© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Georg Storch, Andreas Hauer ZAE Bayern Technik für Energiesysteme und erneuerbare Energie Abwärmenutzung

© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.

Georg Storch, Andreas Hauer

ZAE Bayern

Technik für Energiesysteme und erneuerbare Energie

Abwärmenutzung durch Wärmetransport mit mobilen

Sorptionsspeichern


Gliederung

1. Grundlagen

2. Mobile Wärmespeicher


Gliederung

1. Grundlagen

Adsorption

Offene Sorptionssysteme Zeolith

Stationärer Speicher



Motivation

Kumulierte prozesstechnische Abwärmeleistung in den Niederlanden.Quelle: Energy Research Centre of the Netherlands

Nutzungshindernisse:

- Temperaturniveau

- zeitliche Verfügbarkeit

- räumliche Trennung

Industrielle Abwärme


Grundlagen: Adsorption

Wassermoleküle

Wärme

Adsorption Desorption

AdsorbensOberfläche

Anlagerung von Wasserdampf an der inneren Oberfläche mikroporöser Materialien


Luft

Verdampfungs-wärme

Luft +Wasser

Luft

Desorption Adsorption

• Wasserdampf / Zeolith • Betrieb bei Umgebungsdruck• Zeolithpellets in Festbettschüttung• Luft als Trägergas für Wärme- und Stofftransport

Zeolith

Luft +Wasser

Desorptions-wärme

Laden Entladen

Grundlagen: Offene Sorptionssysteme

Adsorptions-wärme

Kondensations-wärme


Grundlagen: Warum Zeolith?

0 20 40 60 80 100

20

30

40

50

60

70

80

90

100

t1 (Zeo)t

1 (Sil)t0

Nutztemperatur

Zeolith Silicagel

Tem

pera

tur

[°C

]

Zeit [h]


Grundlagen: Zeolith

Zeolith APorendurchmesser 4 - 5 Å

• Alumosilikat-Gerüststruktur (Me+,Me2+0,5)x(AlO2)x(SiO2)y(H2O)z

• Verschiedene Kationen möglich (häufig Na+,K+,Mg2+,Ca2+,…)• Anwendung als Sorbens, Katalysator, Ionenaustauscher• Weltjahresproduktion 800 000 t• Für Sorptionsanwendungen in offenen Systemen meist als Pellets

Zeolith X/YPorendurchmesser 7.4 - 10 Å

Moleküldurchmesser H2O: 2.6 Å


0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

x [kg/kg]T

[°C

]

Taulinie

100 kJ/kg100 kJ/kg

200 kJ/kg200 kJ/kg

300 kJ/kg300 kJ/kg350 kJ/kg350 kJ/kg

50 kJ/kg50 kJ/kg

400 kJ/kg400 kJ/kg450 kJ/kg450 kJ/kg

150 kJ/kg150 kJ/kg

250 kJ/kg250 kJ/kg

500 kJ/kg500 kJ/kg550 kJ/kg550 kJ/kg600 kJ/kg600 kJ/kg650 kJ/kg650 kJ/kg

XZeo=0.3

XZeo=0.25

XZeo=0.2

XZeo=0.15

XZeo=0.1

XZeo=0.05

XZeo=0.08

XZeo=0.04

Grundlagen: Speicherdichte und Temperaturhub

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

T [°C]

Tau

punk

t Td

[°C

]

31%31%30%30%28%28%

1%1%

26%26%

24%24%22%22%20%20%

18%18%16%16%14%14%12%12%10%10%8%8%6%6%

4%4%5%5%

3%3%2%2%

EintrittDesorption

EintrittAdsorption

0.04

0.28

0.01

0.10.

