Erhöhung der Flexibilität durch elektrische Zündung von Kraftwerksbrennern (FlexIgnite)

 

Projektträger: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi – Forschungsförderung im 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung, „Forschung für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung“ im Rahmen der COORETEC-Initiative

Teilvorhaben: Entwicklung eines Plasmabrenners zur direkten Zündung der Kohle in Kraftwerksbrennern

Laufzeit: 01.07.2016–30.06.2019

Kooperationspartner:
Universität Stuttgart, Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK)

Universität Stuttgart, Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP)

Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe, Duisburg

Lausitz Energie Kraftwerke AG, Cottbus

Kurzfassung:
Aufgrund des steigenden Anteils regenerativer Stromeinspeisung ist die Lastfahrweise konventioneller Stein- und Braunkohlekraftwerke stark eingeschränkt. Diese Entwicklung erfordert einen flexibleren Einsatz der für Grundlastbetrieb ausgelegten Kraftwerke und einen häufigeren Kesselbetrieb bei Teil- und Mindestlast, was sich jedoch ungünstig auf Wirkungsgrad und Emissionsverhalten hinsichtlich der Abgaskomponenten CO und NOx auswirkt. Zusätzlich gibt es immer mehr Abschaltvorgänge, da die zu erreichende Minimallast des Kraftwerks noch über der angeforderten Leistung liegt. Dies führt zu einer gesteigerten Zahl an Heiß-, Warm- und Kaltstarts, für die teure konventionelle Anfahrbrennstoffe wie Öl oder Gas erforderlich sind. Dies führt im Vergleich zu einem Kraftwerk im Grundlastbetrieb zu erhöhten Kosten pro erzeugter Kilowattstunde Strom sowie zu einer nicht optimalen Ausschöpfung des Lastregelpotenzials konventioneller Kraftwerke aufgrund der längeren Dauer eines Anfahrvorgangs im Vergleich zu einer Laständerung im Betrieb.
Im vorliegenden Verbundforschungsprojekt sollten diese Nachteile durch den Einsatz neuartiger Zündsysteme verringert werden. Mit Hilfe von Plasmabrennern wurde die erste Brennerebene direkt mit dem Primärbrennstoff gezündet. Zusätzlich wurde die Festbrennstoffflamme bei Minimallast durch Plasmabrenner im Dauerbetrieb stabilisiert und so die Emissionen minimiert. Als Brennstoffe sind in diesen Projekt neben Braunkohlen auch Steinkohlen und Biomassen untersucht worden, um anhand detaillierter Zündtests Zündgrenzen für die genannten Brennstoffe zu definieren.
Von der PlasmaAir AG wurde speziell für diese Anwendung und den Betrieb im Versuchsreaktor an der Uni Stuttgart ein Plasmabrenner mit 5 kW Leistung, der mit Luft als Plasmagas betrieben wurde, entwickelt und im Reaktor bei Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik, Universität Stuttgart (IFK) integriert. Es wurden umfangreiche Testreihen zur Zündung von Kohle gefahren, welche von der PlasmaAir AG technisch begleitet wurden. Parallel wurde der Brenner am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie, Universität Stuttgart (IGVP) untersucht und eine Plasmadiagnostik erstellt.
Im letzten Schritt wurde eine 40 kW Brennerlanze inkl. notwendiger Peripherie gebaut und qualifiziert. Die Lanze wurde beim Projektpartner Mitsubishi in Japan im Rahmen eines großtechnischen Versuches eingesetzt.

Visualisierung
Visualisierung der Anlagensteuerung

Stromversorgung
Stromversorgung

Lanze 5 kW
Plasmaflamme 5 kW

Lanze 40 kW
Plasmalanze 40 kW

Publikationen:

Stefan Merli, Reyhane Youssefi, Jörg Maier, Bernd Glocker, Andreas Schulz, Matthias Walker (2019). Flexible Plasmazündung von Kohlekraftwerken für die Energiewende. 19. Fachtagung für Plasmatechnologie, 17.–19.06.2019 in Cottbus

Glocker, Bernd; Marienfeld, Silke; Dobslaw, Christine: Schlussbericht zum Fördervorhaben

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