Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse · Aktivkohle Zeolithe Wasser Silikagel . 28. ... Desorption Speicher laden Adsorption Speicher nutzen Verdampfungs-wärme

1 28. September 2012

Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse Heike Schreiber Sorptionstechnologie

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik RWTH Aachen University Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow

© 28. September 2012 2 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse

Übersicht

• Was sind Adsorptionsspeicher?

• Anwendungsbeispiel Brauprozess

• Forschung am LTT

© 28. September 2012 3 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse 3

Prinzip der Sorptionsspeicher

• Stofftrennung

• Gespeicherte Wärme Bindungsenergie

BAHAB

AB

B

A

B B

AB Wärme Wärme

Speicher

beladen

Speicherung

reversibel

Speicher

entladen


Welche Materialien?

NH3

CH3OH

LiBr

A

B

Ionic liquids

Metal Organic Frameworks

Aktivkohle

Zeolithe

Wasser

Silikagel


Adsorptionsspeicher mit Zeolith und Wasser

Zeolith

• „siedender Stein“

• Poröse Alumosilikat-keramik

• Naturprodukt

• stark hydrophil

• verfügbar

Wasser

• Ungiftig

• Gute thermische Eigenschaften

A

B


Wie bewahre ich das Wasser auf?

Wasserdampf

verflüssigen

kondensieren

Wärme

Wasser austreiben

desorbieren

Wassertropfen

Flüssiges Wasser


Funktionsprinzip Adsorptionswärmespeicher

Desorption Speicher laden

Adsorption Speicher nutzen

Verdampfungs-wärme

Kondensations-wärme

Zeolith

Antriebs-wärme

Nutzwärme

Austreiben des Wassers Aufnahme des Wassers

Zeitliche Trennung von Ad- und Desorptionsphasen

Wärmespeicherung

Wasser Wasser


Wie kann ich Kälte bereitstellen?

Desorption Speicher laden

Adsorption Speicher nutzen

Verdampfungs-

wärme

Kondensations-wärme

Zeolith

Antriebs-wärme

Abwärme

Austreiben des Wassers Aufnahme des Wassers

Kühlleistung!

Wasser Wasser


Eigenschaften der Adsorptionsanlagen

• Viele mögliche Materialpaarungen

• Hohe Flexibilität in Bezug auf Temperatur und

Speicherdauer

• Hohe Wärmespeicherdichte

• Verlustarme Speicherung

• Niedertemperaturwärme wird eingebunden


Zusammenfassung: Adsorptionsanlagen

Wärme als Energiequelle

• Wärme speichern

• Wärme „pumpen“

• Kälte bereitstellen

©

Bierherstellung bedarf thermischer Energie

Energieintensivster Schritt im Brauprozess

Würzekochen (Eindampfen der Bierwürze)

28. September 2012 11 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse 11

Projekt: Energiesparende Brauereitechnologie

Gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Bra

uke

ss

el


Effiziente Bereitstellung von Energie

Kraft-Wärme-Kopplung

• 2 Produkte (Strom und Wärme)

Hohe Energieausnutzung

Brennstoff-

Luft Gemisch

Kaltes Wasser

Abgas

Abgaswärme-tauscher

Nutzwärme

Strom Generator Motor

Quelle: www.technik-verstehen.de


• Hochtemperaturwärmebedarf (T > 110°C)

