Wärmespeichersysteme - Institut für angewandtes
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Wärmespeichersysteme 11. Solartagung 9.12.2015 Dipl.-Ing. Christian Synwoldt Hochschule Trier / Umwelt-Campus Birkenfeld Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) Internet: http://www.stoffstrom.org Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2014 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) Wärmespeicher Einsatz Wärmeverluste Speichertypen sensibel latent thermochemisch Anwendung Kosten Speicher zur Systemintegration Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 2 Wärmespeicher Einsatz Entkopplung von Wärmeerzeugung und Nutzung • zeitlich • stromgeführtes BHKW • solare Wärme (täglich, saisonal) • Kurzzeitpuffer • Langzeitspeicher Spitzenlastdeckung Optimierung des Brennereinsatzes Ausgleich saisonaler Fluktuationen von Nachfrage und Versorgung Systemintegration • räumlich • Prozess- / Restwärme für entfernte Nutzer Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! auch ohne Nahwärmenetz © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 3 Rechtlicher Rahmen EEG 2014 §47 (1) Pflicht zur Flexibilisierung von Biogas-BHKW • Anlagenleistung > 100 kW: Förderanspruch nur auf Strommenge entsprechend einer Bemessungsleistung ≤ 50 % der installierten Leistung Leistungsüberbauung bedeutet auch Gasspeicher Wärmespeicher Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 4 Lastgänge von Strom und Wärme kW BHKW 2 BHKWs für Krankenhaus BHKW 1 2x 110 kW Strom 2x 150 kW Wärme Quelle: Springerlink, M. Reents, Energiemanagement Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 5 Wärmespeicher Wärmeverluste Wärmeleitung • Gegenmaßnahme Wärmestrahlung • Gegenmaßnahme Konvektion • Gegenmaßnahme Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! jedes Material Vakuum jede Oberfläche optimierte Verhältnis von Volumen zur Oberfläche (Kugel), innen verspiegelte Oberfläche Gase und Flüssigkeiten keine Turbulenzen, keine Bewegung, geschlossene Hülle, Dichtigkeit © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 6 Wärmespeicher Kategorien sensibel Temperaturveränderung chemisch exo-/endotherme Reaktion • Sorption • Lösevorgänge • Oxidation/Reduktion latent • Phasenwechsel Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! Anlagerung von Stoffen Verbrennung konstante Temperatur fest ↔ flüssig, flüssig ↔ gasförmig © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 7 Wärmespeicher Quelle: IER Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 8 Wärmespeicher sensibel latent thermochemisch Leistung < 10 MW < 10 MW <1 MW Kapazität < 100 MWh < 10 MWh < 10 MWh Speicherdauer* Stunde-Jahr Stunde-Woche Stunde-Woche Energiedichte < 60 kWh/m³ < 120 kWh/m³ < 250 kWh/m³ Invest. 0,1-13 $/kWh 13-65 $/kWh 10-130 $/kWh Nutzen 0,01 ¢/kWh 1,3-6 ¢/kWh 1-5 ¢/kWh Kosten * eher kommerziellen, als technischen Randbedingungen geschuldet! Quelle: IRENA, 2012 Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 9 Wärmespeicher Wärmespeicherart Beschreibung Heißwasserspeicher etablierte Variante, kostengünstig, umweltfreundlich Dampfspeicher schnelle Verfügbarkeit des Dampfes Fluid- bzw. Feststoffspeicher sehr hohe Temperaturen Kies-Wasser-Wärmespeicher günstige Speicherkonstruktion Erdsonden-Wärmespeicher lange Zugriffszeiten Aquifer-Wärmespeicher saisonale Einspeicherung Quelle: ITW Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 10 Beispiel Dampfspeicherlokomotive Quelle: wikimedia, Hentschel GmbH, CC-ASA Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 11 Beispiel Cowper für Hochofen Nahwärmenetz (12.000 m³) Saisonalspeicher solarer Deckungsgrad ≥ 50 % Quelle: wikimedia, Raimond Spekking, cc-by-sa-3.0; bine.info Potenziale erkennen! Pufferspeicher Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 12 Saisonaler Wärmebedarf und solares Angebot Grafik: IfaS Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 13 Wärmespeicher latent Phasenwechsel • geschmolzenes Paraffin • geschmolzenes Metall • geschmolzenes Salz 120-170 kWh/t • Eis ↔ Wasser • Wasser ↔ Dampf 90 630 • Temperaturniveau Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! 