Thermische Energiespeicher - Land Sachsen
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BAYERISCHES ZENTRUM FÜR ANGEWANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V. Thermische Energiespeicher – Stand und Entwicklung Dr. Andreas Hauer ZAE Bayern Walther-Meißner-Str.6, 85748 Garching www.zae-bayern.de Inhalt • Thermische Energiespeicher: Technologien – sensibel / latent / thermochemisch • Thermische Energiespeicher: Anwendungen – Heizen / Kühlen / Prozesswärme • Beispiel: Mobiler Wärmespeicher • Zusammenfassung © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 2 Thermische Energiespeicher Technologien © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Eigenschaften eines Energiespeichersystems – Speicherkapaziät (kWh/kg, kWh/m³) Phys. / chem. Effekt, Speichermaterial, Randbedingungen – Lade-/Entladeleistung (W/kg, W/m³) Stoff- und Wärmeübergang, Speicherkonstruktion – Speicherwirkungsgrad Verlustmechanismen (Speicherdauer, Umwandlung) – Speicherdauer (Zeit) Von Stunden bis zu einem Jahr – Kosten (€/kWh, €/W) Investitionen, Zahl der Speicherzyklen – Konkurrierende Technik Wärme und Kälte aus fossilen Energieträgern…oder Biomasse? © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Thermische Energiespeicher Methoden der thermischen Energiespeicherung: • Speicherung fühlbarer Wärme • Speicherung latenter Wärme • Thermochemische Wärmespeicherung © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Thermische Energiespeicher 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 Paraffine Wasser 0 0 25 50 75 100 125 150 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Temperatur / °C 175 200 Sensible Speicher • Material: Wasser, Steine, Beton, Keramik,… Stärken: Niedrige Kosten, robuste Technologie Schwächen: Niedrige spezifische Speicherkapazität Möglichkeiten: Hohe Entladeleistung (flüssig), hohe Speichertemperatur (fest) Herausforderungen: Thermo-mechanische Stabilität © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Sensible / Latente Speicher © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Latente Speicher • 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 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Thermochemische Speicher AB + Wärme © ECN A+B © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Thermochemische Speicher • 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 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Thermische Energiespeicher Anwendungen © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Kühlen • Air Conditioning, Raumkühlung • Randbedingungen: – – – – Niedrige Temperaturen: 0°C – 26 °C Kleine Temperaturdifferenzen (ΔT) Hohe Leistungsanforderungen Beschränkte Zyklenzahl (außer in heißem und feuchtem Klima) – Entfeuchtung (!) © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Kühlen • Geeignete thermische Energiespeichertechnologie: Latentwärmespeicher und flüssige (oder feste) Sorptionsspeicher „Passive Cooling“ „Phase Change Slurries“ Offene „Desiccant“-Systeme © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Heizen • Raumheizung und Warmwasserbereitstellung • Randbedingungen: – Mittlere Temperaturen: 25°C – 60 °C – Hohe Speicherkapazität – Niedrige Leistungsanforderung (Heizen) / Hohe Leistungsanforderung (Warmwasser) – Kurzzeitspeicher/ Saisonale Speicherung © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Heizen • Referenzsystem: Warmwassertank! • Geeignete thermische Energiespeichertechnologie: Latentwärmespeicher, Adsorptionsprozesse und chemische Reaktionen Warmwasserspeicher Unterkühltes PCM Chemische Reaktion: Magnesium-Chlorid © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Prozesswärme • Industrielle Anwendungen (z.B. Lebensmittelindustrie) • Randbedingungen: – – – – Hohe Temperaturen > 150 °C Hohe Speicherkapazität Hohe Leistungsanforderungen Hohe Zyklenzahlen © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Beispiel: Mobiler Wärmespeicher © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Mobile Wärmespeicher Mobiler thermischer Energiespeicher TES Ladestation TES LKW + Container TES Nutzer A TES Nutzer B + Nutzer C, D, … • • • BHKW Müllverbrennung Industriebetrieb • • • • Klimatisierung Schwimmbäder Trocknung … © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Mobile Wärmespeicher Mobiler Latentwärmespeicher Natriumacetat-Trihydrat, Schmelztemperatur 58°C PCM mass 22 t unit total mass 26 t energy stored / unit 2.4 MWh thereof latent heat 1.6 MWh typical charging power (90/70°C) 250 kW typical