Dr. Hauer-Thermische Energiespeicher

Bayerisches Zentrum für
Angewandte Energieforschung e.V.
Thermische Energiespeicher Wohin geht die Entwicklung?
Andreas Hauer
© ZAE Bayern
ZAE BAYERN
Inhalt
ZAE BAYERN
Motivation
Wie kann thermische Energie gespeichert werden?
Forschung & Entwicklung
Thermische Energiespeicher: Anwendungen
…noch mehr Anwendungen!
Zusammenfassung
Motivation
ZAE BAYERN
Mehr erneuerbare Energien müssen integriert werden!
Fluktuierende Energiequellen müssen ausgeglichen
werden
Energieeffizienz muss gesteigert werden!
Ungenutzte Energien müssen nutzbar gemacht werden!
Energiespeicherung!
Motivation
ZAE BAYERN
Energieeffizienz muss gesteigert werden!
Ungenutzte Energien müssen nutzbar gemacht werden!
= Abwärmenutzung
= Thermische
Energiespeicher!
ZAE BAYERN
Wie kann thermische Energie
gespeichert werden?
Thermische Energiespeicher
ZAE BAYERN
Methoden der thermischen Energiespeicherung:
• Speicherung fühlbarer Wärme
• Speicherung latenter Wärme
• Thermochemische Wärmespeicherung
Thermische Energiespeicher
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Speicherkapazität vs. Temperatur
Energiedichte / (kWh/m³)
600
MgSO4* 6H2O
500
MgCl2* 6H2O
400
300
NiCl2NH3
CaCl2*NH3
Silicagel*H2O
Zeolith*H2O
200
Nitrate
Salzhydrate
100
0
Paraffine
Wasser
0
25
50
75
100
125
Temperatur / °C
150
175
200
Sensible Speicher
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• Material:
Wasser, Steine, Beton, Keramik,…
Stärken: Niedrige Kosten, robuste Technologie
Schwächen: Niedrige spezifische Speicherkapazität
Möglichkeiten: Hohe Entladeleistung (flüssig), hohe Speichertemperatur (fest)
Herausforderungen: z.B. Thermo-mechanische Stabilität,
preisgünstige Materialien für hohe Temperaturen
Gespeicherte Wärme
Sensible / Latente Speicher
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∆T
∆QPCM
∆QWasser
Schmelztemperatur
Tm
Temperatur
Latente Speicher
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• Material:
– Wasser, Paraffin, Salzhydrate, Zuckeralkohole,…
Stärken: Hohe spezifische Speicherkapazität, „fest gelegte
Temperatur“
Schwächen: „Komplexer“ Wärmeübergang, hohe Kosten, „fest
gelegte Temperatur“
Möglichkeiten: Hohe spezifische Speicherkapazität bei kleinen
Temperaturunterschieden, passive Temperaturekontrolle
Herausforderungen: niedrige Entladeleistung,
Langzeitstabilität
Thermochemische Speicher
CHARGE
+ heat
→
+
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AB + Wärme
A+B
STORE
Adsorption
DISCHARGE
+
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Desorption
Wärme
→
+ heat
Adsorbens
Oberfläche
Wassermoleküle
Thermochemische Speicher
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• Material:
– Zeolith/Wasser, Silicagel/Wasser,
Magnesiumchlorid/Wasser, Magnesiumoxid
/Wasser, Lithiumchloride/Wasser,…
Stärken : Hohe spezifische Speicherkapazität, keine sensiblen
Verluste
Schwächen : Komplexe Technologie (Prozessparameter, Reaktordesign,…)
Möglichkeiten : Einstellbare Temperatur, hoher Wirkungsgrad
(„Wärmepumpeneffekt“)
Herausforderungen: Starke Abhängigkeit von
Umbegungsbedingungen, hydrothermale Stabilität
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Forschung & Entwicklung
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Thermodynamische Grundlagen
Thermodynamische Grundlagen
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z.B PCMs: Semi-empirischer Ansatz von Sizmann (1989)
Elat ≈ (0.8...1.2) ⋅ Tls [MJ / m ³ K ]
Upper Boundary
Lower R. Sizmann
900
fluorides
1,2 MJ/(m3 K)
800
melting enthalpy [MJ/m3]
carbonates
700
hydroxides
600
chlorides
salthydrates
eutectic
nitrates
water-salt
400 solutions
water
sugar
300
alcohols
0,8 MJ/(m3 K)
500
200
100
0
-100
paraffins
fatty acids
polyethylene
glycols
0
+100
0.1 MWh/m 3
clathrates
source: ZAE Bayern
+200
+300
+400
+500
melting temperature [°C]
+600
+700
+800
ZAE BAYERN
Materialforschung und -entwicklung
Material F&E
ZAE BAYERN
Material F&E
Verbesserung der Materialeigenschaften!
Sensibel: Z.B. spezifische Wärmekapazität und -leitfähigkeit
Latent: Z.B. Schmelzenthalpie und -temperatur
Thermochemisch: Z.B. Reaktionsenthalpie und- gleichgewicht
Für Alle: Z.B. Preis und Stabilität
Hauptziel: höhere Speicherkapazität!
Die Speicherkapazität ist keine Materialeigenschaft!
Keine Zustandsgröße!
…sondern abhängig vom Prozess!
Material F&E: Sensibel
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Wichtigstes Speichermaterial = Wasser
Weitgehend bekannt!
UTES : z.B. Erdsondenspeicher
Speichermaterial = Unterdrund
Thermal Response Test:
Zur Bestimmung der
thermischen Eigenschaften
des Untergrunds
Material F&E: Sensibel
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Material-Screening:
Nach thermischen Eigenschaften
und Kosten!
