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Institut für Kern- und Energietechnik (IKET)
Dr. D. Kuhn
MoNiKa

76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Tel.: +49 721 608-23483
E-Mail: kuhnWai3∂kit edu

Modularer Niedertemperaturkreislauf Karlsruhe (MoNiKa)

 

MoNiKa 

 

Auf dem Gelände des Karlsruhe Institut für Technologie Campus Nord (KIT-CN) wird am Institut für Kern- und Energietechnik (IKET) ein generischer Kraftwerkskreis eines Geothermiekraftwerks installiert. Dieser ist modular aufgebaut, mobil und bietet einzigartige Möglichkeiten zur Untersuchung der geothermalen Stromerzeugung bzw. Niedertemperatur-Stromerzeugung. Die einzelnen Hauptkomponenten (Pumpe, Wärmeübertrager, Turbine etc.) sind austauschbar und werden in weiten Betriebsbereichen charakterisiert werden. Auch die Wechselwirkungen der Komponenten untereinander unter Berücksichtigung standortspezifischer Randbedingungen sind Teil der Forschungsarbeiten. Auf diese Weise können sowohl die einzelnen Komponenten als auch der Kreislauf als Ganzes thermodynamisch und unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert werden. Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten an MoNiKa leisten einen Beitrag zur Effizienzsteigerung der Stromerzeugung aus niederenthalpen Geothermalquellen.

Neben der Optimierung und Charakterisierung der Komponenten soll mit dem generischen ORC-Kreis die Möglichkeit geschaffen werden, verschiedene Arbeitsfluide und auch Mischungen zu untersuchen. Eine favorisierte Option stellt überkritisches Propan dar. Kraftwerkskreise mit überkritischen Frischdampfparametern zeigen eine deutlich höhere Stromausbeute als vergleichbare unterkritische Kraftwerkskreise. Ein Grund hierfür sind die geringeren Exergieverluste bei der Aufheitzung und Verdampfung des Arbeitsfluids im Wärmetauscher.

Um standortunabhängige Untersuchungen durchführen zu können ist der Kraftewerkskreis nicht an einer Bohrung eines Thermalwasserkreises angeschlossen. Vielmehr wird künstliches Thermalwasser in einem Heißwassererzeuger erhitzt unddann dem Kraftwerktechnikum zugeführt. Auf diese Weise können Temperatur und Massenstrom in weiten Bereichen variiert werden. Zusätzlich können Störeinflüsse wie Korrossion, Scaling oder standortspezifische Wasserzusammensetzungen aus den Untersuchungen eliminiert werden.
Die Anlage wird so geplant und aufgebaut, dass ein Standortwechsel mit vertretbarem Aufwand möglich ist. Durch diese Mobilität können standortspezifische Untersuchungen mit dem Kraftwerkstechnikum jederzeit durchgeführt werden.

Am IKET werden Simulationsrechnungen mit verschiedenen Codes zur Kraftwerkssimulation eingesetzt. Hierbei werden für verschiedene Arbeitsfluide die Betriebsparameter variiert und miteinander verglichen. Zur Verifikation der Simulationsrechnungen ist jedoch ein direkter Vergleich mit einem realen Kraftwerkskreis erforderlich. Dies ist aufgrund fehlender Instrumentierung an den vorhandenen Anlagen nicht möglich. Auch sind hier keine systematischen Variationen im Leistungs- und Temperaturbereich möglich. Neben integralen Leistungsdaten sind für einen belastbaren Vergleich mit Simulationen detaillierte lokale Daten zwingend notwendig, um zuverlässig die Einflüsse und Wechselwirkungen der Komponenten richtig in der Simulation abzubilden.
Da neben der Stromerzeugung die Bereitstellung von Wärme für die Betreiber die wesentliche Einnahmequelle darstellt, ergibt sich zwangsläufig eine Kopplung von Wärme- und Stromproduktion. Dies wiederum erfordert den Teillastbetrieb des Kraftwerksteils. Dazu müssen Verhalten und Wirtschaftlichkeit der Komponenten im Teillast- und Volllastbetrieb sowie bei Lastwechseln hinreichend bekannt sein. Diese Untersuchungen sind an kommerziellen Kraftwerksanlagen nur sehr eingeschränkt möglich.

 

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