Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz in ... · PDF file70 (238) 113 (348) 139 (417) * Dichte von CO 2 bei 50 bar (57,3 bar, flüssig), Packungsdichte des Feststoffs = 0.5

Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz

in Industrieanwendungen

Doerte Laing

www.DLR.de • Folie 1 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012

Hintergrund

- Wärmespeicher sind ein wesentlicher Baustein für die Steigerung der Effizienz energieverfahrenstechnischer Prozesse

=> Schlüsselelement zur Brennstoffeinsparung und zum Klimaschutz

- Wenige Wärmespeicher im Bereich > 100 ºC kommerziell verfügbar => noch zu teuer für breite Anwendung

- Entwicklung fortschrittlicher Konzepte, Komponenten, Verfahren und Systemtechniken zur Wärmespeicherung im Hochtemperaturbereich erforderlich

- Deutlicher Beitrag für die Erreichung der energiepolitischen Ziele der Bundesregierung


Optimiertes Energiemanagement durch Einsatz

Thermischer Energiespeicher

Breites Anforderungsprofil:

- Leistungsbereich von kW bis MW

- Kurzzeitspeicher / Min. bis Std. –

Langzeitspeicher / Tage bis Monate

- Kapazität von wenigen kWh bis GWh

- Temperaturbereich von 0 – 1000 °C

- Diverse Wärmeträgermedien wie:

Wasser, Kältemittel, Öl, Salz, Luft etc.


GWärmequellen

Wärmeverbraucher

Wärmespeicher

Wärmestrom zum Verbraucher

Abwärme

EIN Speichertyp kann nicht alle Anforderungen abdecken!

Anwendungsbeispiel Elektrostahlwerk (BSW/BSE)

Speicherunterstütze Verstromung von Abwärme


Schmelze

Abgasrohr

Elektroden

Elektrodenhalterung

Lichtbogen

Lan

zen

man

ipu

lato

r

Flüssigsalzspeicher zur Glättung

diskontinuierlicher Abwärmeströme

Quelle: BSE BADISCHE STAHL-ENGINEERING GMBH

Quelle: BSE BADISCHE STAHL-ENGINEERING GMBH

Anwendungsbeispiel Heizkraftwerk

Besicherung Prozessdampfschiene

Grubengas-Heizkraftwerk

Wellesweiler (STEAG)

- 1. EEG-geförderte Anlage im

Saarland, Betrieb seit 2002

- KWK-Anlage:

- Strom 39.500 MWh/a

- Wärme: 62.000 MWh/a

- Strom und Wärme für Industrie-

und Gewerbebetriebe

Latentwärmespeicher zur

Besicherung der Dampfproduktion


Quelle: STEAG New Energies GmbH

Anwendungsbeispiel chemische Industrie

Wärmetransformation durch Abdampfnutzung


- 1 bar (100 ºC) Abdampf ist

energetisch kaum zu verwerten

Nutzung von thermochemischen

Reaktionen zur

Wärmetransformation

Beladung bei ≈ 120 ºC

Entladung bei ≈ 160 ºC

Ziele

- Übergeordnete Ziele

- Entwicklung fortschrittlicher Wärmespeicher für industrielle

Prozesswärme (100 kW-MW) und Kraftwerkstechnik (1-100 MW)

- Beitrag zur breiten Markteinführung von Wärmespeichertechnologien

- Kernziel heißt Kostensenkung

- DLR Fokus der Entwicklungen

- Materialien mit verbesserten thermophysikalischen Eigenschaften

- Effiziente Lösungen für Wärmetransport und Wärmeein- und –

Auskopplung

- Kostengünstige Auslegungskonzepte

- Optimierte Speicherintegration

- Umsetzung von Lösungen mit deutlichem Potential zur Kostensenkung

www.DLR.de • Folie 7 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Speicherkonzepte

www.DLR.de • Folie 8 > > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012

Sensible Wärme flüssig fest/flüssig

Latente Wärme Salze fest-flüssig Salze fest-fest

Reaktionswärme Gas-Feststoff-Reaktion Sorption

fest

Speicherkonzepte

Vergleich der Speicherdichten

- Feststoffe und Flüssigkeiten bei Umgebungsdruck


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 500 1000 1500 2000

Temperature [°C]

Vo

lum

etr

ic h

ea

t ca

pa

city [

MJ/(

m³K

)]

Water CopperGraphite AluminiumSilicon Sodium chlorideConcrete quartz glassSodium Nitrate Sodium/Potassium nitrate

Solids and liquids at atmospheric pressure

upper ρ∙cp limit

Speicherkonzepte


Typische Speicherdichten

- Sensible Speicher 20 – 100 kWh/m³

(abhängig von Temperaturdifferenz)


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 500 1000 1500 2000

Temperature [°C]

Volu

metr

ic h

eat

capacity [

MJ/(

m³K

)]



upper ρ∙cp limit

Feststoffe und Flüssigkeiten bei Umgebungsdruck

Speicherkonzepte



- Phasenwechselmaterialien

0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 150 200 250 300 350

Temperature [°C]

En

thalp

y[J

/g]