ρ*Cm
Hochtemperatur-beständiges Material:
Asbest-Abfälle (verglast) bis 1250 °C
Material F&E: Latent
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Ziel: Hohe Schmelzenthalpie bei der durch die Anwendung
vorgegebenen Temperatur!
Raumheizung
Schmelzenthalpie [kJ/L]
Pro Volumen
Schmelzenthalpie [kJ/kg]
pro Masse
Raumkühlung
Schmelztemperatur [°C]
Material F&E: Latent
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IPDI + PEG 10000
IPDI + PEG 6000
IPDI + PEG 1000
HMDI + PEG 10000
HMDI + PEG 6000
HMDI + PEG 1000
Aktuelle Fragen:
• Unterkühlung / Kristallisation
• Formstabile PCM
• Fest-fest-Übergänge
PEG
PEG + DI PEG + DI
T > TPÜ
T < TPÜ
Material F&E. Themochemisch
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Sorption:
• Optimierte Zeolithe (Bindemittelfrei)
• AlPOs
• MOFs
• Kompositmaterialien (Kombination geeigneter
Salze mit Gerüststrukturen)
Binderhaltig
Bindemittelfrei
Wichtige Fragen:
• Zusammenhang Struktur- Performance?
• Stabilität?
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CaCl – Bentonit
Material F&E: Thermochemisch
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Chemische Reaktionen:
• MgO +H2O
• MgCl + H2O
• Li2SO4+ H2O
• MgSO4 + H2O
•…
© Y. Kato
© ECN
© ECN
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Speicherkomponenten und -systeme
Komponenten / Systeme: Sensibel
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Temperaturschichtung
Schichtlade-Einheit, Skalierung
© SWM
Superisolation
Im Experiment: λ = 0,01 W/mK
bei 90°C und 0,1 mbar
Komponenten / Systeme: Latent
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Verbesserung der
thermischen Leistung
Makro-
PCM Slurry
-Verkapselung
Mikro-
http://www.sunwell.com
Wärmetauscher
Komponenten / Systeme: Thermochemisch
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Reaktor-Lay-out:
Magnesium-Chlorid-Hexahydrat (ECN)
Trennung zwischen
Material‐
Bevorratung und
Reaktionszone
© ITW
Mobiler
Sorptionsspeicher mit
Zeolith
© ECN
ZAE BAYERN
Thermische Energiespeicher
Anwendungen
Kühlen
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• Air Conditioning, Raumkühlung
• Randbedingungen:
–
–
–
–
Niedrige Temperaturen: 0°C – 26 °C
Kleine Temperaturdifferenzen (ΔT)
Hohe Leistungsanforderungen
Beschränkte Zyklenzahl (außer in heißem und feuchtem
Klima)
– Entfeuchtung (!)
Kühlen
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• Geeignete thermische Energiespeichertechnologie:
Latentwärmespeicher und flüssige (oder feste)
Sorptionsspeicher
„Passive Cooling“
„Phase Change Slurries“
Offene „Desiccant“-Systeme
Heizen
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• Raumheizung und Warmwasserbereitstellung
• Randbedingungen:
– Mittlere Temperaturen: 25°C – 60 °C
– Hohe Speicherkapazität
– Niedrige Leistungsanforderung (Heizen) / Hohe
Leistungsanforderung (Warmwasser)
– Kurzzeitspeicher/ Saisonale Speicherung
Heizen
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• Referenzsystem: Warmwassertank!
• Geeignete thermische Energiespeichertechnologie:
Latentwärmespeicher, Adsorptionsprozesse und chemische
Reaktionen
Warmwasserspeicher
Unterkühltes PCM
Chemische Reaktion: Magnesium-Chlorid
Prozesswärme
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• Industrielle Anwendungen (z.B. Lebensmittelindustrie)
• Randbedingungen:
–
–
–
–
Hohe Temperaturen > 150 °C
Hohe Speicherkapazität
Hohe Leistungsanforderungen
Hohe Zyklenzahlen
Prozesswärme
ZAE BAYERN
• Geeignete thermische Energiespeichertechnologie:
Latentwärmespeicher, Adsorptionsprozesse und chemische
Reaktionen
Hochtemperatur-PCM
Offener
Adsorptionsspeicher für Trocknungsanwendungen
ZAE BAYERN
…noch mehr Anwendungen!
Motivation
Motivation
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Mehr erneuerbare Energien müssen integriert werden!
Fluktuierende Energiequellen müssen ausgeglichen
werden
= Elektrizität
= elektrische Energiespeicher!
„In/Out“ und „One-Way“
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„In/Out“ Energiespeicher
z.B. Elektrizität rein / Elektrizität raus
oder Wärme rein / Wärme raus
„One-Way“ Energiespeicher
(demand side management)
z.B. Elektrizität rein / Wärme raus
Die Speichertechnologien können die selben sein!
Anwendungen: Elektrisch↔ Thermisch
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„Windstrom in Kühlschränken speichern“
•
•
•
•
20 Millionen Kühlschränke (<50% der deutschen Haushalte)
PCM-Kältespeicher für 12 Stunden
Ladezeit 3 Stunden
Preis 5 €
Elektrische Leistung
Speicherkapazität
1,15 GW
3,5 GWh
ZAE BAYERN
Zusammenfassung
Zusammenfassung
ZAE BAYERN
Thermische Energiespeicherung kann durch
eine Vielzahl verschiedener Technologien
realisiert werden
Viele Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten für
Thermische Energiespeicher
Thermische Energiespeicher müssen auf ihre
tatsächliche Anwendung hin ausgewählt werden
Thermische Energiespeicher können eine
preisgünstige Lösung für die dezentrale
„Speicherung“ erneuerbarer Elektrizität sein
ZAE BAYERN
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
© ZAE Bayern