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7. Wissenschaftstag Vattenfall Stromspeicher – Schlüssel zur Energiewende Speichertechnologien im Überblick A. Kratzsch
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1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 2. Einteilung von Energiespeichern 3. Bedarf an Energiespeichern 4. Flexibles Kraftwerk 5. Zusammenfassung
Gliederung
29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
§ Umbau der Energieversorgung zu einem regenerativ dominierten Energiesystem
§ Problematik: – Fluktuierende Einspeisung aus Erneuerbaren Energien (EE) – Synchronisierung von EE-Angebot und Netzlast
Quan%fizierte Ziele Energiekonzept 2020 2030 2040 2050
Minderung der THG-‐Emissionen (bezogen auf 1990) -‐40% -‐55% -‐70% -‐80 bis 95%
Mindest-‐Anteil der EE am Bru9o-‐Endenergieverbrauch 18% 30% 45% 60%
Mindest-‐Anteil der EE am Bru9ostromverbrauch 35% 50% 65% 80%
Minderung des Primärenergieverbrauchs -‐20% -‐50%
Minderung des Stromverbrauchs -‐10% -‐25%
Minderung des Endenergieverbrauchs Verkehr -‐10% -‐40%
Reduzierung des Wärmebedarfs (2020) bzw. des Primärenergiebedarfs (2050) von Gebäuden
-‐20% -‐80%
AtomenergieaussZeg 2022
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Ausgangssituation
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§ Zielstellung: Äquivalenz zwischen Elektroenergienachfrage und -angebot.
§ Es existieren entsprechende Stelleinrichtungen im Verbundnetz: – bestehender fossiler und nuklearer Kraftwerkspark – Gasturbinenkraftwerke (schnellstartfähig) – Pumpspeicherkraftwerke – Druckluftspeicherkraftwerk (HUNTORF)
§ Durch den fortschreitenden Zubau Erneuerbarer Energien reicht der Stellbereich und die Stellgeschwindigkeit bestehender Stelleinrichtungen nicht mehr aus è instabiles Verbundnetz
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Abb. 1: KKW Krümmel, KW Boxberg (Quelle: Vattenfall)
Ausgangssituation
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Entwicklung der Residuallast 2020 bis 2050 nach Studie BMU2012, Szenario 2011A
Grundlast verschwindet mit zunehmender Einspeisung aus EE
Residuallast 2020 Residuallast 2030 Residuallast 2050
zunehmend hochflexibler wirtschaftlicher Kraftwerkspark für Spitzenlastdeckung mit hohen Lastgradienten und gesicherter Leistung (Backup) notwendig 2050 Speicherkapazität ≈ flexible Erzeugungskapazität
Quelle: [BMU2012] S.202-204 Quelle: [BMU2012] S.202-204 Quelle: [BMU2012] S.202-204
Abb. 2: Residuallast 2020, 2030, 2050 (Quelle: BMU)
Ausgangssituation
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1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 2. Einteilung von Energiespeichern 3. Bedarf an Energiespeichern 4. Flexibles Kraftwerk 5. Zusammenfassung
Gliederung
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§ Einteilung nach Energieform
§ Einteilung entsprechend Speicherdauer (Lang-/Kurzzeitspeicher) § Einteilung hinsichtlich der Bewertungskriterien für Speicher § Einteilung hinsichtlich der möglichen Beiträge zu Systemdienstleistungen
Einteilung von Speichertechnologien
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Energiespeicher
Mechanische • Pumpspeicher KW • Drucklu@speicher (CAES, AA CAES, ADELE)
• Schwungräder (DYNASTORE)
Chemische • Elektrochemische Ba9erien
• Brennstoffe • Elektrolyse (Power-‐to-‐Gas)
Biologische • Biopolymere (nachwachsende Rohstoffe)
• Erdöl, Kohle, Erdgas (fossile)
Elektrische • Kondensator • Superkondensator • Ba9erien
Thermische • Sensible Wärmespeicher
• Latente Wärmespeicher
• Thermochemische Wärmespeicher
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§ Beispiel: Druckluftspeicher HUNTORF
§ Inbetriebnahme 1978 als kombiniertes Druckluft- speicher- und Gasturbinenkraftwerk mit einer Leistung von 321 MWel.
§ Zur Druckauflastung der Kaverne (72.000 t Press- luft bei 72 bar) ist eine elektrische Arbeit von 480 MWh erforderlich.
§ Die Kaverne ersetzt den klassischen Verdichter der Gasturbine.
