Thermische EnergiespeicherThermische Energiespeicher ... · - kostengünstige Speicher/Reaktor-Auslegungskonzepte - effiziente Speicherintegration Es gibt nicht den EINEN Typ Wärmespeicher

Thermische EnergiespeicherThermische EnergiespeicherPotential, Anwendungen und Technik

Rainer TammeDLR – Institut für Technische Thermodynamik

Folie 1 >

Dechema -Jahrestagung 2011, Frankfurt, 01.12.2011

Argumente für Speichertechnik IVerminderter Einsatz fossiler Brennstoffe für:

Kli h t V i h h it K t kKlimaschutz, Versorgungssicherheit, KostensenkungZiel nationaler und europäischer Energiepolitik

Energieeffizienz und Energiebereitstellung aus RES signifikant steigern

Zukünftige Stromerzeugung ?Zukünftige Wärmeversorgung ?

BMU Studie Ökologisch optimierter Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland“ DLR ifeu WI 2004

Folie 2 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, 22.09.2010> Rainer Tamme

BMU Studie „Ökologisch optimierter Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland DLR, ifeu, WI 2004

Herausforderung Thermische EnergiespeicherBreiter Temperaturbereich und Anforderungsprofil

Leistungsbereich von kW bis MW gKurzzeitspeicher – Minuten bis Stunden – Langzeitspeicher – Tage bis Monate Kapazität von wenigen kWh bis GWhTemperaturbereich von 0 – 1000 C

ä ä ä Ö S f


Diverse Wärmeträgermedien wie: Wasser, Kältemittel, Öl, Salz, Luft etc.

Wärmespeicher für solare KlimatisierungAktive Solar Systeme

Ausgleich von Energieangebot und BedarfSaisonaler Ausgleich von Sommerüberschuss gund Winterbedarf


Source: Univ. Stuttgart - ITW

T l i d i l Wä i hTypologie der saisonalen WärmespeicherErdbecken-Wärmespeicher

(40 bi 60 kWh/ ³)Heißwasser-Wärmespeicher

(40 bi 60 kWh/ ³) (40 bis 60 kWh/m³)(40 bis 60 kWh/m³)

Erdsonden-Wärmespeicher Aquifer-Wärmespeicher(30 bis 40 kWh/m³)(15 bis 30 kWh/m³) ( )( )


Latentwärmespeicher für GebäudetechnikKonzepte zur Verminderung von Heiz- und Kühlleistung durch Temperaturglättung

Kommerzielles Produkt (BASF Micronal®) mit organischen Latentmaterialien Anwendung in Baustoffen zum Temperaturausgleich/verbesserte Wärmedämmungals Pulver oder fließfähige „Slurry“

Baustoffsortiment:

BASF

ParaffinGipsplatten und -dielen Putze (Gips, zementär, lehmbasiert)RasterdeckeneinlegerBASF RasterdeckeneinlegerPUR-BeschichtungenAktivierbare BauteilePCM Sl tPCM-Slurry, etc.


Endenergieverbrauch 2006 in PJ• Industrie benötigt ca. 30%

Wärmespeichertechnik für industrielle Prozesse3000 g

Endenergie in Deutschland• Bedarf an Prozesswärme dominiert

2000

2500

Beleuchtung • 4 Sektoren benötigen ca 50% des

500

1000

1500 mech. EnergieRaumwärmeProzesswärme

Technisches Energieeinsparpotenzial in der Industrie

4 Sektoren benötigen ca. 50% desEnergieverbrauchs

0

500

Industrie Verkehr priv.Haushalte

GHD

g p p

• 25% Einsparung des Energieverbrauchs imindustriellen Bereich bis2030 angestrebt

• Schlüsselelement ist verbesserteSchlüsselelement ist verbesserteWärmebereitstellung und Wärmemanagement

• gefolgt von effizienteren und innovativenVerfahren


Struktur des industriellen WärmebedarfsWärmebedarf bekannt – Abwärmeparameter quantitativ nicht erfasst

Wärmebedarf T < 100 °C Wärmebedarf 100 °C < T < 300 °C Wärmebedarf T > 400 °C


Wärmebedarf T < 100 C Wärmebedarf 100 C T 300 C Wärmebedarf T 400 C

Speicherung von nicht genutzter Abwärme –

Wärmespeicher in der industriellen Prozesstechnik

Speicherung von nicht genutzter Abwärme Brennstoffeinsparung

Rückeinspeisung in thermischen ProzessNotwenig bei Batch Prozessen

Verstromung nicht genutzter AbwärmeStromeinsparung

Speicher nterstü te Verstrom ng ind strieller Ab ärme

Werkzeug für effizientes Wärmemanagement –

Speicherunterstüzte Verstromung industrieller Abwärme(z.B. ORC Prozess)

g gErhöhung der Energieeffizienz

Bereitstellung von LastspitzenErsatz von Anlagenkomponenten für Spitzenlast

Unterstützung solar-thermischer Prozesswärme BereitstellungVermehrter Einsatz EE

Ermöglicht bedarfsgerechte bzw. kontinuierliche Prozessführung


g g gErhöht Solaranteil bzw. vermeidet fossile Zusatzheizung

Wärmespeicher für dezentrale KWK Anlagen

• Entkopplung vonStrom und Wärmeerzeugung

• KWK Anlage stromgeführt betreiben• Wärmeverbrauch über Speicher entkoppeln• Wärmebereitstellung auf unterschiedlichem

Leistungs-, Zeit- und Temperaturniveau

Wärmeverbraucher

Variable LeistungCHP

Variable Zeit

Variable

TES


Variable Temperatur

Hochtemperatur Speicher für Kraftwerkstechnik

Erhöhung der FlexibilitätSpitzenlastbereitstellung KWK

Wärme-speicher

GG

G

G

PelPelPelPel

Hochtemperatur Speicher für Adiabates Druckspeicherkraftwerk

Q&Q& Wärmespeicher

ExpansionsturbineVerdichterstrang

für Adiabates Druckspeicherkraftwerk

Spezifikation Wärmespeicher400 – 600 °C

möglichst geringe Zwischenkühlung möglichst geringe Zwischenkühlung

p

B l d d S i h E tl d d S i hKaverne

400 600 C60 – 100 bar500 – 1000 MWhth


Beladung des Speichers Entladung des Speichers

Beispiellayout für adiabate Druckluftspeicherkraftwerk

Hochtemperatur Speicher für Solartechnik

Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerkep

ren

DampfkreislaufSpeichersystem

ren

DampfkreislaufSpeichersystem

olar

kolle

ktor

olar

kolle

ktor

SoSo

Wärmespeicher für solare ProzesswärmeWärmespeicher für solare Prozesswärme

Wärmespeicher für dezentrale KWK AnlagenCPC C ll t F l K ll kt T h K ll kt


dezentrale KWK AnlagenCPC Collector Fresnel Kollektor Trough Kollektor

Speicherkonzepte


Schwerpunkte für Speicherauslegung

Kernziel heißt effiziente und wirtschaftliche Lösungen

Speichermedium Wärmeübertragung

Kernziel heißt effiziente und wirtschaftliche Lösungen

Wärmeleitfähigkeitspez. WärmekapazitätDichte

Geometrie, Abmessungen und Anordnung DruckverlusteKapazität Leistung

therm. Ausdehnungs-koeffizientLangzeitstabilität

Lade/Entladeleistung Fertigungsaspekte und Kosten

g

BetriebsstrategieSystemsintegrationRegelungsaspekte

Systemintegration


Speicher fühlbarer Wärme - Sensible Wärmespeicher

Bevorzugte Anwendungsbegiete:- Einphasige Wärmeträgerfluide (Wasser, Öl, Flüssig Salz, Luft, etc.)

