Thermische Energiespeicherung durch Sorptionsspeicher

BAYERISCHES ZENTRUM
FÜR ANGEWANDTE
ENERGIEFORSCHUNG E.V.
Thermische Energiespeicherung durch
Sorptionsspeicher –
Möglichkeiten und Grenzen
Dipl.-Ing. (FH) Andreas Krönauer
ZAE Bayern
Walther-Meißner-Str.6, 85748 Garching
www.zae-bayern.de
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Inhalt
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Methoden zur Wärmespeicherung
Sorptionsspeicher: Was ist das?
Funktion von Sorptionsspeichern
Anwendungen für Sorptionsspeicher
Grenzen für Sorptionsspeicher
Zusammenfassung
Sorptionsspeicher / 16.11.2009
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung
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Methoden der Wärmespeicherung
• Speicherung fühlbarer Wärme
≈ 100 MJ/m³
• Speicherung latenter Wärme
≈ 300 - 500 MJ/m³
• Thermochemische Wärmespeicherung
≈ 1000 MJ/m³
Sorptionsspeicher / 16.11.2009
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Speicherung fühlbarer Wärme:
Die Speicherung sensibler Wärme ist bewährt, und im Temperaturbereich
zwischen 5 und 95 °C ist Wasser mit seiner hohen Wärmespeicherkapazität,
der leichten Handhabung und den geringen Kosten nahezu unschlagbar.
Speicherung latenter Wärme:
Hier wird ein Stoff vom Aggregatszustand fest nach flüssig überführt. Dieses
Schmelzen und Erstarren findet in einem engen Temperaturbereich statt, in
welchem viel Energie umgesetzt wird. Phase Change Materials (PCM) sind
immer dann von Vorteil, wenn nur eine geringe Temperaturspreizung für die
Speicherung zur Verfügung steht, und Temperaturschwankungen gedämpft
werden sollen.
Thermochemische Wärmespeicher:
Hier wird ein Stoff vom Aggregatszustand dampfförmig nach flüssig überführt.
Bei den nachfolgend besprochenen Systemen handelt es sich dabei um
Wasserdampf aus der Luft. Thermochemische Speicher haben weite
Einsatzbereiche bezüglich der Lade- und Entladetemperatur. Auch die
Feuchte der Luft spielt eine wichtige Rolle bezüglich der Speicherkapazität.
Insgesamt ein System mit vielen Abhängigkeiten, die noch weiter erläutert
werden.
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Sorptionsspeicher:
Funktion
Sorptionsprozesse
Adsorption
Desorption
Adsorption
An der Oberfläche
mikro-poröser Materialien
Wärme
Absorption
In wässrigen
Salzlösungen
Adsorbens
Oberfläche
Wassermoleküle
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Offene Sorptionsprozesse, wie sie hier besprochen werden, arbeiten unter Umgebungsdruck
und stehen mit der Atmosphäre in Verbindung.
Adsorption:
Führt man einem getrocknetem Sorbens ( hydrophile Zeolithe, Silicagele) einen befeuchteten
Luftstrom zu, so lagern sich die Wassermoleküle an diese Oberfläche an. Der Wasserdampf
vollführt dabei den Aggregatssprung von dampfförmig nach flüssig und die
Verdampfungsenthalpie wird frei. Manche Sorbentien sind polar und können daher polare
Moleküle wie Wasser noch besser binden, so dass im Fall des Sorbens Zeolith 13 X zur
Verdampfungsenthalpie noch eine Bindungsenthalpie hinzukommt. Diese Bindungsentahlpie
kann bis zu 30 % des Werts der Verdampfungsenthalpie betragen. Der Wasserdampfumsatz
an der Sorbensoberfläche führt dazu, dass die Luft, mit welcher der Wasserdampf transportiert
wird, sehr heiß und trocken wird.
Desorption:
Der Porzess ist umkehrbar. Wird dem mit Wasser beladenen festen Sorbens ein heißer
Luftstrom zugeführt, so wird das angelagerte Wasser verdampft und mit der dann abgekühlten
Luft abtransportiert.