2

EintrittAdsorption

AustrittAdsorption

BeladungZeolith


50 90 130 170 210 2500

50

100

150

200

250

300

Tdesorption [°C]

Sto

rag

e ca

pac

ity

[kW

h/t

]

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

25

50

75

100

125

150

175

200

225

TNT [°C]T

Zeo

,ou

t [°C

]

desorption @150°C

Speicherdichten bis zu 270 kWh/t undAustrittstemperaturen bis zu 200°C erreichbar !

adsorption @15°C, =0.95

Grundlagen: Speicherdichte und Temperaturhub


System• Adsorbens 7000 kg Zeolith 13X• Tankvolumen 10 m³• Luftstrom 6000 m³/h• Therm. Leistung 130 kW (max.)

Speicherdichte Q = 124 kWh/m³ (81 % des theor. Werts)Leistungszahl COPth= 0.92 (86 % des theor. Werts)

Projekterfahrungen: Stationärer Speicher


Gliederung

1. Grundlagen


Grundidee

Konzeptvergleich Zeolith/PCM

Forschungsvorhaben

Wirtschaftlichkeitsanalyse


Mobile Wärmespeicher

• BHKW• Müllverbrennung• Industriebetrieb

Lade-station Zeo

• Klimatisierung• Schwimmbäder• Trocknung• …

Nutzer A

Nutzer B

Zeo

Zeo

+ Nutzer C, D, …

Zeo

LKW + Container


Laufzeit: Juli 2005 – Juli 2008

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi)

Partner: Hydro Aluminium Deutschland GmbHMVA Hamm Betreiber GmbHTricat Zeolites GmbHChemiewerke Bad Köstritz CWK GmbH

Forschungsprojekt: Abwärmenutzung durch mobile Sorptionsspeicher



Roadmap

Wirtschaftlichkeits-rechnung

Laborexperimente& Planung

Bau Betrieb



Umgebauter Standard-Frachtcontainer.Zeolithvolumen 18,7 m³Zeolithmasse 15 tDicke der Schüttung 0,8 mQuerschnitt der Schüttung 23,2 m²

Max. Luftvolumenstrom 20.000 m³/h

Konzept Mobile Sorptions-Speichereinheit


Sorbens

Sorbens

Sorbens

Sorbens

Strömungsverlauf in der Speichereinheit


PCM Masse 22 t

Container Gesamtgewicht 26 t

Energieinhalt / Container 2.4 MWh

Davon latente Wärme 1.6 MWh

typ. Ladeleistung(90/70°C)

250 kW

typ. Entladeleistung(38/48°C)

125 kW

typ. Entladeleistung(25/40°C)

220 kW

Energieverlusteca. 10 kWh

in 24h

Andere Systeme ?

Fragestellung

Technologievergleich: PCM

Natriumacetat, Schmelzpunkt 58°C PCM

Wärmetauscher

Wärmeträger-fluid


10%

24%

10%7%11%

34%

4%InvestitionLadestation

InvestitionContainer

InvestitionTransport

AllgemeineFixkosten

BetriebskostenTransport

Arbeitsaufwand

Hilfsenergie

Summe: 135 103 €

Typische Kostenstruktur




20

30

40

50

60

70

80

4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500

Betriebszeit Ladestation [h/a]

[€/M

Wh

]

Zeolith PCM Heizöl Erdgas

Resultierende Energiekosten


Lade-station

Nutzer

Nutz-energie100%

10.5%

Hilfsenergie,Transport

Brenn-stoff105%

Abwärm

e

132%

Zeo

Energiefluss-Diagramm

COP > 9 bezüglich Hilfsenergie !



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Zeolith ohne mobilenSpeicher

Gasbrenner

Hilfsenergie

Transport[t/a

]CO2-Emissionen



Sorptionsprozesse ermöglichen thermische Energiespeicherung

Zeolith bietet hohen Temperaturhub bei guter Speicherdichte und konstanter Leistung

Technische Machbarkeit in stationären Anwendungen bereits gezeigt

Laufendes Forschungsprojekt zur mobilen Nutzung

Zu klärende Fragen:mechanische Stabilität, Desorption mit Abgas

Wirtschaftlicher Betrieb möglich

Stark abhängig vom Verhältnis Arbeitskosten/Energiepreis

Zusammenfassung


Vielen Dank für

Ihre Aufmerksamkeit!

Dank

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