N t d Wä t ä fl id l S i h di (Di kt S i h )- Nutzung des Wärmeträgerfluids als Speichermedium (Direkte Speicherung)- Große Temperaturspreizung zwischen Laden und Entladen

Liquid materialsmolten salt HTF+ storage

di

HTF oil/steamsolid material/concrete

i di

HTF airSolid materials/

i di

HTF airsmall particles

didirect indirect ceramics - direct direct

packed bed configuration


Molten Salt Storage 2nd Generation Pilot StorageMoving bed heat exchanger

Anwendungsgebiete für SchüttspeicherRelevante Beispiele

Storage for Solar Tower Plants with Air Receiver

KWKStorage for Adiabatic

Compressed Air Power PlantsGG

G

Wärme-speicherLarge scale CHP Plants


G

Direktdurchströmte Feststoff-Speicher mit Partikel-Schüttung

Aktuelle Entwicklungen – Sensible Speicher

p gDirektkontakt zwischen HTF und dem SeichermediumGeeignet für hohe Temperaturen, vielfältige Speicheroptionen

sym

met

ric a

xis 9 m

5 m

1 m

Speichermasse 18000t, Massenstrom 500kg/s, Beladetemp. 650°C, Entladetemperatur 20°C. Gespeicherte Energie bis zu einem Temperaturabfall auf 90%:

Entladekurve für Speicher mit gleicher Speichermasse


p g paV 30m2/m3 = 1,3GWh; aV 150m2/m3 = 2,5GWh; aV 1000m2/m3 = 2,9GWh

Direktdurchströmte Feststoff-Speicher mit Partikel-Schüttung

HerausforderungHerausforderungThermomechanik - Spannungsarmer SpeicheraufbauWärmetechnische Auslegung - Erfüllung von Kosten + Effizienz ZielenStrömungsmechanikg

HOTREG Testanlagezur Verifizierung von Entwurfskonzepten

Spannungsverteilung in Partikelschüttung

(DEM Methode) Entwurfskonzepten

Laboranlage fürthermomechanische


thermomechanische Untersuchungen

Aktuelle Entwicklungen – LatentwärmespeicherNitratsalze als PCM s für 100-350 CPräferenz für PCM bei kleinem ∆T oder in Verbindung mit Wasser/Dampf Systemen

300

350

400LiNO3

300

350

400LiNO3

200

250

halp

y[J

/g]

NaNO3NaNO2

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3200

250

halp

y[J

/g]

NaNO3NaNO2

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3ture

50

100

150

Enth

KNO3KNO3-NaNO3KNO3-NaNO2-NaNO3

50

100

150

Enth

KNO3KNO3-NaNO3KNO3-NaNO2-NaNO3

spec. enthalpy

tem

pera

t

solid phaseliquid phase

two phasesolid / liquid

0100 150 200 250 300 350

Temperature [°C]

0100 150 200 250 300 350

Temperature [°C]Industrielle

Prozess WärmeKraftwerks-

technik


Prozess Wärme technik

14000 k PCMAktueller Status von PCM Speichern >100 °C 14000 kg PCMNaNO3; Tm = 305°C

Vom kW zum MW Maßstab

DISTOR storage

Vom kW zum MW Maßstab

2000 kg PCMK/NaNO3, ,

Tm = 220°CPSA, Spain

NaNO3 storageCarboneras, Spain


1) national BMWi Project 2) FP 6 Project 3) national BMU Project

Zusammenfassung I

Thermische Energiespeicher sind zentrales Element für verbesserte Effizienz undThermische Energiespeicher sind zentrales Element für verbesserte Effizienz und effektives Wärmemanagement im Bereich thermischer Prozesse für Stromerzeugung und Industrieanwendungen

Thermische Speicher sind unabdingbar für solarthermische AnwendungenThermische Speicher sind unabdingbar für solarthermische Anwendungen

Wenige Thermische Speicher im Bereich > 100 C sind kommerziell verfügbar ….. Aber noch zu teuer für breite Anwendung

Aktuelle Entwicklungen finden erste Nischenanwendungen im Bereich Thermomanagement von Industrieprozessen (100 kW-MW Bereich) und Kraftwerkstechnik (1-100 MW)( )

Verstärkte Forschung für Kostensenkung: - Materialien mit verbesserten thermophysikalischen Eigenschaften

effiziente Lösungen für Wärmetransport und Wärmeein und Auskopplung- effiziente Lösungen für Wärmetransport und Wärmeein- und –Auskopplung - kostengünstige Speicher/Reaktor-Auslegungskonzepte- effiziente SpeicherintegrationEs gibt nicht den EINEN Typ Wärmespeicher für alle Anwendungen


Es gibt nicht den EINEN Typ Wärmespeicher für alle Anwendungen

Dankefür Ihre Aufmerksamkeit

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