Zeolith- speicher
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Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse Heike Schreiber Sorptionstechnologie Lehrstuhl für Technische Thermodynamik RWTH Aachen University Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow 28. 1September 2012 Übersicht • Was sind Adsorptionsspeicher? • Anwendungsbeispiel Brauprozess • Forschung am LTT 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 2 Prinzip der Sorptionsspeicher reversibel AB Speicher beladen Wärme AB B H A B Speicherung A B Speicher entladen AB Wärme B • Stofftrennung • Gespeicherte Wärme Bindungsenergie 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 3 Welche Materialien? Aktivkohle Zeolithe Silikagel A Metal Organic Frameworks CH3OH LiBr B Ionic liquids 28. September 2012 NH3 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse Wasser © 4 Adsorptionsspeicher mit Zeolith und Wasser Zeolith A B 28. September 2012 • „siedender Stein“ • Poröse Alumosilikatkeramik • Naturprodukt • stark hydrophil • verfügbar Wasser • Ungiftig • Gute thermische Eigenschaften Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 5 Wie bewahre ich das Wasser auf? Wasserdampf Wasser austreiben desorbieren Wärme Wassertropfen Flüssiges Wasser 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse verflüssigen kondensieren © 6 Funktionsprinzip Adsorptionswärmespeicher Desorption Speicher laden Adsorption Speicher nutzen Zeolith Antriebswärme Nutzwärme Austreiben des Wassers Kondensationswärme Wasser Aufnahme des Wassers Wasser Verdampfungswärme Zeitliche Trennung von Ad- und Desorptionsphasen Wärmespeicherung 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 7 Wie kann ich Kälte bereitstellen? Desorption Speicher laden Adsorption Speicher nutzen Zeolith Antriebswärme Abwärme Austreiben des Wassers Kondensationswärme Wasser Aufnahme des Wassers Verdampfungswärme Wasser Kühlleistung! 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 8 Eigenschaften der Adsorptionsanlagen • Viele mögliche Materialpaarungen • Hohe Flexibilität in Bezug auf Temperatur und Speicherdauer • Hohe Wärmespeicherdichte • Verlustarme Speicherung • Niedertemperaturwärme wird eingebunden 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 9 Zusammenfassung: Adsorptionsanlagen Wärme als Energiequelle • Wärme speichern • Wärme „pumpen“ • Kälte bereitstellen 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 10 Projekt: Energiesparende Brauereitechnologie Braukessel Bierherstellung bedarf thermischer Energie Energieintensivster Schritt im Brauprozess Würzekochen (Eindampfen der Bierwürze) Gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 11 Effiziente Bereitstellung von Energie Kraft-Wärme-Kopplung • 2 Produkte (Strom und Wärme) Hohe Energieausnutzung BrennstoffLuft Gemisch Abgas Abgaswärmetauscher Kaltes Wasser Nutzwärme Motor Generator Strom Quelle: www.technik-verstehen.de 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 12 Wärmeprofil im Brauprozess • Hochtemperaturwärmebedarf (T > 110°C) Wärmeleistung in kW 1 2 3 4 5 6 7 8 • Energieeffizienter Betrieb des Motorheizkraftwerks • Geringere Anlagengröße – spart Investkosten benötigte Speicherkapazität Abwärme MHKW 1 2 3 Adsorptionswärmespeicher 28. September 2012 Wärmebedarf Braukessel 4 5 6 Zeit in Stunden Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 13 Prozessablauf Würzekochen BHKW Wärme Adsorptions -speicher Zeit Braukessel Zeolith 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 14 Aufbau Speichermodul Zeolith 13X Adsorber Vakuumdichtes Fass Verdampfer/Kondensator Wasser 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 15 Einbindung des Speichers ins Gesamtsystem T = 120-240°C Abgaswärmeübertrager Zeolithspeicher Braukessel G Motor Warmwasserspeicher 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse T < 90°C © 16 Arbeitspakete des Projekts • Anlagenauslegung der Einzelkomponenten wie Braukessel, Zeolithwärmespeicher, Rauchgaswärmeübertrager und Warmwasserspeicher • Modellierung des Wärmehaushaltes einer Brauerei • Entwicklung und Bau der Prototypen Zeolithspeicher und Rauchgaswärmeübertrager • Betrieb der Prototypen im Verbund und Messung des Verhaltens bei typischen Lastzuständen • Energetische Bilanzierung und betriebswirtschaftliche Betrachtung 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 17 Wärmeleistung in kW 1 2 3 4 5 6 7 8 Speichernutzen: Leistungsverschiebung Wärmebedarf Braukessel Abwärme MHKW 1 2 3 4 5 6 Zeit in Stunden 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 18 Niedertemperaturwärmeeinfluss auf den Speicher • Nutzung der Kondensationswärme im Brauprozess möglich • Abwärme für Verdampfung vorhanden – Wärmerückgewinnung im Prozess – Überschüssige Kühlwasserwärme des BHKW • Variation der Temperaturniveaus im Verdampfer / Kondensator Verdampfer Kondensator Speicherdichte Wirkungsgrad Temperatur Temperatur Temperatur Temperatur Betrachtung des Gesamtsystems notwendig 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 19 Ergebnisse des Projekts • Funktionsnachweis des Speichers – Lastverschiebung realisierbar – 80 % Wirkungsgrad – 2 x höhere Speicherdichte im Vergleich zu WarmwasserDruckspeichern – Niedertemperaturwärme im Prozess nutzbar – Optimierungspotential vorhanden • Verbundanlage erfolgreich getestet • Vergleich Modellbrauerei mit konventioneller Brauerei – 32 % Primärenergieersparnis – Wirtschaftlich durch Biogasnutzung und KWK-Vergütung 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 20 Projektbeteiligte und -förderung Projektpartner Brauereimaschinenfabrik Kaspar Schulz KG Apparatebau für Brauereien Technische Universität München Arbeitsgruppe Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 21 Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik Energiesystemtechnik Sorptionstechnologie Messtechnik Molekulare Thermodynamik 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 22 Aktivitäten in der Sorptionsgruppe • Wärmepumpen Konzeptionierung von Anlagen • Kältemaschinen Modellierung von Adsorptionsanlagen • Thermische Speicher Prüfstandsaufbau und -betrieb Prototypenbau Experimentelle Validierung von Modellen Materialcharakterisierung 28. September 2012 Komponentenentwicklung Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 23 Wo liegen die Forschungsschwerpunkte? • Verstehen der Vorgänge in der Adsorptionsanlage – mathematische Modellbildung – Vorhersagbarkeit des Anlagenverhaltens • Verstehen des Zusammenspiels im System – Dynamische Modellierung – Vorhersagbarkeit des Systemverhaltens Systematisches Auslegen statt „Trial and Error“ • Erforschung der energietechnischen Anwendungen für Adsorptions-Systeme – Systemeinbindung • Nutzung von Niedertemperaturwärmeströmen – Speicherdichte (Platzbedarf) – Materialauswahl (Kosten) 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 24 Möglichkeiten der Zusammenarbeit Inhaltlich • Industrielle Prozesswärme- und Kälteversorgung • Stromgeführte KWK mit Wärmespeichern • KWKK Praktisch • Öffentlich geförderte Projekte oder Dienstleistung • Simulationsstudie zu Anlagenkonzepten und Systemeinbindung • Experimentelle Untersuchungen • Prototypenentwicklung 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 25 Kontakt Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow Tel.: +49 (0)241 80-9 53 81 E-Mail: [email protected] Dipl.-Ing. Heike Schreiber Tel.: +49 (0)241 80-9 81 76 E-Mail: [email protected] Lehrstuhl für Technische Thermodynamik Schinkelstraße 8 D - 52062 Aachen Fax.: +49 (0)241 80 92 255 Web: http://www.ltt.rwth-aachen.de 28. September 2012 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse © 26