40-75 kWh/t kWh/t kWh/t (0) 35-800 °C © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 14 Beispiel Latentwärmespeicher Phasenwechsel • Material • Masse • Temperatur NaNO3 14 t 306 °C • Kapazität 700 kWhth Quelle: DLR Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 15 Beispiel Zeolith-Wärmespeicher Volumen (2x) Speicherdichte 750 kg Bindemittel-loses Zeolith 180 kWh/m³ Ladung Entladung 180 °C >75 °C Kosten für Zeolithe • Wärmespeicher 4 €/kg • Waschmittel << 1 €/kg Quelle: AAE INTEC Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 16 Beispiel Mobiler Wärmespeicher Phasenwechsel • Material C2H3NaO2 Natriumacetat E262a 17 m³ 29 t, exkl. Trailer • Volumen • Masse • Kapazität 2,5 MWhth 100 °C → 30 °C 86 kWh/t • Verlustrate 0,5 %/d Quelle: latherm.de Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 17 Wärmespeicher thermochemisch Sorption • Silicagel • Zeolithe • Metallhydride 200-300 kWh/t andere • Salzlösung • Lösungen von Metallhydriden und Metallkarbonaten • Verdünnen von Basen und Säuren • Oxidation von Kohle • Oxidation von Heizöl 140-830 kWh/t 8.100 12.600 kWh/t kWh/t Quelle: wikimedia, cc by-sa 3.0 Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 18 Beispiel Mobiler Sorptionsspeicher Adsorption • Material • Masse Zeolith • Zeolith • komplett 14 t 24 t • Kapazität 2-3 MWhth • Wärmeleistung 240 kW • Temperaturniveau • Laden 130 °C („trocknen“) • Entladen 150 °C („befeuchten“) Quelle: MVA Hamm Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 19 Systemintegration Dorf, Region, Stadt Erdgas BHKW vertikale Last Biogas Wärme Elektrizität Grünschnitt organischer Abfall Klärschlamm © IfaS, 2014 Grafik: IfaS Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) Systemintegration Dorf, Region, Stadt Erdgas BHKW Residuallast Biogas Wärme Elektrizität Grünschnitt organischer Abfall Klärschlamm © IfaS, 2014 Grafik: IfaS Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) Energiebunker in Hamburg Quelle: wikimedia public domain Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 22 Wärmespeicher als Integrationspunkt BHKW Erdgas Zusatzheizung Wärmepumpe andere Brennstoffe und Wärmequellen Heizpatrone bedarfsgerechte Stromerzeugung Brauchwarmwasser Solarthermie Regelleistung Heizwärme Prozesswärme Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 23 Systemintegration Dorf, Region, Stadt Erdgas BHKW Residuallast Biogas Wärme Elektrizität Grünschnitt organischer Abfall Klärschlamm © IfaS, 2014 Grafik: IfaS Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) Systemintegration Dorf, Region, Stadt Erdgas CH4 CO2 BHKW H2 Residuallast Biogas Wärme Abwassernetz Wassernetz Elektrizität Grünschnitt organischer Abfall Klärschlamm © IfaS, 2014 Grafik: IfaS Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) Vielen Dank! Entwicklung eine Frage des lokalen/regionalen Engagements Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) Hochschule Trier / Umwelt-Campus Birkenfeld Dipl.-Ing. (TU) Christian Synwoldt Postfach 1380, D- 55761 Birkenfeld Tel.: +49 (0)6782 / 17 - 2654 Fax: +49 (0)6782 / 17 - 1264 Internet: http://www.stoffstrom.org Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen! © 2015 Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) 26