KNO3

NaNO3

NaNO2

KNO3-NaNO3

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3

0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 150 200 250 300 350

Temperature [°C]

En

thalp

y[J

/g]

KNO3

NaNO3

NaNO2

KNO3-NaNO3

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3

Speicherkonzepte





- Latentwärmespeicher 50 – 150 kWh/m³

(bei minimaler Temperaturdifferenz)


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 500 1000 1500 2000

Temperature [°C]

Volu

metr

ic h

eat

capacity [

MJ/(

m³K

)]



upper ρ∙cp limit


0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 150 200 250 300 350

Temperature [°C]

En

tha

lpy

[J/g

]

KNO3

NaNO3

NaNO2

KNO3-NaNO3

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3

0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 150 200 250 300 350

Temperature [°C]

En

tha

lpy

[J/g

]

KNO3

NaNO3

NaNO2

KNO3-NaNO3

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3

Speicherkonzepte



- Thermochemische Speicher

Reaktion TG[1 bar]

°C

ΔH [1 bar]

kJ/mol

Kapazität *

kWh/m3

Mg(OH)2/MgO

Ca(OH)2/CaO

268

521

78

99

323

330

MgCO3/MgO

CaCO3/CaO

BaCO3/BaO

307

896

1497

99

167

212

70 (238)

113 (348)

139 (417)

* Dichte von CO2 bei 50 bar (57,3 bar, flüssig),

Packungsdichte des Feststoffs = 0.5 *Feststoffdichte

Speicherkonzepte








100 – 400 kWh/m³ (abhängig von

treibendem Gefälle (Druck/Temperatur))


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 500 1000 1500 2000

Temperature [°C]

Volu

metr

ic h

eat

capacity [

MJ/(

m³K

)]



upper ρ∙cp limit


0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 150 200 250 300 350

Temperature [°C]

En

tha

lpy

[J/g

]

KNO3

NaNO3

NaNO2

KNO3-NaNO3

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3

0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 150 200 250 300 350

Temperature [°C]

En

tha

lpy

[J/g

]

KNO3

NaNO3

NaNO2

KNO3-NaNO3

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3

Speicherkonzepte








100 – 400 kWh/m³ (abhängig von

treibendem Gefälle (Druck/Temperatur))


Energiedichte Entwicklungs-

[kWh/m3] stand

gering hoch

hoch gering

spez. Entropie

Tem

pera

tur

Latentspeicher sensiblerSpeicher

sensiblerSpeicher

water wet steam superheated

steam

Latentwärmespeicher

Anwendung


Arbeitsmedium Wasser/Dampf

=> Verdampfung (T=konst)

spez. EntropieTe

mpe

ratu

r

Latentspeicher sensiblerSpeicher

sensiblerSpeichersensible

solid latent

heat

sensible liquid

Wesentlicher Vorteil: Temperaturkonstanz der Phasenwechsel

=> Prozessdampf

Latentspeichermaterial

=> Schmelzbereich (T=konst)


Auswahl der Latentspeichermaterialien


0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 150 200 250 300 350

Temperature [°C]

En

tha

lpy [

J/g

]

NaNO3NaNO2

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3-NaNO3

LiNO3

KNO3-NaNO3

H2O Pressure [bar]

KNO3

KNO3-LiNO3

1 2 5 10 20 40 50 100 150


Design Konzepte


Aluminiumrippen quer

Aluminiumrippen längs

solid

liquid

Fluid


Stand der Entwicklung

- Beripptes Rohrkonzept demonstriert

- Graphitrippen / horizontale Rohre

=> begrenzt auf <250 ºC

- Aluminumrippen radial / vertikale Rohre

- Aluminiumrippen extrudiert / vertikale

Rohre

- 5 Testmodule mit 140 - 2000 kg PCM

- Vier Salz-Systeme demonstriert

- NaNO3 - KNO3 - NaNO2 142 ºC

- LiNO3 - NaNO3 194 ºC

- NaNO3 - KNO3 222 ºC

- NaNO3 305 ºC



Demonstration für Kraftwerkseinsatz

- Weltweit größter Hochtemperatur-

Latentwärmespeicher mit 14 Tonnen NaNO3

(700 kWh) in 2010/2011 erfolgreich getestet

(2949 h, 95 Zyklen)


Wärmespeichertechnologien

Zusammenfassung

- Energiespeicherung ist Schlüsselthema für zukünftige nachhaltige

Energieversorgung

- Wärmespeicher sind zentrales Element für verbesserte Effizienz und

effektives Wärmemanagement in der Prozessindustrie

- Wenige thermische Hochtemperatur-Speicher sind kommerziell verfügbar

=> noch zu teuer für breite Anwendung

- Verstärkte Anstrengungen zur Entwicklung eines breiten Portfolios an

Speichertechnologien und Speichermaterialien erforderlich


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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www.DLR.de • Folie 22

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Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz in ... · PDF file70 (238) 113 (348) 139 (417) * Dichte von CO 2 bei 50 bar (57,3 bar, flüssig), Packungsdichte des Feststoffs = 0.5