Inhalt

Funktionsintegrierte Leichtbaustrukturen zur effizienten Energiebereitstellung und -speicherung (LuE)

Allgemeine Informationen

Zuordnung
Projektnummer	61005219
Projekttitel laut Förderbescheid	LuE - FUNKTIONSINTEGRIERTE LEICHTBAUSTRUKTUREN ZUR EFFIZIENTEN ENERGIEBEREITSTELLUNG UND -SPEICHERUNG.
Akronym	LuE - Teilprojekte FUTURE, FUMAG und EFREX
Projektlaufzeit	01.05.2021 - 30.04.2025
Forschungsschwerpunkt	Energie und Umwelt
Projektkategorie	Forschung
Kompetenzfeld	Energie und Umwelt
Themengebiet	Leichtbau und Energie
Grundeinheit	Institut für Prozesstechnik, Prozessautomatisierung und Messtechnik
Projektwebseite	https://lue.ipm.hszg.de/

Inhaltliche Projektbeschreibung

Teilprojekt FUTURE – Funktionsintegrierte Turbinenschaufeln in hybrider Leichtbauweise für effiziente Industriedampfturbinen

Notwendige Effizienzsteigerungen der Turbinenleistung von Dampfturbinen werden durch den Einsatz konventioneller Werkstoffsysteme stark begrenzt. Insbesondere Aspekte der Betriebssicherheit erfordern eine Reduzierung der Drehzahl beim Bau größerer Turbinen, was einer notwendigen Steigerung des Systemwirkungsgrades entgegensteht. Durch neuartige Faserkunststoffverbund- bzw. Hybridbauweisen sowie Herstellungstechnologien für Lauf- und Leitschaufeln soll eine Vergrößerung der Leistungsdichte von Dampfturbinen erreicht werden. Ein wesentliches Arbeitsziel besteht in der Konstruktion und Auslegung einer hybriden, funktionsintegrierten Turbinenschaufel in belastungsgerechter FKV/Metall-Leichtbauweise. Zur Erzielung eines max. Leichtbaugrades wird die lasttragende Struktur der Turbinenschaufel aus hochfesten kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) hergestellt. Ein weiteres Arbeitsziel besteht in der wirtschaftlichen Fertigung der hybriden Leichtbau-Turbinenschaufel durch Harzinjektion der FKV-Struktur und Blechumformung in einem Prozessschritt. Mit Hilfe einer prozessintegrierten Herstellung im One-Shot-Verfahren soll eine wettbewerbsfähige Fertigung des innovativen Hochleistungsbauteils sichergestellt werden.

Ein daran anknüpfendes Arbeitsziel besteht in der effizienten Applikation abrasionsfester Verschleißschutzschichten auf funktionsintegrierten FKV-Turbinenschaufeln. Hierbei soll die Kombination des wirkmedienbasiert umgeformten Außenhautbleches mit einer nachträglichen partiellen Beschichtung untersucht werden. Entsprechend der personellen und anlagentechnischen Spezialisierung bearbeitet das IPM innerhalb des vorliegenden Forschungsvorhabens insbesondere das Themengebiet zur Untersuchung und Optimierung der neuartigen Leichtbauschaufeln im System Dampfturbine sowie Eruierung und Charakterisierung von Maßnahmen zur Beschichtung.

Teilprojekt FUMAG – Entwicklung funktionsintegrierter magnetgelagerter Hochgeschwindigkeits-Speichersysteme

Eine effiziente Möglichkeit der Speicherung elektrischer Energie, u. a. im Hinblick auf die zukünftigen Anforderungen an das Verbundnetz, ist die Speicherung in Form von kinetischer Energie in Hochgeschwindigkeitsrotoren. Um das Potential bei sehr hohen Drehzahlen zu nutzen, sind hochfeste Werkstoffe für die Rotoren und ein reibungsarmes Lagersystem erforderlich. Durch den Einsatz von Faserkunststoffverbünden (FKV) kann die Drehzahl von Rotoren und damit die Speicherkapazität entsprechender Systeme drastisch erhöht werden. Wird in die Schwungmasse deren Lagerung und die elektrische Maschine als Motor-Generatoreinheit integriert, ergibt sich eine kompakte Anordnung. Der modulare Aufbau gestattet die Zusammenschaltung mehrerer Systeme zu einem Speicherverbund.

