Potential, Anwendungen und Technik

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1 Thermische Energiespeicher Potential, Anwendungen und Technik Rainer Tamme DLR Institut für Technische Thermodynamik Dechema -Jahrestagung 2011, Frankfurt, Folie 1 >

2 Argumente für Speichertechnik I Verminderter Einsatz fossiler Brennstoffe für: Klimaschutz, Versorgungssicherheit, h it Kostensenkung Ziel nationaler und europäischer Energiepolitik Energieeffizienz und Energiebereitstellung aus RES signifikant steigern Zukünftige Wärmeversorgung? Zukünftige Stromerzeugung? BMU Studie Ökologisch optimierter Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland DLR, ifeu, WI 2004 Folie 2 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

3 Herausforderung Thermische Energiespeicher Breiter Temperaturbereich und Anforderungsprofil Leistungsbereich von kw bis MW Kurzzeitspeicher Minuten bis Stunden Langzeitspeicher Tage bis Monate Kapazität von wenigen kwh bis GWh Temperaturbereich von C Diverse Wärmeträgermedien ä wie: Wasser, Kältemittel, Öl, Salz, Luft etc. Folie 3 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

4 Wärmespeicher für solare Klimatisierung Aktive Solar Systeme Ausgleich von Energieangebot und Bedarf Saisonaler Ausgleich von Sommerüberschuss und Winterbedarf Source: Univ. Stuttgart -ITW Folie 4 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

5 Typologie der saisonalen Wärmespeicher Heißwasser-Wärmespeicher Erdbecken-Wärmespeicher (40 bis 60 kwh/m³) (40 bis 60 kwh/m³) Erdsonden-Wärmespeicher Aquifer-Wärmespeicher (15 bis 30 kwh/m³) (30 bis 40 kwh/m³) Folie 5 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

6 Latentwärmespeicher für Gebäudetechnik Konzepte zur Verminderung von Heiz- und Kühlleistung durch Temperaturglättung Kommerzielles Produkt (BASF Micronal ) mit organischen Latentmaterialien Anwendung in Baustoffen zum Temperaturausgleich/verbesserte Wärmedämmung als Pulver oder fließfähige Slurry Baustoffsortiment: Paraffin BASF Gipsplatten und -dielen Putze (Gips, zementär, lehmbasiert) Rasterdeckeneinleger PUR-Beschichtungen Aktivierbare Bauteile PCM-Slurry, etc. Folie 6 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

7 Wärmespeichertechnik für industrielle Prozesse Endenergieverbrauch 2006 in PJ Industrie benötigt ca. 30% Endenergie in Deutschland Bedarf an Prozesswärme dominiert 4 Sektoren benötigen ca. 50% des Energieverbrauchs 3000 g Beleuchtung mech. Energie Raumwärme Prozesswärme Technisches Energieeinsparpotenzial p in der Industrie 0 Industrie Verkehr priv. Haushalte GHD 25% Einsparung des Energieverbrauchs im industriellen Bereich bis2030 angestrebt Schlüsselelement ist verbesserte Wärmebereitstellung und Wärmemanagement gefolgt von effizienteren und innovativen Verfahren Folie 7 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

8 Struktur des industriellen Wärmebedarfs Wärmebedarf bekannt Abwärmeparameter quantitativ nicht erfasst Wärmebedarf T < 100 C Wärmebedarf 100 C < T < 300 C Wärmebedarf T > 400 C Folie 8 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

9 Wärmespeicher in der industriellen Prozesstechnik Speicherung von nicht genutzter Abwärme Brennstoffeinsparung Rückeinspeisung in thermischen Prozess Notwenig bei Batch Prozessen Verstromung nicht genutzter Abwärme Stromeinsparung Speicherunterstüzte Verstromung industrieller Abwärme (z.b. ORC Prozess) Werkzeug für effizientes Wärmemanagement Erhöhung der Energieeffizienz Bereitstellung von Lastspitzen Ersatz von Anlagenkomponenten für Spitzenlast Unterstützung solar-thermischer Prozesswärme Bereitstellung Vermehrter Einsatz EE Ermöglicht bedarfsgerechte bzw. kontinuierliche Prozessführung Erhöht Solaranteil bzw. vermeidet fossile Zusatzheizung Folie 9 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

10 Wärmespeicher für dezentrale KWK Anlagen Entkopplung von Strom und Wärmeerzeugung KWK Anlage stromgeführt betreiben Wärmeverbrauch über Speicher entkoppeln Wärmebereitstellung auf unterschiedlichem Leistungs-, Zeit- und Temperaturniveau Wärmeverbraucher CHP Variable Leistung TES Variable Zeit Variable Temperatur Folie 10 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