discharging power (38/48°C) 125 kW typical discharging power (25/40°C) 220 kW energy losses PCM Heat carrier fluid ca. 10 kWh in 24h © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Heat exchanger Mobile Wärmespeicher Mobiler Sorptionsspeicher Konzept Mobile Sorptions-Speichereinheit Umgebauter Standard-Frachtcontainer. Zeolithvolumen 15 m³ Zeolithmasse 12 t Dicke der Schüttung 0,7 m Querschnitt der Schüttung 23,2 m² Max. Luftvolumenstrom 20.000 m³/h Maximale thermische LeistungEnergie von Maximal gespeicherte thermische © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 1MWh MW ca.ca. 4,5 Mobiler Sorptionsspeicher Mobiler Sorptionsspeicher Speicherkapazität steigt mit steigender Temperatur der Abwärme 250 200 150 100 225 Tlow=15°C 50 0 50 200 175 90 130 170 210 250 Tdesorption [°C] Entladetemperatur hängt ab von der Temperatur der NT-Wärme TZeo,out [°C] Storage capacity [kWh/t] 300 150 125 100 75 Tdesorption=150°C 50 25 10 15 20 25 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 30 35 40 Tlow [°C] 45 50 55 60 65 Mobile Wärmespeicher Untersuchte Abwärmequellen Müllverbrennung • Dampf von der Extraktionsturbine 150°C • Abnahme reduziert Stromproduktion • Optional: Abgasstrom 250 °C • Non-stop Betrieb © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Mobile Wärmespeicher Nutzung der gespeicherten Wärme in einem Trocknungsprozess (z.B. Stärketrocknung) auxiliary heating AMB IN ADS Luft aus dem Sorptionsspeicher feed dryer OUT zeolite Luft aus dem Trocknungsprozess 58 °C / 64% rel. Feuchtigkeit 185 °C / < 3% rel. Feuchtigkeit © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Mobile Wärmespeicher Gesetzte Parameterwerte Abwärmequelle Typ Müllverbrennung, mit 5250 Betriebsstunden des Mobilen Wärmespeichers pro Jahr Sorption, 250 °C Sorption, 150 °C PCM, 150 °C Abwärmepreis 0 €/MWh 4,2 €/MWh 4,2 €/MWh Speicherkapazität/ Container 3,3 MWh 2,6 MWh 2,4 MWh Ladezeit 3,9 h 4,6 h 9,3 h Entfernung zum Nutzer 10 km 10 km 10 km Löhne/ Gehälter 30 €/h 30 €/h 30 €/h 93 € 93 € 93 € Durchschnittsgeschwindigkeit 25 km/h 25 km/h 25 km/h Elektr. Hilfsenergie/ Container 47 kWh 54 kWh ≈ 0 kWh Transportkosten für 100 km © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Mobile Wärmespeicher Energieeffizienz Ladestation Hilfsenergie, Transport Energiefluss-Diagramm COP > 9 bezüglich Hilfsenergie ! Zeo Nutzenergie 100% Nutzer © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Brennstoff 105% Mobile Wärmespeicher Umweltrelevanz : CO2-Emissionen 900 800 [t/a] 700 Gasbrenner Hilfsenergie Transport 600 500 400 300 200 100 0 Zeolith ohne mobilen Speicher © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Mobile Wärmespeicher Kostenverteilung bei Betrieb eines Mobilen Sorptionspeichers annuisierte Kosten Verwaltung und Versicherung 6% betriebsgebundene Kosten (Personal) 27% Investitionen 42% verbrauchsgebundene Kosten (Treibstoff, Strom) 25% © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Mobile Wärmespeicher Mobiler Sorptionsspeicher Energiekosten in €/MWh Energiepreis - Auslastung 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 Auslastung in % Kosten bei 250°C [€/MWh] Kosten bei 150°C [€/MWh] © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 100 Mobile Wärmespeicher Mobiler Sorptionsspeicher Energiekosten in €/MWh Energiekosten - Transportstrecke 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 Transportstrecke in km Kosten bei 250°C [€/MWh] Kosten bei 150°C [€/MWh] © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung 25 Beispiel: Mobile Wärmespeicher Eigenschaften eines thermischen Speichersystems – Speicherkapaziät (kWh/kg, kWh/m³) Ca. 3 MWh pro Container – Lade-/Entladeleistung (W/kg, W/m³) Ca. 1 MW pro Container – Speicherwirkungsgrad Hoch! – Speicherdauer (time) 1-2 Std, Zyklendauer 10 Std – Kosten (€/kWh, €/W) < 50 €/MWh Niedertemperaturquelle beim Entladen und hohe Zyklenzahl notwendig! Wirtschaftlichkeit möglich! © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Zusammenfassung © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Zusammenfassung Thermische Energiespeicher können eine wichtige Rolle bei der Integration erneuerbarer Energie spielen Thermische Energiespeicher können zur Effizienzsteigerung beitragen Energiespeichersysteme müssen auf ihre tatsächliche Anwendung hin optimiert sein Wärmespeicher müssen im Gesamtsystem betrachtet werden, um ihre technische und ökonomische Leistungsfähigkeit beurteilen zu können © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung
