High-temperature induction air heater for Brayton Carnot battery application

Abstract

Zur Gewährleistung einer zuverlässigen und flexiblen Stromversorgung erfordern künftige Stromversorgungssysteme, die sich auf fluktuierende erneuerbare Stromquellen stützen, kosten- und energieeffiziente Lösungen für elektrische Energiespeicher (EES). Die Brayton Prozess-basierte Carnot Batterie (CB) ist eine aussichtsreiche EES-Option, die diesem Bedarf gerecht wird. Um deren Kosteneffizienz und Flexibilität weiter zu verbessern, wird in dieser Arbeit die Integration eines kompakten Induktionsluftheizers in der Brayton-Batterie untersucht. Übergeordnete Ziele dieser Untersuchung sind die Quantifizierung des Zielkonflikts zwischen den Investitionskosten (CAPEX) und dem elektrischen Wirkungsgrad (RTE) des Systems sowie die Erarbeitung einer neuartigen Entwurfslösung für solch einen elektrischen Hochtemperatur-Induktionsheizer. Um diese Ziele effektiv zu erreichen, wird ein Multiskalenansatz zugrunde gelegt, der eine Anwendungs-orientierte Technologieentwicklung auf der Mikro-, Meso- und Makroebene forciert. Die Simulations-basierte Untersuchung auf der Mikro- und Mesoebene bringt eine Hochtemperaturlösung hervor, welche aus einer induktiv beheizten und mit Luft durchströmten Kugelschüttung aus einer Siliziumkarbid (SiC)-Keramik besteht. Durch experimentelle Ergebnisse wird einerseits das multi-physikalische Modell dieser Heizerlösung validiert und andererseits für den Einsatz in der Brayton-CB abgesichert. Auf der Makroebene wird eine techno-ökonomische Analyse für ein Brayton Prozess-basierten CB System mit einer Speicherkapazität von 210 MWh durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz eines kompakten Hochtemperatur-Induktionsheizers auf SiC-Basis eine kosteneffiziente Lösung zur Reduktion der Investitionskosten des Systems darstellt. Die Integration von externen Hochtemperaturwärme bei bis zu 1050 °C geht jedoch mit Wirkungsgradeinbußen einher, so dass ein Kompromiss zwischen dem elektrischen Systemwirkungsgrad und der Systemkosten entsteht. Diese Ergebnisse verdeutlichen das Kostensenkungspotential durch die Integration solch einer kompakten Induktionsheizung und bestätigen damit die Haupthypothese dieser Studie. Weiterhin liefert die Studie wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung und Integration einer solchen Heizerlösung für Hochtemperaturanwendung in der Brayton Prozess-basierten CB und für die Nachrüstung von Erdgas-befeuerten Systemen in Industrieofenanlagen wie etwa dem Tunnelofen. Das erarbeitete Induktionsheizerdesign stellt eine einzigartige Lösung für Lufterwärmungszwecke über 900 °C dar und erweitert den bestehenden Stand der Technik auf diesem Gebiet. Diese Untersuchung stellt insgesamt eine umfassende Analyse der Integration eines Hochtemperatur-Induktionsluftheizers in der Brayton Prozess-basierten CB dar. Die Studie zeigt das Potenzial zur Verbesserung der Kosteneffizienz des Systems unter Berücksichtigung des elektrischen Systemwirkungsgrads. Die Erkenntnisse tragen zur Weiterentwicklung von kosteneffizienten EES-Lösungen bei und bieten praktische Einblicke für die Entwicklung von elektrischen Hochtemperatur-Heizsystemen für industrielle Anwendungen.