbezogener Konzepte
Bildquelle: http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB105-06.htm
Prof. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger
F3/15
Cluster of Excellence ‚Eco-Efficient Power Engines for Centralized & Decentralized Energy Generation‘
Übergeordnete technologische Zielsetzungen
Wirkungsgradsteigerung
• höhere Temperaturdifferenz durch Einsatz
hochtemperaturbeständiger Werkstoffe
• Optimierung von Kühlungssystemen
• Strömungsoptimierung durch aktive Elemente
und funktionale Oberflächen
Skalierbarkeit von Energie-Erzeugungsanlagen
• Verfügbarkeit dezentraler Energieversorgungseinheiten
Flexible Brennstoffauswahl, red. Schadstoffemission
• Einsatz verschiedenster Brennstoffe (u.a. biogener)
Steigerung der Anlagenverfügbarkeit und
Senkung der Betriebskosten
• antizipative Wartung durch integrierte Sensorik
• wartungsarme und -gerechte Konstruktion
Reduzierung der Fertigungskosten
• Bereitstellung geeigneter Bearbeitungstechnologien und -strategien
Bildquelle: http://www.emagio.de/referenzen_show.php?pkat_id=5&project=8
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Optimierung und Verzahnung der Prozessketten
Cluster of Excellence ‚Eco-Efficient Power Engines for Centralized & Decentralized Energy Generation‘
Ganzheitliche Betrachtung von Konstruktion, Fertigung
und Betrieb von Turbinen
Modelling
• Bauteilmodellierung
Methods
• integrierte Sensorik und Aktuatorik
• Strömung und Aerodynamik
Manufacturing
Material
• Werkstofftechnologien
• Metallische WS
• Keramische WS
• hybride WS-Systeme
• funktionale Oberflächen
Bio Fuel Provision
• Analysis of the Value Creation Chain
• Provision of Biogenous Raw Materials
• Production of Biomass-based Fuels
• Adjustment of Fuels to Applications
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Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger
• Schädigungsminimierte
Bearbeitung
• Fein- und Mikrobearbeitung
• Beschichtungsverfahren
• Qualitätsmanagement
• Supplier Network Management
• Betreibermodelle
Sensors, Monitoring & Control
• Zustandserfassung / Mikrosensorik
• Bauteilhistorie / RFID
• Prozessregelung
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o. stat. GTB:
http://www.nchhy.com/product1.htm;
u. l. Luftfahrttriebwerk: http://www.jet-propulsion.tu-berlin.de/ Stellenangebote/Stellenangebote.html;
u. r. Mikro-GTB:
http://www.e-quad.de/EPS/images/Capstoneturbine.jpg
• Numerische Mathematik
• Optimierungsmethoden
Fuel Provision
Optimierung des
Optimierte
Cluster of
Excellence
Engines for Centralized & Decentralized
Energy Generation‘
& Fuel
Design ‚Eco-Efficient PowerEnergiewandlung
Anlagenbetriebs
in der Turbine
VerfügbarkeitsOptimierung von
Thermophysimanagement
Biochemische
Strömungsoptimierung
Biomasse durch
kalische Wandlung Wandlung
(Krüger FhG-IPK)
Heißteil
Pflanzendesign
(Behrendt, TUB)
(Kamm, BTU)
(Paschereit, Peitsch TUB,
(Müller-Röber
Egbers BTU)
MPI Golm)
Monitoring & Control
Optimierung von
Verbrennungsprozessen
(gemeinsame
Neuprofessur TUB/ BTU,
z.T. Behrendt, TUB)
Optimierung der
Biomasseerzeugung
(Hüttl, BTU)
Logistic of
Provision
(Fichtner, BTU)
Modellierung (Thiele,
Mehrmann TUB;
Kühhorn BTU)
Strömungsoptimierung
Verdichter
(Thamsen,
Nitsche TUB)
(Krüger, Reichl TUB)
MRO
(Uhlmann TUB,
Berger BTU)
Eco-Efficient
Power Engines
Simulation fertigungsbedingter
Verzugs- & Gefügeveränderungen
(Michailov BTU, Mehrmann TUB)
Fracture Mechanics &
Life Time Simulation
(Müller TUB)
Kühlung, Dichtung
(Paschereit, Reimers,
Schubert, Uhlmann
TUB)
Beschichtung
(Leyens BTU,
Nachf. Dorn TUB)
Optimierung Fertigungsprozesse,
-anlagen & Prozessketten
(Uhlmann TUB;Viehweger BTU)
(centralized & decentralized)
Fügeprozesse
• Wirkungsgraderhöhung
(Nachf.
• CO2-Minimierung
Dorn TUB)
• Fuel Flexibility
• Dirt Tolerance
Produktionsauto- • Miniaturisierung
matisierung
• Kostenreduktion
(Berger BTU)
• Anlagenverfügbarkeit
Produktmodellierung,
Nichtmetallische WS
Metallische WS
Ur- und UmformProduktentstehung
(Schubert TUB)
(Reimers TUB)
prozesse
(Krause TUB)
Fabrikplanung und
Prof. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
(Neuprofessur TUB)
Produktionslogistik
Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger
(Seliger TUB)
Turbine
Materials
Manufacturing
Design
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Cluster of Excellence ‚Eco-Efficient Power Engines for Centralized & Decentralized Energy Generation‘
Bewertung durch die DFG
Positive Bewertung
…Das vorgelegte Konzept begeistert durch die
integrierte Erforschung und parallele,
interdependente Entwicklung von Turbinen und
biogenen Brennstoffen….