Absorption:
Wässrige Salzlösungen, wie Lithium-Chlorid-Lösung (LiCl-Lösung), sind stark hygroskopisch.
Führt man einen feuchten Luftstrom an einer mit konzentrierter LiCl-Lösung benetzten
Oberfläche vorbei, so wird die vorbeiströmende Luft entfeuchtet. Der Wasserdampf aus der
Luft wird in die Lösung absorbiert, was zur Verdünnung der Lösung führt. Bei diesem Vorgang
wird wieder die Verdampfungsenthalpie des Wasserdampfes frei, und sowohl die
vorbeiströmende Luft als auch die Lösung erwärmen sich.
Regeneration:
Auch dieser Vorgang ist reversibel. Wird die LiCl-Lösung erwärmt und gleichzeitig Luft mit
niedrigem Wassergehalt an der Oberfläche der Lösung vorbei geführt, so wird das zuvor
gebundene Wasser wieder aus der Lösung ausgetrieben und mit der vorbei strömenden Luft
abgeführt.
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Sorptionsspeicher:
Funktion Adsorption
Laden
Luft +
Wasser
Entladen
Kondensationswärme
Luft +
Wasser
Temperatur
hoch
Verdampfungswärme
nutzbar
Zeolith
niedrig
Luft
Desorptionswärme
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Luft
Adsorptionswärme
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Feste Srobentien wie Zeolith werden gerne als pelletiertes Material zwischen zwei Sieben
eingespannt. Damit entsteht eine Festbettschüttung, die von Luft durchströmt werden kann.
Laden:
Technisch geht der Ladevorgang wie folgt von Statten: Umgebungsluft wird Wärme auf hohem
Temperaturniveau (100 – 300 °C) zugeführt und erwärmt. Diese heiße Luft strömt durch das
mit Wasser beladene Festbett und verdampft das Wasser aus dem Sorbens. Dabei kühlt die
Luft ab und transportiert den Wasserdampf aus dem Festbett. Am Austritt des Festbetts steht
dann Luft mit 40 – 60 °C und einer relativen Luftfeuchte von bis zu 90 % zur Verfügung. An
dieser Stelle kann ein Niedertemperaturheizkreis eingekoppelt werden, welcher den in der
austretenden Luft enthaltenen Wasserdampf kondensiert und die Wärme nutzt. Das
Nutztemperaturniveau ist an dieser Stelle auf max. 50 °C begrenzt.
Entladen:
Technisch geht der Entladevorgang wie folgt von Statten: Umgebungsluft wird zunächst nahe
der Sättigungsgrenze mit Wasserdampf befeuchtet. Die dazu erforderliche Wärme muss in
Form einer geeigneten Niedertemperaturquelle mit einer Temperatur von 20 – 60 °C zur
Verfügung stehen. Die so befeuchtete Luft wird dem getrockneten Festbett zugeführt. Der
Wasserdampf wird adsorbiert, und die Luft verlässt das Festbett sehr trocken und bis zu 200
°C heiß.
Ein Sorbens wie Zeolith 13 X kann bis zu 30 % seines trockenen Eigengewichts an Wasser
aufnehmen. Bei geeigneten Betriebsbedingungen (hohe Ladetemperatur,
Niedertemperaturquelle mit hoher Temperatur, nahezu gesättigte Luft am Eintritt des
Festbetts) können damit bis zu 270 Wh/kg Sorbens gespeichert werden.
Wird ein getrocknetes Festbett mit Zeolith nach dem Ladevorgang luftdicht verschlossen, so
bleibt die Fähigkeit Wasserdampf adsorbieren zu können prinzipiell für unbegrenzte Zeit
erhalten. Energie kann somit ohne große Verluste (es geht nur die sensible Wärme des
Festbetts vom Ladevorgang verloren) über lange Zeiträume gespeichert werden.
