1. IG SP/WT Präsentation Hslu, Jörg Worlitschek
Werbung
Thermische Energiespeicher Überblick und Forschung an der Hochschule Luzern oder M13 und die Folgen Dr. Jörg Worlitschek T direkt +41 41 349 39 57 [email protected] Horw 16.05.2013 CC Thermische Energiesysteme und Verfahrenstechnik Wofür verwendet M13 eigentlich seine Energie? Ein Blick auf goldene Zeiten für Ihn: 2011 10’800 MJ 10% Bewegung Folie 2, 16.05.2013 Wofür verwendet die Schweiz eigentlich Ihre Energie Ein Blick auf goldene Zeiten für sie: 2011 Folie 3, 16.05.2013 Wofür verwendet die Schweiz eigentlich Ihre Energie Ein Blick auf goldene Zeiten für sie: 2011 Elektrizität Gas Treibstoffe Kohle Erdölbrennstoffe Holz Energieerzeugung in der Schweiz 1910 – 2011 Folie 4, 16.05.2013 Wofür verwendet die Schweiz eigentlich Ihre Energie Ein Blick auf goldene Zeiten für sie: 2011 Energieverbrauch 2011 Folie 5, 16.05.2013 Und etwas detaillierter… Industrieller Sektor Folie 6, 16.05.2013 Und warum all die Folien zu 2011? Wärme spielt eine sehr gewichtige Rolle! - Thermische Speicher - Lokale Speicher von kurzen bis langen (bis zu saisonalen) Zyklen - Elektrische Speicher - Netzweite (und lokale) Speicher bei relativ kurzen Zyklen Folie 7, 16.05.2013 Folie 8, 16.05.2013 Thermische Energie speichern – Wie? Betrachtung eines uns bekannten Thermischen Speichers. 1. Niedrige Kühlleistung: -100W für 3 Std - Speicherung durch sensible Wärme Speichermaterial: Isolierte Körpermasse (5kJ/kg Fleisch) Entladeprozess: Körpertemperaturerwärmung Wärmeübertragung: 12 L Blut in 90000km Adern Heterothermie bei Säugetieren Folie 9, 16.05.2013 Thermische Energie speichern – Wie? Betrachtung eines uns bekannten Thermischen Speichers. 2. Niedrige Wärmeleistung : 50 W über 5 Monate - Speicherung durch chemische Energie Speichermaterial: Fettsäure (44 kg) Entladeprozess: Winterruhe Wärmeübertragung: 12 L Blut in 90000km Adern Oxidation des braunen Fettgewebes durch β-Oxidase Folie 10, 16.05.2013 Thermische Energie speichern – Wie? Überblick Folie 11, 16.05.2013 Thermische Energie speichern – Wie? Überblick Phasenwechselmaterialien (PCM - Kristallisation) Folie 12, 16.05.2013 Thermische Energie speichern – Wärmeübertragung Nr . Art 1 use supply use supply 4 use supply 5 use supply Folie 13, 16.05.2013 Eisspeicher mit Sole betrieben Direkt I Regenerator durchströmt Direkt II Eispeicher mit Wasserentnahme HausheizungSpeicher storage 3 use supply Indirekt storage 2 Beispiele storage Makroverkapse lt Parafintaschen Coolpack Mikroverkapsel t PCM Emulsionen PCM Granulate Thermische Energie speichern – Wie? Allgemeine Systemgrenzen Systemischer Kontext, Energieumfeld, Systemmanagement System Thermischer Energiespeicher Folie 14, 16.05.2013 1. Systemebene 2. Systemebene 3. Systemebene Wärmeübertragung Speichermaterial Thermische Energie speichern – Stand der Anwendungen Prinzip T -50 T -0 T 10 T 25 T 80 T 200 Höchsttemperaturspeicherung Energieerzeugung x Hochtemperaturspeicherung von Prozesswärme x Elektrothermischer Energiespeicher (ETES) x Rekuperatoren / Regeneratoren Mitteltemperatur Energieerzeugung (ORC, Solarthermie, BHKW) x Mittel-/Niedertemperaturprozesswärme (Rückgewinnung, Pinch) x Gebäudetechnik (Heizen, Wärmerückgewinnung) Gebäudetechnik (Kühlen, Klimaanlagen) x Gebäudetechnik: Thermische Masse Fassaden/Spitzenausgleich Kältetechnik, Eisspeicher Folie T 200+ x x x x x x x x x x x x x Preisvergleich Speicher Warmwasser Pufferspeicher Wasser Eisspeicher ΔT = (80 - 40) = 40 °C Volumen Kapazität [kWh] [m3] Preis Spez. [kCHF] [CHF/kWh] Kapazität [kWh] Preis Spez. [kCHF] [CHF/kWh] Latentwärmespeicher mit Paraffin Kapazität [kWh] Preis