2 Wim van Helden
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Thermische Energiespeicher mit hohen Energiedichten Ergebnisse aus dem seit 6 Jahren laufenden IEA SHC Task42 Wim van Helden AEE - Institute for Sustainable Technologies A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 2 AUSTRIA Anteil Wärme EU Primärenergieverbrauch 2008 Transport 31% Elektrizität 20% Wärme 49% Thermische Speicher: Schlüsseltechnologie Saisonale Warmespeicher Sommerwärme verschieben auf den Winter 120 60 (m3) Volumen notwendig für ein sehr energieeffizientes Haus 12 sensible latent chemical Intelligente Netze Anteil erneuerbare elektrische Quellen steigt Mehr Schwankungen Wärmespeicher vergrößern Flexibilität Mit Wärmepumpen, mit (mikro)KWK Durch höherer Anteil erneuerbare Wärme Mit geringeren Kosten als E-speicher Thermische Energie Speicher Prinzipien h=gespeicherte wärme Kompakte TES Fühlbare Wärme - Prinzip: Wärmekapazität - Fässer, Aquifers, Erdsonden T Latentwärme - Prinzip: Phasenwechsel (schmilzen, verdampfen, kristallisieren) - Wasser, Organische und Anorganische PCMs h Thermochemische Wärme (Sorptionswärme und Chemische Wärme) - Prinzip: Physikalischer (adhesion) oder Chemikalischer bund (Reaktionsenthalpie) - Adsorption und Absorption und chemische Reaktionen h T T Classification of Thermal Energy Storage Entwicklungsstand von TES Technologien Wasser (sensibel) Marktreif PCM (latent) Demonstration Sorption Entwicklung TCM (chemisch) Forschung CHARGE + heat → + STORE DISCHARGE + → + heat Heat in water Water is the traditional heat storage medium High heat capacity 4.2 kJ/kgK Low cost Non-toxic Very abundant Also heat transfer fluid Kosten von große Wasserspeicher Quelle: Solites Phasenwechsel Materialien PCM Gespeicherte Wärme als funktion der Temperatur Latente Wärmespeicherung in Eis Eisspeicher an Kühlmaschinen angekoppelt. Nachtbetrieb auf billige Elektrizität; tagsüber kühlen. Speicher fur mit Wasser gefüllte polyethylen Bälle, 2 Projekte in den USA. Thermochemische Wärmespeicherung Generellprinzip AB + Wärme A+ B • Komponenten getrennt gespeichert ohne Wärmeverlusst • Langzeitspeicherung CHARGE + heat → + STORE • Laden mit Temperaturen höher als 100ºC • Speicherkapzität zwischen 250 und 4000 kJ/kg DISCHARGE Thermochemische Speichermaterialien Sorption Silicagel, zeolite, NaOH, LiBr, ... Salzhydrate MgSO4, MgCl, Na2S, CaSO4, CaCl, ... Chemische Reaktionen Ammonium, Oxid-Hydroxid, ... + → + heat Forschung und Entwicklung International Zwei Programme des International Energy Agency (IEA): Energy Conservation through Energy Storage Solar Heating and Cooling Compact Thermal Energy Storage: Material Development for System Integration Task4224 Bessere Speichermaterialien Systementwicklung Januar 2009 – Dezember 2012 Wichtigster Mehrzweck: Zusammenbringen von Experten in Anwendungen und Materialien Struktur der Task Entwicklungsgebiete Materialien - Verbessern der Leistung (Kapazität, Leistung) - Kostenveringerung (Basismaterialien, Fertigungstechnologie) Komponente - Wärmetauscher - Stofftransport - Sensorik, Reglung Systeme - Integration - Reglung System Optimierung Modellierung von PCM Speicher PCM in Behälter Speicher im System mikPCM , hikPCM , TikPCM i=N UAiPCM k =1 k = nr hi ,Ti mi i=2 i =1 System Optimierung Kompakte Speicher in Fernwärmenetze Cold recovery Ambient Air (30°C, 60% RH) HEX Humidifier (adiabatic cooling) Heat exchanger Supply air TCS Building Exhaust air District Heating Humidifier (indirect evaporative cooler) (24°C, 50% RH) costs per installed capacity (€/kWh) B. Storage costs vs. cycles per year Industry case (10% interest rate, 5 a payback period) 1000 Uni Zarag. PCMAir; 30; 150 100 Uni Bayr. NaOAc; 100; 17 EMPA NaOH; 1; 9 10 GREA VDSF; 240; 533 VITO RT58; 200; 81 ZAE Zeolite; ZAE MobS; 500; 33 200; 50 VITO TubeICE; ZAE SolCool; 200; 18 200; 20 1 0,1 1 10 cycles per year 100 Materialforschung • Identifizierung von vielversprechende Materialien • Entwicklung neue Materialien AlPO, SAPO, MOF zeolite composites 1000 Material optimierung • • • • Entwicklung von Kompositmaterialien Optimierung von Materialeigenschaften Multi-scale numerische modellierung Entwicklung von Methoden zur Characterisierung 1 mm 1 mm 1 mm Material Entwicklung: Komposite NIC, National Institute of Chemistry, Slovenia Neues Kompositmaterial erzeugt und getestet CaCl in ein mesoporös geordnetes Matrix durch naß impregnieren Wasser aufname verbessert 1,0 Ads. mass (g/g) 0,8 o 40 C matrix composite 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 Relative pressure (P/Po) 0,8 1,0 Komponent Entwicklung Reaktor Entwurf und Optimierung Leistung, Speicherdichte, Stabilität Verschiedene Prototypen offen, geschlossen separat, integriert Komponent Entwicklung Reaktor Entwurf und Optimierung Leistung, Speicherdichte, Stabilität Verschiedene Prototypen offen, geschlossen separat, integriert Komponent Entwicklung TNO, Niederlande Reaktor für Salzhydrate, 20 liter Zeolite Kugeln auf Wärmetauscher geklebt Komponent Entwicklung ZAE Bayern, Deutschland Mobiler Wärmespeicher mit Festbett Sorptionsmaterial. Abwärme insbesondere für Trocknungsprozesse. Ausblick Task4229 ist Nachfolgeprojekt von Task4224 Mehr als 40 Organisationen aus 17 Länder Januar 2013 – Dezember 2015 Weiterentwicklung von Materialien, Komponente und Systeme. http://task42.iea-shc.org/ Österreichische Beteiligung am Task4229 5 • • • • • F&E Einrichtungen Universität Innsbruck ASiC AIT IWT, TU Graz AEE INTEC T42 arbeiten werden unterstützt vom BMVIT