• Energieeffizienter Betrieb des Motorheizkraftwerks

• Geringere Anlagengröße – spart Investkosten

Adsorptionswärmespeicher

Wärmeprofil im Brauprozess

W ä rme - leistung in kW

Zeit in Stunden

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4

5 6

7 8


Zeit in Stunden

W ä rmebedarf Braukessel W ä rmebedarf Braukessel

Abw ä rme MHKW Abw ä rme MHKW

ben ö tigte Speicher - kapazit ä t

ben ö tigte Speicher - kapazit ä t

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4

5 6

7 8


Prozessablauf Würzekochen

BHKW

Adsorptions

-speicher

Braukessel

Zeolith

Zeit

Wärme


Aufbau Speichermodul

Adsorber

Verdampfer/Kondensator

Vakuum-dichtes Fass

Zeolith 13X

Wasser


Einbindung des Speichers ins Gesamtsystem

G

Abgas-wärme-übertrager

Motor

Brau-kessel

Warmwasserspeicher

Zeolith-speicher

T < 90°C

T = 120-240°C


Arbeitspakete des Projekts

• Anlagenauslegung der Einzelkomponenten wie Braukessel,

Zeolithwärmespeicher, Rauchgaswärmeübertrager und

Warmwasserspeicher

• Modellierung des Wärmehaushaltes einer Brauerei

• Entwicklung und Bau der Prototypen Zeolithspeicher und

Rauchgaswärmeübertrager

• Betrieb der Prototypen im Verbund und Messung des Verhaltens bei

typischen Lastzuständen

• Energetische Bilanzierung und betriebswirtschaftliche Betrachtung


Speichernutzen: Leistungsverschiebung


Zeit in Stunden

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4

5 6

7 8


Zeit in Stunden

W ä rmebedarf Braukessel W ä rmebedarf Braukessel

Abw ä rme MHKW Abw ä rme MHKW

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4

5 6

7 8


Niedertemperaturwärmeeinfluss auf den Speicher

• Nutzung der Kondensationswärme im Brauprozess möglich

• Abwärme für Verdampfung vorhanden

– Wärmerückgewinnung im Prozess

– Überschüssige Kühlwasserwärme des BHKW

• Variation der Temperaturniveaus im Verdampfer / Kondensator

Betrachtung des Gesamtsystems notwendig

Verdampfer Kondensator Speicherdichte Wirkungsgrad

Temperatur Temperatur

Temperatur Temperatur


Ergebnisse des Projekts

• Funktionsnachweis des Speichers

– Lastverschiebung realisierbar

– 80 % Wirkungsgrad

– 2 x höhere Speicherdichte im Vergleich zu Warmwasser-Druckspeichern

– Niedertemperaturwärme im Prozess nutzbar

– Optimierungspotential vorhanden

• Verbundanlage erfolgreich getestet

• Vergleich Modellbrauerei mit konventioneller Brauerei

– 32 % Primärenergieersparnis

– Wirtschaftlich durch Biogasnutzung und KWK-Vergütung


Projektbeteiligte und -förderung

Projektpartner

Brauereimaschinenfabrik Kaspar Schulz KG

Apparatebau für Brauereien

Technische Universität München

Arbeitsgruppe Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie


Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik

Energiesystemtechnik

Sorptionstechnologie

Messtechnik

Molekulare Thermodynamik


Aktivitäten in der Sorptionsgruppe

Modellierung von Adsorptionsanlagen

Prüfstandsaufbau und -betrieb

Material-charakte-risierung

Prototypenbau

Experimentelle Validierung von Modellen

Komponenten-entwicklung

Konzeptionierung von Anlagen

• Wärmepumpen

• Kältemaschinen

• Thermische Speicher


Wo liegen die Forschungsschwerpunkte?

• Verstehen der Vorgänge in der Adsorptionsanlage

– mathematische Modellbildung

– Vorhersagbarkeit des Anlagenverhaltens

• Verstehen des Zusammenspiels im System

– Dynamische Modellierung

– Vorhersagbarkeit des Systemverhaltens

Systematisches Auslegen statt „Trial and Error“

• Erforschung der energietechnischen Anwendungen für Adsorptions-Systeme

– Systemeinbindung • Nutzung von Niedertemperaturwärmeströmen

– Speicherdichte (Platzbedarf)

– Materialauswahl (Kosten)


Möglichkeiten der Zusammenarbeit

Inhaltlich

• Industrielle Prozesswärme- und Kälteversorgung

• Stromgeführte KWK mit Wärmespeichern

• KWKK

Praktisch

• Öffentlich geförderte Projekte oder Dienstleistung

• Simulationsstudie zu Anlagenkonzepten und

Systemeinbindung

• Experimentelle Untersuchungen

• Prototypenentwicklung


Kontakt

Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow

Tel.: +49 (0)241 80-9 53 81

E-Mail: [email protected]

Dipl.-Ing. Heike Schreiber

Tel.: +49 (0)241 80-9 81 76 E-Mail: [email protected]

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik

Schinkelstraße 8

D - 52062 Aachen Fax.: +49 (0)241 80 92 255

Web: http://www.ltt.rwth-aachen.de

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