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Sorptionsspeicher:
Anwendung Heizen und Kühlen
Beispiel: Speicherung von Fernwärme, Sorptionsspeicher,
Zeolith/Wasser, offenes System
Laden
Entladen
Heizen
40 °C
Fernwärme
(Kond.) 25 °C
Zeolith
Fernwärme
(Dampf)130 °C
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Heizen
100 °C
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Ein Sorptionsspeicher mit 7.000 kg Zeolith 13 X wird in München als
Lastausgleichspeicher im Fernwärmenetz betrieben. Hierbei wird der Speicher
in Schwachlastzeiten (Nachts) mit Fernwärme geladen. Die mit Wasserdampf
beladene Luft am Austritt des Festbetts wird während des Ladevorgang durch
die Gebäudeheizung gekühlt, und der Wasserdampf auskondensiert. Das
Kondensat wird für den Entladevorgang aufbewahrt. Beim Entladen zu
Spitzenlastzeiten (Tags) wird der Fernwärmerücklauf verwendet um das beim
Laden angefallene Kondensat wieder zu verdampfen und der Luft zu zuführen.
Der befeuchtete Luftstrom tritt in das Festbett mit trockenem Sorbens ein, wird
dabei entfeuchtet und auf ca. 100 °C erwärmt.
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Sorptionsspeicher:
Anwendung Heizen und Kühlen
Laden
Entladen
Umgebung
Zeolith
Fernwärme
80 °C
Befeuchter
Kühlung
18 °C
• Heizen:
COPth = 0.92
und
ρQ = 124 kWh/m³
• Kühlen:
COPth = 0.87
und
ρQ = 100 kWh/m³
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Der gleiche Speicher wird im Sommer zur Klimatisierung verwendet.
Dabei wird das Festbett mit niedrigeren Temperaturen geladen. Die
Kondensationswärme der aus dem Festbett austretenden Luft kann nur
teilweise zur Warmwasserbereitung benutzt werden. Beim Entladen wird
Umgebungsluft dem Speicher zugeführt. Die Luft wird entfeuchtet, aber wegen
der niedrigen Ladetemperatur nur auf 70 – 80 °C erwärmt. Zunächst wird die
aus dem Festbett austretende, trockne Luft durch einen Luftkühler gekühlt (in
der Abbildung nicht dargestellt). Die Wärme wird an die Umgebung
abgegeben. Danach wird die Luft befeuchtet, und die gewünschte
Zuluftfeuchte und Temperatur eingestellt. Die Speicherdichte fällt im Vergleich
zum Winterbetrieb wegen der geringeren Ladetemperaturen ab.
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Sorptionsspeicher:
Anwendung Heizen und Kühlen
+
Hohe Speicherkapazität
+
Variation der Temperaturen (und Feuchte)
-
Hohe Investitionskosten / Wirtschaftlichkeit
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Das System hat seine Funktionstüchtigkeit bewiesen.
Allerdings verursacht es einen hohen apparativen Aufwand, was hohe
Investitionskosten nach sich zieht. Konventionelle Lösungen sind somit
zunächst immer günstiger, jedoch kann durch häufige Benutzung (hohe
Zyklenzahl) der installierten Sorpionstechnik ein wirtschaftlicher Betrieb
erreicht werden.
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Sorptionsspeicher:
Anwendung Trocknungsprozesse
auxiliary
Gasheating
brenner
20°C
ϕ=60%
Umgebung
AMB
Ein
IN
Adsorption
ADS
Trocknungs
-gut
feed
Trockner
dryer
Aus
OUT
e.g.
60°C
ϕ=55%
zeolite
Zeolith
180°C
ϕ=0.03%
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Sorptionsspeicher eignen sich aufgrund ihrer besonderen Eingenschaften
hervorragend für Trocknungsanwendungen.
Konventionelle Trockner führen Umgebungsluft Wärme auf hohem
Temperaturniveau zu. Der heiße Luftstrom verdampft aus dem zu trocknenden
Gut das Wasser und führt den Wasserdampf ab. Am Trockneraustritt steht
damit warme Trocknerabluft mit hoher Luftfeuchte zur Verfügung.