§ Die Beladung erfolgt zu Schwachlastzeiten, die Entladung zu Spitzenlastzeiten.
§ Es sind 120 min. Volllastbetrieb bei voll geladener Kaverne möglich (danach Gleitdruckbetrieb).
§ Vergleich: 40 min. Volllastbetrieb ohne Kaverne bei identischer Gasmenge
Einteilung von Speichertechnologien
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Abb. 3: KW HUNTORF und Luftspeicher-Gasturbinengruppe (Quelle: BBC1980)
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1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 2. Einteilung von Energiespeichern 3. Bedarf an Energiespeichern 4. Flexibles Kraftwerk 5. Zusammenfassung
Gliederung
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§ Energiespeicher müssen in der Lage sein Systemdienstleistungen zu erbringen bzw. bisherige Systemdienstleister dahingehend unterstützen/ertüchtigen!
§ Systemdienstleistungen – Frequenzhaltung
• Momentanreserve • Primärregelleistung • Sekundärregelleistung • Minutenreserve
– Spannungshaltung – Versorgungswiederaufbau – Betriebsführung
§ Entsprechend werden Anforderungen an Speicher gestellt.
Bedarf an Energiespeichern
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Bedarf an Energiespeichern
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Kapazität Dynamik
Zyklenstabilität Teillasfähigkeit
Standzeit Zuverlässigkeit
und Verfügbarkeit
ökologische/ökonomische
Aspekte
gesellscha@liche Akzeptanz
§ Anforderungen an Stromspeicher im Verbundnetz (Auszug)
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§ Beiträge ausgewählter Energiespeicher zu Systemdienstleistungen:
Bedarf an Energiespeichern
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Schwungmassen-‐speicher Ba9erien Pumpspeicher-‐
kra@werke Power-‐to-‐Gas Gas-‐to-‐Power
Momentan-‐reserve
Primärregel-‐leistung
Sekundär-‐regelleistung
Minuten-‐reserve
Bewertung: § Hohe Investitionskosten für die Realisierung von Stromspeichern als Stell-
einrichtungen im Verbundnetz. § Erforderliche dezentrale Strukturen führen zu einem hohen informations-
technischen Aufwand.
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1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 2. Einteilung von Energiespeichern 3. Bedarf an Energiespeichern 4. Flexibles Kraftwerk 5. Zusammenfassung
Gliederung
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Folgen für Großkraftwerke bis 2030 durch den zunehmenden Ausbau der EE
§ volatile Spitzen durch EE-Einspeisung nehmen zu
§ zeitweise Vollversorgung durch EE
§ starker Anstieg des Spitzenlastbedarfs
§ schrittweise Abnahme der Deckung des
Grundlastbedarfs durch Bestandskraftwerke
§ steigender Bedarf an Regelenergie
§ An- und Abfahrprozesse nehmen stark zu
§ hohe Lastgradienten
§ Zunahme von Lastwechselfahrweisen
§ erhöhte Belastung der Bauteile
Mögliche Residuallast 2030 Quelle: [BMU2012] S.202-204
Flexibles Kraftwerk
Abb. 4: Simulierter Verlauf der Residuallast für zwei Wochen in 2030
Ø Ertüchtigung von bestehenden Stelleinrichtungen (Bestandskraftwerken) in Hinblick auf Stellgeschwindigkeit und Stellbereich.
Ø Integration thermischer Energiespeicher (TES) in den Kraftwerksprozess.
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TES
Sensible Wärmespeicher
Flüssig Fest
Latente Wärmespeicher
Übergang fest-‐ flüssig
Übergang flüssig-‐ gasf.
Thermochemische Wärmespeicher
Sorp6ons-‐speicher
Reak6ons-‐wärme speicher
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Fluidspeicher
Dampfspeicher
Feststoffspeicher Latentwärmespeicher Ad- u. Absorptions-speicher
AB+∆HR A+B-∆HR
Reaktions-wärmespeicher
Hoch Entwicklungsstand Niedrig
Flexibles Kraftwerk
Niedrig Speicherdichte Hoch
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Speicherkonzepte T > 150°C
Prinzip Typ. Speichermed.
