Netzwerk Therm: Thermische Energiespeicher zur Nutzung
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Netzwerk Therm: Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme Dr. Rainer Tamme Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Technische Thermodynamik, Stuttgart Netzwerkmanager: Dr. Corinna Hengsberger Autark Institut, Zittau/Sachsen Z Folie 1 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Ziel des Netzwerkes Therm... ...ist die Entwicklung eines Thermischen Wärmespeichers zum Einsatz bei phasenweise anfallender Abwärme aus Industrieprozessen, mit dessen Hilfe eine Nutzung der Abwärme in wärmegeführten Nachverstromungsanlagen im kleinen Leistungsbereich bis 100 kW, vorzugsweise in ORC-Anlagen, möglich wird. Folie 2 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Die Herausforderungen: Thema Thermische Wärmespeicher: zahlreiche technische Lösungen und Konzepte, der kleine Leistungsbereich ist bisher kommerziell nicht attraktiv. Thema Wärmekataster: es gibt wenig/keine verwendbaren Informationen, welche Wärme bei welchen Prozessen anfällt. Diese Information wird dringend benötigt, um eine marktorientierte Technologieentwicklung zu fokussieren. Thema Customisation: realisierte Projekte bleiben auf Pilotniveau, weil immer wieder individuell angepaßt werden muß. Viel Enthusiasmus, aber derzeit eingeschränkte Perspektive auf Stückzahlen und kommerziellen Erfolg Folie 3 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Wissenschaftliches Umfeld + Netzwerkpartner: Folie 4 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Argumente für Speichertechnik I Verminderter Einsatz fossiler Brennstoffe für: Klimaschutz, Versorgungssicherheit, Kostensenkung Ziel nationaler und europäischer Energiepolitik Energieeffizienz und Energiebereitstellung aus RES signifikant steigern Zukünftige Wärmeversorgung ? Zukünftige Stromerzeugung ? BMU Studie „Ökologisch optimierter Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland“ DLR, ifeu, WI 2004 Folie 5 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Herausforderung Thermische Energiespeicher Breiter Temperaturbereich und Anforderungsprofil Leistungsbereich von kW bis MW Kurzzeitspeicher – Minuten bis Stunden – Langzeitspeicher – Tage bis Monate Kapazität von wenigen kWh bis GWh Temperaturbereich von 0 – 1000 C Diverse Wärmeträgermedien wie: Wasser, Kältemittel, Öl, Salz, Luft etc. Folie 6 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Wärmespeichertechnik für industrielle Prozesse Endenergieverbrauch 2006 in PJ • • • Industrie benötigt ca. 30% Endenergie in Deutschland Bedarf an Prozesswärme dominiert 4 Sektoren benötigen ca. 50% des Energieverbrauchs 3000 2500 2000 Beleuchtung mech. Energie 1500 Raumwärme Prozesswärme 1000 500 0 Industrie Verkehr priv. Haushalte GHD Folie 7 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Wärmespeicher in der industriellen Prozesstechnik Speicherung von nicht genutzter Abwärme – Brennstoffeinsparung Rückeinspeisung in thermischen Prozess Notwenig bei Batch Prozessen Verstromung nicht genutzter Abwärme Stromeinsparung Speicherunterstüzte Verstromung industrieller Abwärme (z.B. ORC Prozess) Werkzeug für effizientes Wärmemanagement – Erhöhung der Energieeffizienz Bereitstellung von Lastspitzen Ersatz von Anlagenkomponenten für Spitzenlast Unterstützung solar-thermischer Prozesswärme Bereitstellung Vermehrter Einsatz EE Ermöglicht bedarfsgerechte bzw. kontinuierliche Prozessführung Erhöht Solaranteil bzw. vermeidet fossile Zusatzheizung Folie 8 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Hochtemperatur Speicher für Kraftwerkstechnik Erhöhung der Flexibilität Spitzenlastbereitstellung KWK Wärmespeicher G G G Hochtemperatur Speicher für Adiabates Druckspeicherkraftwerk Pel Pel Verdichterstrang Spezifikation Wärmespeicher 400 – 600 C 60 – 100 bar 500 – 1000 MWhth Expansionsturbine Q Wärmespeicher möglichst geringe Zwischenkühlung Kaverne Beladung des Speichers