11 Hochtemperatur Speicher für Kraftwerkstechnik Erhöhung der Flexibilität Spitzenlastbereitstellung Wärmespeicher KWK G G G Hochtemperatur Speicher für Adiabates Druckspeicherkraftwerk P el P el Spezifikation Wärmespeicher C bar MWh th Verdichterstrang Q & möglichst geringe Zwischenkühlung Wärmespeicher Expansionsturbine Kaverne Beladung des Speichers Entladung des Speichers Beispiellayout für adiabate Druckluftspeicherkraftwerk Folie 11 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

12 Hochtemperatur Speicher für Solartechnik Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke Speichersystem Dampfkreislauf So olarkollektor ren Wärmespeicher für solare Prozesswärme Wärmespeicher für CPC dezentrale Collector KWK Anlagen Fresnel Kollektor Trough Kollektor Folie 12 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

13 Speicherkonzepte Folie 13 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

14 Schwerpunkte für Speicherauslegung Kernziel heißt effiziente und wirtschaftliche Lösungen Speichermedium Wärmeübertragung Wärmeleitfähigkeit spez. Wärmekapazität Kapazität Dichte therm. Ausdehnungskoeffizient Langzeitstabilität Geometrie, Abmessungen und Anordnung Druckverluste Leistung Lade/Entladeleistung Fertigungsaspekte und Kosten Betriebsstrategie Systemintegration Systemsintegration Regelungsaspekte Folie 14 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

15 Speicher fühlbarer Wärme - Sensible Wärmespeicher Bevorzugte Anwendungsbegiete: - Einphasige Wärmeträgerfluide (Wasser, Öl, Flüssig Salz, Luft, etc.) - Nutzung des Wärmeträgerfluids ä als Speichermedium (Direkte Speicherung) - Große Temperaturspreizung zwischen Laden und Entladen Liquid materials HTF oil/steam HTF air HTF air molten salt HTF+ storage solid material/concrete Solid materials/ small particles direct indirect ceramics - direct direct packed bed configuration Molten Salt Storage 2 nd Generation Pilot Storage Moving bed heat exchanger Folie 15 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

16 Anwendungsgebiete für Schüttspeicher Relevante Beispiele Storage for Solar Tower Plants with Air Receiver Large scale CHP Plants Wärmespeicher KWK G Storage for Adiabatic Compressed Air Power Plants G G Folie 16 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

17 Aktuelle Entwicklungen Sensible Speicher Direktdurchströmte Feststoff-Speicher mit Partikel-Schüttung Direktkontakt zwischen HTF und dem Seichermedium Geeignet für hohe Temperaturen, vielfältige Speicheroptionen Entladekurve für Speicher mit gleicher Speichermasse Speichermasse 18000t, Massenstrom 500kg/s, Beladetemp. 650 C, Entladetemperatur 20 C. Gespeicherte Energie bis zu einem Temperaturabfall auf 90%: av 30m2/m3 = 1,3GWh; av 150m2/m3 = 2,5GWh; av 1000m2/m3 = 2,9GWh 1 m symmetric axis 9 m 5 m Folie 17 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

18 Direktdurchströmte Feststoff-Speicher mit Partikel-Schüttung Herausforderung Thermomechanik - Spannungsarmer Speicheraufbau Wärmetechnische Auslegung - Erfüllung von Kosten + Effizienz Zielen Strömungsmechanik Spannungsverteilung in Partikelschüttung (DEM Methode) HOTREG Testanlage zur Verifizierung von Entwurfskonzepten Laboranlage für thermomechanische Untersuchungen Folie 18 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

19 Aktuelle Entwicklungen Latentwärmespeicher Nitratsalze als PCM s für C Präferenz für PCM bei kleinem T oder in Verbindung mit Wasser/Dampf Systemen LiNO ture temperat solid phase two phase solid / liquid liquid phase Enth halpy [J/g] KNO 3 -LiNO 3 KNO 3 -NaNO 2 -NaNO 3 LiNO 3 -NaNO 3 NaNO 2 KNO 3 -NaNO 3 NaNO 3 KNO 3 spec. enthalpy Industrielle Prozess Wärme Temperature [ C] Kraftwerks- technik Folie 19 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

20 Aktueller Status von PCM Speichern >100 C kg PCM NaNO 3 ; Tm = 305 C DISTOR storage Vom kw zum MW Maßstab 2000 kg PCM K/NaNO3, Tm = 220 C PSA, Spain NaNO 3 storage Carboneras, Spain 1) national BMWi Project 2) FP 6 Project 3) national BMU Project Folie 20 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

21 Zusammenfassung I Thermische Energiespeicher sind zentrales Element für verbesserte Effizienz und effektives Wärmemanagement im Bereich thermischer Prozesse für Stromerzeugung und Industrieanwendungen Thermische 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 - kostengünstige Speicher/Reaktor-Auslegungskonzepte - effiziente Speicherintegration Es gibt nicht den EINEN Typ Wärmespeicher für alle Anwendungen Folie 21 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme

22 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Folie 22 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, > Rainer Tamme