Führt man diese Trocknerabluft einem Sorptionsspeicher mit Zeolith als
Sorbens zu, so wird die Abluft entfeuchtet und stark aufgeheizt. Die Luft aus
dem Sorptionsspeicher kann so wieder dem Trockner zugeführt werden, und
reduziert die Heizleistung der konventionellen Feuerung.
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Mobile Sorptionsspeicher:
Anwendung industrielles Trocknen
Beispiel: Nutzung industrieller Abwärme durch mobile TCS,
Sorptionsspeicher, Zeolith/Wasser, offenes System
Mobile Speichereinheiten ersetzen Leitungssystem
Nutzer A
Zeo
Ladestation
Zeo
Nutzer B
Zeo
LKW + Container
Zeo
+ Nutzer C, D, …
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Industrielle Abwärme aus Produktionsprozessen mit einer Temperatur von
über 200 °C wird zur Zeit in großen Mengen ungenutzt an die Umgebung
abgegeben. Der Grund dafür ist in der schwierigen Erschließung von
geeigneten Nutzern zu suchen. Findet die Abwärme im Werk keine
Verwendung, müssen externe Nutzer in naher Umgebung gefunden werden.
Üblicherweise würden diese dann über ein Nahwärmenetz versorgt. Jedoch ist
die Erstellung eines Nahwärmenetzes teuer, juristisch aufwendig (Querung
fremder Grundstücke verlangt eine Grunddienstbarkeit) und es muss eine
hohe Anschlussdichte vorliegen, damit es wirtschaftlich betrieben werden
kann. Diese Voraussetzungen sind nur selten gegeben, weshalb die Abwärme
nicht genutzt wird.
Ein mobiles Speichersystem auf Sorpitonsbasis versucht durch Nutzung von
vorhandener Infrastruktur (Straße) die Zwänge einer konventionellen
Abwärmenutzung durch ein Nahwärmenetz (Anschlussdichte, juristische
Schwierigkeiten) zu umgehen, erkauft sich diese Vorteile gegenüber einem
Nahwärmenetz aber durch höhere Betriebskosten (LKW, Fahrer).
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Mobile Sorptionsspeicher:
Anwendung industrielles Trocknen
Laden
Entladen
Feuchte Luft
(Trocknung)
Zeolith
Trockene Luft
Abwärme
150 °C
Speicherkapazität: 3 MWh/Container
Speicherzyklen: 650 pro Jahr
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Preis < 50 €/MWh
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Abwärme aus einer Müllverbrennung wird zum Laden des Zeolithspeichers
verwendet. Der Container wird 3 km zu einer Trocknungsanlage für PVC
Schlämme transportiert.
Der projektierte Speicher weist eine Energiespeicherdichte von bis zu 3 MWh
auf und benötigt wegen der hohen Investitionskosten (Schätzung: 100.000
EUR/Speicher incl. 12.000 kg Sorbens bei Preisen von 2,0 EUR/kg Sorbens,
aber ohne Infrastruktur wie Lade- und Entladestation) eine hohe Zyklenzahl.
Hier sind zwei Zyklen pro Tag vorausgesetzt. Dann kann aber trotz der hohen
Investitionskosten ein Preis für die transportierte Energie erzielt werden, der
unter den Preisen für die Bereitstellung solar erzeugter Wärme liegt, und in
besonderen Fällen auch mit den Preisen konventioneller Energieträger
konkurrieren kann.
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Mobile Sorptionsspeicher:
Anwendung industrielles Trocknen
+
Hohe Speicherkapazität
+
Variation der Temperaturen (und Feuchte)
-
Hohe Investitionskosten / Wirtschaftlichkeit
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Mobile Speichersysteme benötigen wegen ihrer hohen Investitionskosten und
ihrer hohen Betriebskosten eine hohe Auslastung (Zyklenzahl). Dies ist relativ
unabhängig vom verwendeten Speichermedium (sensibel, latent,
thermochemisch). Saisonale Wärmeabnehmer eignen sich daher weniger als
Kunden.
