Zeolith- speicher

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
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Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse
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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
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Welche Materialien?
Aktivkohle
Zeolithe
Silikagel
A
Metal Organic
Frameworks
CH3OH
LiBr
B
Ionic liquids
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NH3
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Wasser
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Adsorptionsspeicher mit Zeolith und Wasser
Zeolith
A
B
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• „siedender Stein“
• Poröse
Alumosilikatkeramik
• Naturprodukt
• stark hydrophil
• verfügbar
Wasser
• Ungiftig
• Gute thermische
Eigenschaften
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Wie bewahre ich das Wasser auf?
Wasserdampf
Wasser austreiben
 desorbieren
Wärme
Wassertropfen
Flüssiges Wasser
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verflüssigen
 kondensieren
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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
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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!
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Eigenschaften der Adsorptionsanlagen
• Viele mögliche Materialpaarungen
• Hohe Flexibilität in Bezug auf Temperatur und
Speicherdauer
• Hohe Wärmespeicherdichte
• Verlustarme Speicherung
• Niedertemperaturwärme wird eingebunden
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Zusammenfassung: Adsorptionsanlagen
Wärme als Energiequelle
• Wärme speichern
• Wärme „pumpen“
• Kälte bereitstellen
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Projekt: Energiesparende Brauereitechnologie
Braukessel
Bierherstellung bedarf thermischer Energie
Energieintensivster Schritt im Brauprozess
 Würzekochen (Eindampfen der Bierwürze)
Gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt
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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
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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
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Wärmebedarf
Braukessel
4
5
6
Zeit in Stunden
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Prozessablauf Würzekochen
BHKW
Wärme
Adsorptions
-speicher
Zeit
Braukessel
Zeolith
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Aufbau Speichermodul
Zeolith 13X
Adsorber
Vakuumdichtes
Fass
Verdampfer/Kondensator
Wasser
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Einbindung des Speichers ins Gesamtsystem
T = 120-240°C
Abgaswärmeübertrager
Zeolithspeicher
Braukessel
G
Motor
Warmwasserspeicher
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T < 90°C
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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
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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
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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
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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
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Projektbeteiligte und -förderung
Projektpartner
Brauereimaschinenfabrik Kaspar Schulz KG
Apparatebau für Brauereien
Technische Universität München
Arbeitsgruppe Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
Energiesystemtechnik
Sorptionstechnologie
Messtechnik
Molekulare Thermodynamik
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Aktivitäten in der Sorptionsgruppe
• Wärmepumpen
Konzeptionierung
von Anlagen
• Kältemaschinen
Modellierung von
Adsorptionsanlagen
• Thermische Speicher
Prüfstandsaufbau und -betrieb
Prototypenbau
Experimentelle Validierung
von Modellen
Materialcharakterisierung
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Komponentenentwicklung
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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)
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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
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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
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