Vorteile Nachteile
Fluidspeicher Speicherung sensibler Wärme in flüssigem Speichermedium, direkt o. indirekt -‐ Zwei-‐Tank-‐System -‐ Ein-‐Tank-‐Schicht-‐System
-‐ Thermoöl -‐ Druckwasser -‐ Flüssigsalz
-‐ Stand der Technik -‐ gute Leistungsanpassung -‐ bis 600°C je nach Medium
-‐ Druckbehälter (Wasser) -‐ hohe Wärmeverluste -‐ Wärmeüberganswiderst. -‐ Temperaturniveau nicht konstant
Dampfspeicher Speicherung sensibler Wärme in Druckwasser, Phasenwechsel Wärmeträger bei Be-‐ und Entladung (Ruths-‐Speicher)
-‐ Druckwasser -‐ Stand der Technik -‐ Abdeckung von Leistungsspitzen -‐ Speichermedium günsZg -‐ bis 374°C bei 221bar
-‐ Druckbehälter -‐ Temperatur-‐ und Druckniveau nicht konstant
Feststoffspeicher Speicherung sensibler Wärme in festem Speichermedium mit integriertem Wärmeübertrager
-‐ Beton -‐ (Stein, Metalle)
-‐ kein Druckbehälter -‐ preiswertes Speichermed. -‐ bis 550°C
-‐ Pilotprojektstadium -‐ geringe Wärmeleif. -‐ Leistungsanpassung
Latentwärmespeicher Isotherme Speicherung latenter Wärme in einem Medium mit Phasenwechsel (PCM) während Be-‐ und Entladung
-‐ Tech. Salze -‐ Metalle und Legierungen
-‐ Speicherung bei kleinem ∆T -‐ hohe Speicherdichte -‐ kein Druckbehälter -‐ bis 1000°C
-‐ Pilotprojektstadium -‐ z.T. geringe WärmeleiW. -‐ Kosten Speichermedium
Ad-‐/AbsorpZonsspeicher Speicherung phys. Bindungswärme durch Ausheizung eines, an einem festen bzw. flüssigen Stoff A angelagerten bzw. gelösten Stoffes B
-‐ Natronlauge -‐ Zeolith -‐ Silikagel -‐ Metallhydride
-‐ Nutzung KondensaZonswärme -‐ Temperaturhub möglich -‐ keine Wärmeverluste -‐ 150 bis 300°C
-‐ z.T. Pilotprojektstadium -‐ Druckabhängig -‐ geringe Wärmeleif. -‐ evtl. Reaktor notwendig
ReakZonswärmespeicher Speicherung chem. ReakZonswärme durch Aufspaltung eines Stoffes AB unter Wärmezufuhr in die separierten Stoffe A und B
-‐ Ammoniaksynt. -‐ DehydraZsieru. /Decaboxillieru. von Metallen
-‐ höchste Speicherdichte -‐ keine Wärmeverluste -‐ 250 bis 950°C
-‐ Laborstadium -‐ Zyklenstabillität -‐ Reaktor notwendig AB+∆HR A+B-∆HR
Flexibles Kraftwerk
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Beispiel: Solar Two § Anwendungen mit großen
Temperaturspreizungen § 1400 Tonnen 60 % NaNO3 + 40 % KNO3
§ „kalter“ Tank: 290 °C, Material: Stahl § „heißer“ Tank: 565 °C, Material: Edelstahl § Speicherkapazität: 110 MWh (35,5 MW x 3 h) § Speicherdichte: ca. 0,56 kWh/m³K § Ø Wärmeverlustleistung ca. 200 kW § Dämmung: „Foamglas“ + Firebricks
Sensible Wärmespeicher: Fluidspeicher mit Flüssigsalz
Quelle: [0231], [0189], [0186]
11,6m
7,8m 8,4m
Flexibles Kraftwerk
Abb. 5: Kraftwerk Solar Two im Bild und schematisch (Quelle: 0231)
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Beispiel: Plataforma Solar de Almería, Spanien, (Pilotanlage)
§ Anwendungen mit großen Temperaturspreizungen
§ Temperaturen von 200 °C bis 500 °C § Speicherkapazität: ca. 1 MWh § Speicherdichte: ca. 0,63 kWh/m³K § Ø Wärmeverlustleistung ca. 9 kW § Wärmeübertrager im Beton integriert § Dämmung durch 400 mm Mineralwolle § hohes Kostensenkungspotenzial durch
höhere Wärmeleitfähigkeit im Speicher- medium
Sensible Wärmespeicher: Feststoffspeicher mit N4-Beton DLR
Quelle: [0060]
1,7m
1,3m
8,37m
Quelle: [0053], [0060]
Flexibles Kraftwerk
Quelle: [0018]
Abb. 6: Betonspeicher im Bild und schematisch
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Beispiel: Carboneras Spanien (Pilotanlage) § Anwendungen mit kleinen Temperaturspreizungen § Phasenwechseltemperatur 306 °C § Nutzung Schmelzwärme NaNO3 zur Verdampfung
Speicher = Dampferzeuger! § Speicherkapazität: ca. 0,72 MWh (0,24 MW x 3 h) § Speicherdichte: ca. 84 kWh/m³ (Schmelzwärme) § Wärmeübertrager integriert § konstante Entladetemperatur § Dämmung durch 400 mm Mineralwolle § hohes Kostensenkungspotenzial durch
höhere Wärmeleitfähigkeit im Speichermedium
Latente Wärmespeicher: Salz NaNo3
Quelle: [0038], [0071]
Flexibles Kraftwerk
Abb. 7: Salzspeicher im Bild und schematisch (Quelle: 0036)
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Identifikation vorhandener nutzbarer thermischer Speicher im Kraftwerksprozess.