Steht als Abwärmequelle eine mit Schadstoffen belastet Abluft zur Verfügung,
so kann diese häufig nicht direkt zum Laden des Sorptionsspeichers genutzt
werden, da die Schadstoffe das Sorbens schädigen würden.
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Absorption:
Klimatisierung mit flüssigen Sorbentien
Regenerator
Leistungszahl
COP > 1
Energie
70 .. 80 °C
Salzlösung
Absorber
Kühler
270 kWh/m³
Indirekte Verdunstungskühler
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Offene Sorptionssysteme mit flüssigen Sorbentien eigenen sich gut zur Raumklimatisierung.
Hierbei ist in der Zuluftkonditionierung ihre Domäne zu sehen.
Hierbei wird in einem Absorber auf Stoffaustauschplatten konzentrierte Li-Cl-Lösung (40 %
Konzentration, und 0,2 Liter/h*m²) verteilt. Die Außenluft strömt an der Oberfläche der
Stoffaustauschplatten vorbei und wird dabei entfeuchtet, und die Li-Cl-Lösung verdünnt. Die
frei werdende Verdampfungsenthalpie des Wasserdampfes wird durch die interne
Wasserkühlung der Stoffaustauschplatten abgeführt. Die entfeuchtete und leicht vorgekühlte
Luft wird in einem weiteren sensiblen Kühler auf die erforderliche Zulufttempeatur gekühlt.
Im Gebäude kann die Luft nun Wärme und Feuchte durch interne Lasten aufnehmen.
Die Abluft aus dem Gebäude wird in zwei indirekten Verdunstungskühlern genutzt. Hierbei
handelt es sich um Kühler, deren Oberfläche mit Wasser besprüht wird, und den
Verdunstungseffekt zur Kühlung des Wasserkreislaufs nutzen. Der erste indirekte
Verdunstugskühler versorgt den sensiblen Kühler für die Zuluft. Der zweite indirekte
Verdunstungskühler kühlt den Sorptionsprozess.
Die verdünnte Li-Cl-Lösung wird in einem separaten Tank gelagert. Die
Konzentrationsspreizung zwischen verdünnter und konzentrierter Lösung beträgt wegen des
kleinen spezifischen Lösungsmassenstroms ca. 10 %.
Im Regenerator wird die verdünnte Lösung über Stoffaustauschflächen verteilt und dabei
beheizt. Das eingelagerte Wasser wird ausgetrieben und mit der durch den Regenerator
strömenden Luft ausgetragen. Als Antriebstemperaturen genügen 70 – 90 °C. Da die Luft den
Regenerator warm und feucht verlässt wird eine Wärmerückgewinnung eingebaut, welche die
Wärme der Regeneratroabluft wieder der Zuluft zuführt.
Der Antrieb des Systems kann somit durch beliebge Niedertemperaturquellen, wie
Solarthermie, BHKW-Abwärme etc. erfolgen. Die Antriebswärme muss nicht zeitgleich zum
Betrieb der Zuluftkonditionierung zur Verfügung stehen, da durch das Tankvolumen nahezu
beliebige Speicherkapazitäten bereit gestellt werden können. Durch die hohe Speicherdichte
kann auch eine räumliche Trennung zwischen Regenerator und Absorber leichter durch
Leitungen überbrückt werden, da die Transportleitungen im Vergleich zu einem
Kaltwassernetz klein sind. Die Speicherdichte der Li-Cl-Lösung mit dem hier beschriebenen
apparativen Verfahren übertrifft einen Eisspeicher ca. um den Faktor sechs.