Spez. [kCHF] [CHF/kWh] Latentwärmespeicher mit Salzhydrat Preis Spez. [kCHF] [CHF/kWh] 38 15 400 Kapazität [kWh] 0.5 23 1.5 65 -- -- -- -- -- 1 45 2 44 -- -- -- 60 18 300 75 21 280 10 450 12 26 920 55 60 600 67 110 750 72 100 20 900 18 20 1840 75 41 1200 100 85 -- -- -- 100 4500 -- -- 9200 225 25 -- -- -- -- -- -- Folie Wärme und Kälte speichern – Herausforderungen Dynamik: Wärmeleistung Zeitliche Be- und Entladung in gewünschten Zeiten Fehlen eines kompakten geeigneten Systems im Temperaturbereich 15-20°C Kaum Einsatz in industrieller Wärmenutzung Folie Thermische Energiespeicher an der Hochschule Luzern Folie 18, 16.05.2013 Kompetenzen an der Hochschule Luzern Elektrischer Speicher CC IIEE EnergieUmwandlung Verbrennung Wärmepumpen ORC BHKW Sorptionsprozesse ….. Thermischer Speicher Kältespeicher Wärmespeicher Gesamtsysteme Regelkonzepte Wirtschaftlichkeit ….. EnergieVerbrauch Gebäudetechnik Heizen Kühlen Pinch-Analyse Industrieprozesse ….. Schwerpunktthema: Thermische Speicher und Wärmepumpen Flexibilität ‘Power and Heat’ • Peakshifting • Optimale Abstimmung Wärmepumpe – Themischer Speicher • Weiterführende Kombination mit Stromspeicher HSLU Zusammenarbeit mit • CC TEVT, Wärmepumpen • CC IIEE • CC ZIG • CC Produktinnovation Schwerpunktthema: Prozesswärme und PinCH Analyse Thermobatterie • Wärmerückgewinnung von Prozesswärme – Fokus auf Dynamik • Reduzierte Aufwärm- und Abkühlzeiten • Anwendung und Weiterentwicklung PinCH-analyse HSLU Zusammenarbeit von • CC TEVT, Thermische Energiespeicher • CC TEVT, Verfahrenstechnik Schwerpunktthema: Latentwärmespeicher Gebäudetechnik Simulation und Optimierung • Simulation und Messung der Wärmeflüsse • Optimierung und Änderung des Temperaturniveaus • Verbund mit Anergienetzen HSLU Zusammenarbeit von •CC TEVT, Thermische Energiespeicher •CC ZIG Beispiele von Ergebnissen Simulation und Messung der Beladung eines PCM Speichers Vergleich: Temperaturverlauf des LWS(Eis)-Speicher 25 20 Temperatur ϑ [°C] 15 10 5 0 Mitte innen (experimentell) Mitte innen (mathematisch) Umgebungstemperatur (experimentell) Umgebungstemperatur (mathematisch) -5 -10 0 5 10 15 20 Zeit [h] 25 23 30 35 40 Beispiele von aktuellen Ergebnissen Thermische Charakterisierung von Speichermaterialien 24 Beispiele von aktuellen Ergebnissen Simulation des Ladevorgangs eines Eisspeichers Temperatur- und Zeitverlauf im Ladebetrieb 8 10 Berechnet Temperatur Austritt UWH 420/1/2 Messwerte Temperatur Austritt 9 Messwerte Temperatur Eintritt Berechnete Beladungsdauer 4 8 Messwerte Beladungsdauer 6 0 5 4 3 -4 2 1 Abkühlphase Beladung ohne Zwickel Beladung Zwickel -8 0 -20 0 20 40 60 Beladung in Prozent 25 80 100 Ladezeit in Stunden Temperatur in °C 7 0.0 7.9 15.7 23.6 31.4 39.3 47.2 55.1 62.9 70.8 78.6 86.5 94.4 102.3 110.2 118.4 127.1 136.2 145.7 155.7 166.1 176.9 188.1 199.8 211.9 224.4 237.4 250.8 264.6 Wärmefluss W/m2 Beispiele von aktuellen Ergebnissen Direkte Messung des Wärmestromes: Entladung eines Salzhydrat Speichers 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 Zeit [min] 26 Netzwerk – Thermische Speicher • Swiss Competence Centers for Energy Research (SCCER) • Mitarbeit Fachgruppe Thermische Speicher Dechema • Mitgliedschaft Deutscher Bundesverband für Energiespeicher Laufende Firmenkooperationen • • • • • • • • • • VZug Mettler Toledo (Messtechnik) Fafco, Biel (Eisspeicherhersteller) Falkeis Arichtekten Vaduz Isocal/KWT, Viessmann Leutenegger Mibelle GlassX Belimed Sauter …. Nachruf - Der Bär ist tot. (†3) am 19. Februar - Thermische Speicher sind die Zukunft - Bei Ideen / Anregungen / Projekten zu Thermischen Speichern kontaktieren Sie mich gerne! - [email protected] Folie 28, 16.05.2013