….Das Konzept wird durchaus von sehr gut
qualifizierten Wissenschaftlern getragen….
Kritik
… ‚Biomass based fuel provision and
Processing’ … geht nicht hinreichend auf die
existierenden ingenieurwissenschaftlichen
Probleme ein….
Bildquelle: http://www.emagio.de/referenzen_show.php?pkat_id=5&project=8
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Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger
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Cluster of Excellence ‚Eco-Efficient Power Engines for Centralized & Decentralized Energy Generation‘
Zielsetzung zur Weiterentwicklung des Themas
- Aufbau eines ‚Innovationsclusters‘ Eco-Efficient Power Engines
Beteiligte Partner
- TU Berlin
- BTU Cottbus
- Fraunhofer Institute
Schwerpunkt
- Basis: DFG-Exzellenzclusterantrag
- Vertiefte Ausrichtung auf Turbinentechnologie
- Verstärkung der Ausrichtung CO2-freie
Kraftwerke
Bildquelle: http://www.emagio.de/referenzen_show.php?pkat_id=5&project=8
Prof. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger
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CO2 freie Kraftwerke
Christian Oliver Paschereit
Workshop zum Energieschwerpunkt an der
TU Berlin am 02.07.2007
1
Technologietreiber
• Kohleverbrennung
• CO2 freie Kraftwerke
• Gestufte Verbrennungskonzepte
• Steigerung des Wirkungsgrades
SC > 43%
CC > 65%
• Fuel flexibility
-Gas aus Kohlevergasung
-Pyrolyse
• Andere thermodynamische Zyklen, z. B.
-nasse Zyklen
-Zwischenkühlung und Wärmerückgewinnung
Workshop zum Energieschwerpunkt an der
TU Berlin am 02.07.2007
2
Herausforderungen an die Turbinentechnik
Verdichtung
Verbrennung
Kühlung
Expansion
Workshop zum Energieschwerpunkt an der
TU Berlin am 02.07.2007
3
Wirkungsgradverluste durch CO2-Abscheidung
Kraftwerk
Kraftwerk mit
mit
CO
-Abscheidung
CO22-Abscheidung
vor
vor Verbrennung
Verbrennung
integriert
integriert in
in
Verbrennung
Verbrennung
-- Sauerstoffproduktion
Sauerstoffproduktion
-- Vergasung/Reforming
Vergasung/Reforming
-- Brenngasaufbereitung
Brenngasaufbereitung
-- H
H22-Verbrennung
-Verbrennung
-- Sauerstoffproduktion
Sauerstoffproduktion
-- CO
CO22/H
/H22O-Gasgemische
O-Gasgemische
-- modifizierte
modifizierte WärmeWärmeübertragung
übertragung und
und
Verbrennung
Verbrennung
-- „End-of-Pipe“-Lösung
„End-of-Pipe“-Lösung
-- Aminwäschen
Aminwäschen
-- Adsorptionsprozesse
Adsorptionsprozesse
η-Malus:
η-Malus: 6-10%-Pkt.
6-10%-Pkt.
Invest:
Invest: +100%
+100%
K
: 25-35 €/t CO
KCO2
CO2: 25-35 €/t CO22
η-Malus:
η-Malus: 5-12%-Pkt.
5-12%-Pkt.
Invest:
Invest: +100%
+100%
K
: 25-35 €/t CO
KCO2
CO2: 25-35 €/t CO22
η-Malus:
η-Malus: 10-14%-Pkt.
10-14%-Pkt.
Invest:
Invest: +150%
+150%
K
: 50-60 €/t CO
KCO2
CO2: 50-60 €/t CO22
Workshop zum Energieschwerpunkt an der
TU Berlin am 02.07.2007
nach
nach Verbrennung
Verbrennung
4
Entwicklungsziele
80
Cost of Electricity (CoE) €/MWh
• Steigerung des Wirkungsgrades der
heutigen Kraftwerke und Gasturbinen
– Kompressor
– Turbine
– Kühlung
– Verbrennung und Brennstoffflexibilität
Anwendung der weit reichenden Kenntnisse und
Methoden der Strömungsmechanik, Verbrennungstechnik, Produktionstechnik, Materialwissenschaften
70
NGCC
with
Capture
60
IGCC
50
IGWC
NGWC
CHP 120 MWe
40
Ziel
30
20
0
20-40 % geringere Anlagenkosten
2-10% höherer Wirkungsgrad
20-30 % geringere Wartungskosten
Geringere Kosten für CO2 Abtrennung
with
MEA
with
Capture
NGWC
• Entwicklung von “Leap Frogging” Technologien
–
–
–
–
with
MEA
PF
10
20
30
40
50
60
70
80
90
CO2-tax (€/ton)
• 25 €/t für gasgefeuerte Kraftwerke
• 12 €/t für kohlegefeuerte Kraftwerke
Workshop zum Energieschwerpunkt an der
TU Berlin am 02.07.2007
5
100