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Absorption:
Klimatisierung mit flüssigen Sorbentien
+
Hohe Speicherkapazität
+
Variation der Temperaturen (und Feuchte)
+
Pumpfähiges Medium
+
Niedertemperatur Antriebswärme
-
Niedrige Leistungsdichte
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Offene Sorptionsanlagen mit flüssigen Sorbentien eignen sich besonders in
Klimaten mit hohen Außenfeuchten (Süd-Ost Asien). Hier beträgt der Anteil
der Energie welcher zur Luftentfeuchtung aufgewendet wird bis zu 50 % der
gesamten Energie welche für Klimatisierungszwecke genutzt wird. Hier kann
der Vorteil des Systems Luft ohne Unterschreitung des Taupunkts entfeuchten
zu können voll zur Geltung gebracht werden. Weiterhin werden durch den
thermischen Antrieb die Stromnetze nicht belastet.
Nachteilig ist die niedrige Leistungsdichte im Vergleich zu herkömmlichen
Komponenten in der Klimatechnik und der Portotypencharakter der
Komponenten.
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Sorptionsspeicher:
Grenzen
Carnot Wirkungsgrad
Laden
Entladen
ηc=1-Tac/Tc
ηd= 1/1-Tad/Td
Speicherung
ηsto= ηc · ηd
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Wegen ihrer Fähigkeit thermische Energie über nahezu unbegrenzte
Zeiträume ohne große Verluste speichern zu können, werden offene
Sorptionssysteme gerne als „die“ saisonalen Speicher angepriesen.
Dagegen sprechen zum einen die Kosten: Es wird schwierig werden,
Investoren zu finden, die für die Beheizung eines Einfamilienhaueses 100.000
EUR in einen Sorptionsspeicher investieren, um dann den Speicher pro Jahr
mit einem Zyklus zu betreiben. Die Abschreibungszeiten würden bei einigen
Jahrzehnten liegen.
Zum anderen spricht der Wirkungsgrad dagegen. Der nach Carnot mögliche
theoretische Wirkungsgrad ist nur von den Tempeaturniveaus für den Ladeund Entladevorgang abhängig. Er gibt die obere Grenze des erreichbaren
Wirkungsgrads an und kann in der Realität nicht erreicht werden.
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Sorptionsspeicher:
Grenzen als saisonaler Wärmespeicher
Ladetemperatur
Umgebungstemperatur (Sommer)
Entladetemperatur
Umgebungstemperatur (Winter)
Tc = 100 °C
Tac = 30 °C
Td = 100 °C
Tad = -20 °C
Carnot
Realität ≈ 50 %
Carnot
ηspei ≈ 0.6
COP ≈ 0.3
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Da im Winter zum Entladen des Speichers keine geeignete
Niedertemperaturquelle zur Verfügung steht, bricht der Entladewirkungsgrad
nach Carnot ein. Der Speicherwirkungsgrad liegt schon nach Carnot nur bei
0,6. Das bedeutet, das wegen der ungünstigen Betriebsbedingungen schon 40
% der im Sommer eingesetzten Wärme nicht genutzt werden können. Da in
der Realität bei vertretbarem Aufwand nur ca. 50 % des des nach Carnot
möglichen Wirkungsgrades erreicht werden, beträgt der reale Wirkungsgrad
0,3. 70 % der im Sommer aufgewendeten Wärme zum Laden können im
Winter zur Beheizung des Gebäudes nicht mehr genutzt werden.
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Zusammenfassung
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Offene Sorptionssysteme mit festen Sorbentien eigenen sich gut für
Trocknungsprozesse, zum Heizen, und eingeschränkt zum
Klimatisieren.
Sie benötigen eine hohe Ladetemperatur (> 100 °C) und eine
geeignete Niedertemperaturquelle zum entladen.
Eine hohe Zyklenzahl ist entscheidend für den wirtschaftlichen
Betrieb.
Offene Sorptionssysteme mit flüssigen Sorbentien eigenen sich gut
zur Klimatisierung.
Ihre Domäne liegt in der Luftentfeuchtung.
Zum Antrieb genügen Temperaturen zwischen 70 und 90 °C.
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