Thermische Energiespeicherung durch Sorptionsspeicher
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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 1 Inhalt • • • • • • 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 2 2 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 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 3 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. 3 Sorptionsspeicher: Funktion Sorptionsprozesse Adsorption Desorption Adsorption An der Oberfläche mikro-poröser Materialien Wärme Absorption In wässrigen Salzlösungen Adsorbens Oberfläche Wassermoleküle Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 4 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. 4 Sorptionsspeicher: Funktion Adsorption Laden Luft + Wasser Entladen Kondensationswärme Luft + Wasser Temperatur hoch Verdampfungswärme nutzbar Zeolith niedrig Luft Desorptionswärme Sorptionsspeicher / 16.11.2009 Luft Adsorptionswärme © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 5 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. 5 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 Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Heizen 100 °C 6 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. 6 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 Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 7 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. 7 Sorptionsspeicher: Anwendung Heizen und Kühlen + Hohe Speicherkapazität + Variation der Temperaturen (und Feuchte) - Hohe Investitionskosten / Wirtschaftlichkeit Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 8 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. 8 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% Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 9 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. 9 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, … Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 10 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). 10 Mobile Sorptionsspeicher: Anwendung industrielles Trocknen Laden Entladen Feuchte Luft (Trocknung) Zeolith Trockene Luft Abwärme 150 °C Speicherkapazität: 3 MWh/Container Speicherzyklen: 650 pro Jahr Sorptionsspeicher / 16.11.2009 Preis < 50 €/MWh © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 11 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. 11 Mobile Sorptionsspeicher: Anwendung industrielles Trocknen + Hohe Speicherkapazität + Variation der Temperaturen (und Feuchte) - Hohe Investitionskosten / Wirtschaftlichkeit Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 12 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. 12 Absorption: Klimatisierung mit flüssigen Sorbentien Regenerator Leistungszahl COP > 1 Energie 70 .. 80 °C Salzlösung Absorber Kühler 270 kWh/m³ Indirekte Verdunstungskühler Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 13 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. 13 Absorption: Klimatisierung mit flüssigen Sorbentien + Hohe Speicherkapazität + Variation der Temperaturen (und Feuchte) + Pumpfähiges Medium + Niedertemperatur Antriebswärme - Niedrige Leistungsdichte Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 14 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. 14 Sorptionsspeicher: Grenzen Carnot Wirkungsgrad Laden Entladen ηc=1-Tac/Tc ηd= 1/1-Tad/Td Speicherung ηsto= ηc · ηd Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 15 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. 15 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 Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 16 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. 16 Zusammenfassung • • • • • • 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. Sorptionsspeicher / 16.11.2009 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 17 17