Die so gewonnenen flexiblen Konfigurationsmöglichkeiten sind vorteilhaft für die Abstimmung der Speicheranwendung auf die Anforderungen des Betreibers hinsichtlich Leistung und Energie. Innerhalb des vorliegenden Forschungsvorhabens beschäftigt sich das IPM insbesondere mit der Erforschung und Entwicklung der aktiven Magnetlagerung und elektrischen Maschine sowie der erforderlichen Sensorik zur Online-Zustandsüberwachung und der anforderungsgerechten Steuerung/Regelungstechnik des integrativen Hochgeschwindigkeitsspeichers.

Teilprojekt EFREX - Effizienzsteigerung thermischer Energiespeicher

Thermische Energiespeicher (TES) mit modularer Einheit zur Zu- und Abfuhr der Energie, vakuumgedämmten, druck-, vakuum- und temperaturfesten Sicherheits-Leichtbau-Behälter und Funktionsintegration sind nicht am Markt verfügbar. Spezielle anwendungsbezogene Lösungen mit gewissen Einzelfähigkeiten für niedrige Druck- und Temperaturbereiche sind in technisch handhabbarer Form umgesetzt]. Für hohe Parameter existieren lediglich technisch und wirtschaftlich sehr aufwändige Lösungen. Eine Funktionsintegration in die spezielle lastabtragende und vakuumgedämmte strukturierte Sicherheits-Doppelwand des Leichtbau-Behälters fand in bisherigen Ausführungen nur im niedrigen Druck- und Temperaturbereich statt. Die Innovationen in diesem Projekt ermöglichen eine drastische Steigerung der Anwendungsbreite durch die individuelle Konfigurierbarkeit je nach Anforderung des Prozesses bei gleichzeitig geringen Bauteilmehrkosten durch eine wirtschaftliche Fertigungstechnologie. Die Funktionsintegration gestattet eine Online-Sicherheits- und Zustandsdiagnose und autarke sowie intelligente Integration in den Prozess. Eine zusätzliche Effizienzsteigerung für TES ist durch die Entwicklung eines neuartigen, modularen Leichtbau-Energiespeichers, insbesondere durch die individuell im Rahmen von Power-to-X-Anwendungen erforderlichen modularen Einheiten zur Zu- und Abfuhr der Energie, die bis zum Reaktordesign reichen, zu erwarten. Die thermische Entkopplung des Arbeits- bzw. Speichermediums von der lastabtragenden Behälterstruktur ermöglicht erstmals den Einsatz von temperaturempfindlichen FKV zur Herstellung leichtbaugerechter und modularer TES-Behälter.

Entsprechend der fachlichen und anlagentechnischen Spezialisierung bearbeitet das IPM innerhalb des vorliegenden Forschungsvorhabens vorwiegend die verfahrenstechnischen Fragestellungen. Insbesondere die Entwicklung der individuell anwendbaren Einheiten zur Zu- und Abfuhr der Energie und der thermochemische Reaktoreinsatz stehen im Fokus der Arbeiten. Weiterhin bearbeitet das IPM das Themengebiet Funktionsintegration. Das Fraunhofer-IWU bearbeitet im Wesentlichen das Themengebiet der Entwicklung, Auslegung und Fertigung des hochwärmedämmenden Leichtbau-Sicherheits-Behälters mit Doppelwand. Dabei steht die Befähigung des extrusionsbasierten 3D-Drucks für eine hohe Produktivität und kosteneffiziente Herstellung der Behälter, die Gewährleistung der Mediendichtheit durch z. B. nachträgliche Versiegelungsprozesse und die Integration der Sensorik idealerweise während des 3D-Drucks im Vordergrund.

Im Ergebnis der Arbeit liegt ein Verfahren zur Herstellung eines auf Kunststoff- bzw. Verbundwerkstoffen basierenden, modularen, individuell konfigurierbaren thermischen Energiespeichers mit integrierter Funktionalität vor.

Danksagung

Das LuE-Projekt ist im Rahmen des Programms zur Stärkung der Transformationsdynamik und Aufbruch in den Revieren und an den Kohlekraftwerksstandorten „STARK“ gefördert durch das BMWi. Die Ergebnisse dienen der Erreichung der internationalen und nationalen Klimaschutzziele sowie der ökologisch nachhaltigen und ressourceneffizienten Strukturstärkung der vom Kohleausstieg betroffenen Regionen.

Weitere Daten

Ansprechpartner
- Herr Prof. Frank Worlitz (Projektleitung)
- Herr Stephan Düsterhaupt
- Herr Hagen Hoffmann
- Herr Holger Neumann
- Herr Ivo Noack
- Herr Torsten Rottenbach
- Herr Mikhail Shmachkov
- Herr Christian Vanek
Fördermittelgeber
- 46SKD019B - BMWi

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