Entladung des Speichers Beispiellayout für adiabate Druckluftspeicherkraftwerk Folie 9 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Wärmespeicher für dezentrale KWK Anlagen • Entkopplung von Strom und Wärmeerzeugung • KWK Anlage stromgeführt betreiben • Wärmeverbrauch über Speicher entkoppeln • Wärmebereitstellung auf unterschiedlichem Leistungs-, Zeit- und Temperaturniveau Wärmeverbraucher Variable Leistung CHP TES Variable Zeit Variable Temperatur Folie 10 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Hochtemperatur Speicher für Solartechnik Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke Wärmespeicher für solare Prozesswärme Wärmespeicher für dezentrale CPC Collector KWK Anlagen Fresnel Kollektor Trough Kollektor Folie 11 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Speichertechnologien Temperaturbereich Speicherung in Form von 0C -50 C 100 C 500 C Energiedichte 1000 C kWh/m3 gering Fühlbare Wärme fest flüssig 25-30 Latentwärme 50-100 Sorptionswärme 80-130 Reaktionswärme 250-400 Entwicklungsstand hoch 50 hoch gering Folie 12 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Schwerpunkte für Speicherauslegung Kernziel heißt effiziente und wirtschaftliche Lösungen Speichermedium Wärmeleitfähigkeit spez. Wärmekapazität Dichte Kapazität therm. Ausdehnungskoeffizient Langzeitstabilität Wärmeübertragung Geometrie, Abmessungen und Anordnung Druckverluste Leistung Lade/Entladeleistung Fertigungsaspekte und Kosten Betriebsstrategie Systemsintegration Systemintegration Regelungsaspekte Folie 13 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Speicher fühlbarer Wärme - Sensible Wärmespeicher Bevorzugte Anwendungsgebiete: - Einphasige Wärmeträgerfluide (Wasser, Öl, Flüssig Salz, Luft, etc.) - Nutzung des Wärmeträgerfluids als Speichermedium (Direkte Speicherung) - Große Temperaturspreizung zwischen Laden und Entladen Liquid materials molten salt HTF+ storage direct HTF oil/steam solid material/concrete indirect HTF air Solid materials/ ceramics - direct HTF air small particles direct packed bed configuration Molten Salt Storage 2nd Generation Pilot Storage Moving bed heat exchanger Folie 14 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Aktuelle Entwicklungen – Latentwärmespeicher Präferenz für PCM bei kleinem ΔT oder in Verbindung mit zweiphasigen Wärmeträgerfluiden Nitratsalze als PCM s für 100-350 C Salzhydrate oder KW-Verbindungen für < 100 C 400 LiNO3 350 Enthalpy [J/g] 300 LiNO3-NaNO3 250 200 NaNO2 KNO3-LiNO3 NaNO3 150 100 KNO3-NaNO2-NaNO3 KNO3-NaNO3 KNO3 50 0 100 150 Industrielle Prozess Wärme 200 250 Temperature [°C] 300 350 Kraftwerkstechnik Folie 15 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Aktueller Status von PCM Speichern >100 C DISTOR storage 14000 kg PCM NaNO3; Tm = 305 C Vom kW zum MW Maßstab 2000 kg PCM K/NaNO3, Tm = 220 C PSA, Spain NaNO3 storage Carboneras, Spain 1) national BMWi Project 2) FP 6 Project 3) national BMU Project Folie 16 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Zusammenfassung Energiespeicherung ist Schlüsselthema für zukünftige nachhaltige Energieversorgung Thermische Energiespeicher sind zentrales Element für verbesserte Effizienz und effektives Wärmemanagement im Bereich thermischer Anwendung – Klimatisierung, Heizung, Prozesswärme Abwärmepotential – Temperatur , Fluid, Profil – nur sehr begrenzt bekannt: Bedarf Wärmekataster Anwendungen im industriellen Umfeld zur Nutzung von Prozesswärme bedürfen weiterer, anwendungsorientierter Forschung. DLR Institut Technische Thermodynamik liefert Beiträge zu: - Energiesystemanalyse, Systemtechnik - neue, verbesserte Speichertechniken und effizienten Energieeinsatz - Systemintegration, techno-ökonomische Bewertung Folie 17 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger Danke für Ihre Aufmerksamkeit [email protected] http://www.dlr.de/tt/ Folie 18 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin 23.02.2012> Tamme-Hengsberger
