Der steigende Anteil der Stromeinspeisung aus erneuerbaren Energiequellen in das Stromnetz stellt die heutigen Stein- und Braunkohlekraftwerke vor eine große Herausforderung. Die auf einen kontinuierlichen Lastbetrieb ausgelegten Kraftwerke müssen immer flexibler auf die natürlichen Schwankungen der Solar- und Windenergie sowie der variierenden Energienachfrage reagieren. Zusätzlich gibt es immer mehr Abschaltvorgänge, da die Minimallast eines Kraftwerks die angeforderte Leistung oft übersteigt. Dies führt zu einer gesteigerten Anzahl an Heiß-, Warm- und Kaltstarts, für die teure konventionelle Anfahrbrennstoffe wie Öl oder Gas erforderlich sind. Da solche Anfahrvorgänge zudem sehr lange dauern, schlägt sich das in einer geringeren Effizienz und höheren Kosten für die Stromerzeugung nieder.
Das Ziel dieses Projektes ist der Einsatz eines rein elektrischen Plasmazündsystems, welches zum einen die Verwendung der festen Primärbrennstoffe (Braunkohle, Steinkohle, Biomasse) als Anfahrbrennstoffe ermöglichen und zum anderen den Bereich der Minimallast durch die Stabilisierung der Kohleflamme mit Hilfe des Plasmas weiter reduzieren soll. Insgesamt sollen dadurch die Flexibilität und Effizienz von Kohlekraftwerken erhöht und deren Emissionen verringert werden.
Als Plasmazündsysteme werden hierbei DC-Plasmabrenner eingesetzt. Dabei wird ein Gleichstromlichtbogen zwischen zwei Elektroden erzeugt und als heißer Jet aus einer Düse ausgeblasen. Das Plasma hat typischerweise eine Temperatur um 10000 K und ist somit prinzipiell heiß genug, um das umströmende Luft/Kohlestaubgemisch zu zünden.
Der Zündprozess und die Flammenstabilität hängen jedoch von vielen Faktoren ab, wie zum Beispiel vom Kohletyp, dessen Wassergehalt, Gehalt an Flüchtigen, der Korngrößenverteilung, dem Mischungsverhältnis Luft/Kohle, der Gasströmung im Brenner oder der Positionierung der Plasmalanze im Brenner. Um die Wechselwirkung von Plasma und Kohle besser zu verstehen, werden grundlegende Untersuchungen im kleinen Labormaßstab mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) und einer Hochgeschwindigkeitskamera durchgeführt.
Das Zündverhalten und die Flammenstabilität werden des Weiteren unter realistischen Bedingungen in einer kleinskaligen Verbrennungsanlage (KSVA) des Instituts für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK, Universität Stuttgart) bei bis zu 300 kW thermischer Leistung und unter Variation der verschiedenen Parameter untersucht. Mit den gewonnenen Erkenntnissen werden schließlich Zündversuche bei 3 MW Leistung in einem Kohlekraftwerk durchgeführt.
Stefan Merli
Dr.Wiss. Mitarbeiter, Plasmatechnologie
Matthias Walker
Dr.-Ing.Verwaltungsleiter, Leiter Plasmatechnologie