Flexibles Kraftwerk
Abb. 8: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses (Quelle: 0231)
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§ Erhöhung der vorhandenen thermisch nutzbaren Speicherkapazitäten im Kraftwerksprozess durch Integration thermischer Energiespeicher.
Hydraulische Grundschaltungen thermischer Energiespeicher: § Parallelschaltung § Reihenschaltung
Prinzipiell nutzbare Energieströme: § Frischdampf § Abdampf HD-Teil § Anzapfdampf HD-, MD, ND-Teil § Speisewasser HD-Vorwärmung § Speisewasser Speisewasserbehälter § Speisewasser ND-Vorwärmung
Flexibles Kraftwerk
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PND: Parallelschaltung zur ND-Turbine, Fernwärmespeicherung
§ Substitution ND-Turbine § T = 270-280 °C § ∆T = 240-260 K § p = 4-6 bar § ∆p = 4-6 bar
§ Einspeicherung von Entnahmedampf
§ Ausspeicherung von Fernwärme
§ Speicherauslegung abhängig von Lastkurve Fernwärme
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Flexibles Kraftwerk
Abb. 9: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses mit thermischem Energiespeicher im Fernwärmesystem
RES: Reihenschaltung zur Erhöhung vorhandener Speichermassen
§ Speicherkapazitäten als Dämpfungsglied
§ TFD = 555 °C § TSW = 240-270 °C § p = 155-300 bar
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Flexibles Kraftwerk
Abb. 10: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses mit thermischem Energiespeicher in der Frischdampfstrecke
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§ Idealisierte Darstellung der temperaturabhängigen Speicherdichte verschiedener Speichermedien
Flexibles Kraftwerk
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10bar
46bar
221bar
129bar
1bar
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 100 200 300 400 500 600
gespeicherte Ene
rgie in kWh/m³
Temperatur in °C
N4-‐Beton DLR
Wasser Siedelinie
NaNO3
Siededruck
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Temperaturniveau Speicherkapazität
Zyklenstabilität Wärmeleifähigkeit
Druckabhängigkeit Korrosion
ökologische/ökonomische
Aspekte VolumendilataZon
§ Bewertungskriterien für die Auswahl thermischer Energiespeicher zum Einsatz im Kraftwerksprozess (Auszug).
Flexibles Kraftwerk
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Medium Art Speicherkapazität 160-‐270 °C [kWh/m3]
Kostenfaktor bezogen auf Wasser
[-‐]
Therminol72 Flüssigkeit 64 190
N4-‐Beton DLR Feststoff 70 10
Wasser Flüssigkeit 83 1
Hitec (flüssig) Flüssigkeit 97 136
NaNO3+KNO3 60/40 PCM 118 75
Gussstahl Feststoff 143 2100
AlCl3 PCM 268 2500
LiNO3 PCM 372 10000
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§ Wasser wird als am besten geeignet bewertet! § Wasser ist bereits im Kraftwerksprozess vorhanden. § Für die Integration sind keine zusätzlichen Wärmeübertrager erforderlich
(maßgeblicher Beitrag zum Exergieerhalt der eingespeicherten Energie).
Flexibles Kraftwerk
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§ Qualitativer Vergleich zwischen bisherigem Kraftwerksprozess und flexibilisiertem Kraftwerksprozess.
Flexibles Kraftwerk
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Quelle: [0173]
100
40
24
qualitativer Lastverlauf qualitativer Lastverlauf mit Speicher
Tagesstunden
Blo
ck-L
ast i
n %
Beispielhafter Block-Lastverlauf
2
33
Blo
ck-L
ast i
n %
Regelenergiebereitstellung
100
40
SOLL IST
Primär- u. Sekundär-regelleistung
Lastregelbereich 4 4
1
Mindestlastabsenkung (P < 40 %)
Überlasfähigkeit (P > 100 %)
Erhöhung Laständerungsgeschwindigkeit (P/min.)
Erhöhung Regelenergiebereitstellung
1
2
3
4
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1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 2. Einteilung von Energiespeichern 3. Bedarf an Energiespeichern 4. Flexibles Kraftwerk 5. Zusammenfassung
Gliederung
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§ Deutschland steht vor einem signifikanten Umbau des Energieversorgungs-systems.
§ Aufgrund des rasanten Zubaus von Erneuerbaren Energien ist davon auszu-gehen, dass zukünftig die bestehenden Stelleinrichtungen an ihre Leistungs-grenzen kommen und die Netzstabilität nicht sicherstellen können.
§ Stromspeicher sind geeignet, Systemdienstleistungen zu erbringen und kön-nen damit als Stelleinrichtung im Verbundnetz eingesetzt werden.
§ Der Aufbau der erforderlichen Infrastruktur ist mit hohen Kosten und langen Zeiträumen verbunden.
§ Bestandskraftwerke garantieren schon jetzt die Stabilität des Verbundnetzes.
§ Die weitere Flexibilisierung der Kraftwerksanlagen durch die Integration ther-mischer Energiespeicher leistet einen Beitrag zur Erweiterung der Stellmög-lichkeiten der Kraftwerke.
Zusammenfassung
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Merkmale:
§ Nachbildung kraftwerksrelevanter Wasser-
Dampf-Prozesse bis max. 350 °C und 160 bar
§ universelle Schnittstelle für die Integration
externer Untersuchungsgegenstände
§ max. 0,1 kg/s Dampf, 0,5 kg/s Speisewasser
§ korrosionsbeständige Ausführung
Untersuchungsschwerpunkte:
§ Analyse kraftwerksrelevanter Prozesse
§ Integration thermischer Energiespeicher in
den Kraftwerksprozess
§ Einzeleffektanalysen
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Energieeffizienzsteigerung in thermischen Energieanlagen
Ausblick
29.10.2014
Versuchsanlage THERESA
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Quellen
29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
[0018] DLR: „Schlussbericht Forschungsvorhaben WANDA WESPE-Speichertechnologie für ANDASOL“; DLR; 2007
[0036] Laing, Bahl, Bauer, Lehmann, Steinmann: „Thermal energy storage for direct steam generation“; ELSEVIER; 2010
[0038] Laing et al: „Test and Evaluation of a thermal energy storage system for direct steam generation“; SolarPACES 2011, Spanien
[0053] Laing, Bahl, Bauer, Fiss, Breidenbach, Hempel: „High-Temperature Solid-Media Thermal Energy Storage for Solar Thermal Power Plants “; 2011
[0060] Laing, Hempel, Stückle: „CONCRETE THERMAL ENERGY STORAGE FOR SOLAR THERMAL POWER PLANTS AND INDUSTRIAL PROCESS HEAT “; 2009
[0071] Steinmann, Schulte, Scherrer: „EVA Thermische Energiespeicherung zur Verstromung diskontinuier- licher Abwärme “; 2010
[0126] Kurt, Greiner, Kallina: „Verbesserung des Regelverhaltens von Dampfkraftwerksblöcken“; STEAG Energy Services; 2009
[0173] Schüle, V.: „Betriebsflexibilität“; Alstom; 2011; Legin, M.: „Thermische Energiespeicherung für DKW; Alstom; 2011
[0186] Pacheco, Kelly, Herrmann, Cable, Mahoney, Price, Blake, Nava, Potrovitza: „Engineering aspects of a molten salt heat transfer fluid in a trough solar field“; ELSEVIER; 2003
[0189] Herrmann , Kelly, Price: „ Two-tank molten salt storage for parabolic trough solar“; ELSEVIER; 2004
[0231] Pacheco J.: „Final test and evaluation results from the solar two project“, SNL; 2002 [SRU2011] Sachverständigenrat für Umweltfragen: „Wege zur 100% erneuerbaren Stromversorgung Sonder-
gutachten“; Januar 2011 [BMU2012] Arbeitsgemeinschaft IWES, DLR, IFNE: „Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der
erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global“; März 2012
[BBC1980] Sonderdruck aus Brown Boveri Mitteilungen Band 67, Heft 8/1980, Seite 465 bis 473 [EFZN2013] efzn: „Eignung von Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit“, Goslar, 2013
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