Nutzung von Wärmespeichern zur Integration erneuerbarer Energien

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1 Nutzung von Wärmespeichern zur Integration erneuerbarer Energien Doerte Laing Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Technische Thermodynamik Langfristziele Energiekonzept 2010 der Bundesregierung Energiekonzept 2010 Basisszenario BMU-Leitstudie 2010 Minderung der THG-Emissionen (gegenüber 1990) mind. 80% bis 2050 (80-95%) 81% EE-Anteil am BEEV (Endenergie) 60% bis % EE-Anteil am Bruttostromverbrauch 50% bis % 80% bis % Minderung des Primärenergieverbrauchs 50% bis 2050 (Bezug 2008) 47% Minderung des Stromverbrauchs (Endenergie) ~25% bis 2050 (Bezug 2008) 11% Reduzierung Wärmebedarf (Gebäude) 20% bis % 80% bis 2050 (Bezug auf Primärenergiebedarf) ~80% Seite 2 1

2 Strukturelle Entwicklung der Bruttostromerzeugung (Leitstudie Zielerfüllungsszenario ohne Laufzeitverlängerung - Basisszenario A) Bruttostromerzeugung, [TWh/a] * Europ. Verbund EE Photovoltaik Geothermie Wind Offshore Wind an Land Laufwasser Biomasse, biogen. Abfälle KWK, Gas, Kohle Erdgas, Öl Kond. Braunkohle Kond. Steinkohle Kond. Kernenergie Importierter Solarstrom verstetigt mit CSP+Wärmespeicher 2050: EE-Anteil Strom 80% Fluktuierend ~50% Fossil + Bio-masse meist KWK-Anlagen: flexibel, stromgeführt durch Wärmespeicher 100 BASIS10/EE-STR50; * Realer Wert 2010: 615 TWh Seite 3 Endenergie für Wärme (Leitstudie 2010) Endenergieeinsatz für Wärme [PJ/a] *) *) Umweltwärme, Geothermie Solarwärme Biomasse, Nahwärme Biomasse, direkt Industrielle KWK fossil Fern- Nahwärme fossil Erdgas, direkt Kohle, direkt Heizöl, direkt Strom, direkt und WP *) temperaturbereinigt Effizienz im Wärmesektor essentiell für Erreichen der Ziele Effizienzsteigerung BASIS10/WAER-STR; EE-Anteil steigt auf 50%, Nahwärme hat zunehmende Bedeutung Stromeinsatz (EE- Strom) zunehmend in Wärmepumpen, gesteuert u. flexibel durch Wärmespeicher Seite 4 2

3 Kopplungen zwischen Strom- und Wärmemarkt Seite 5 Thermische Energiespeicher Schlüsselkomponente für eine nachhaltige Energieversorgung Breites Anforderungsprofil: Leistungsbereich von kw bis MW Kurzzeitspeicher / Min. bis Std. Langzeitspeicher / Tage bis Monate Kapazität von wenigen kwh bis GWh Temperaturbereich von C Diverse Wärmeträgermedien wie: Wasser, Kältemittel, Öl, Salz, Luft etc. Seite 6 3

4 Thermische Energiespeicher Technologieübersicht Technologie Sensible Wärmespeicher Direkte Speicherung: flüssiger Wärmeträger ist gleichzeitig Speichermedium Indirekte Speicherung: Zweistoff- Speicher, Wärmeein- und -austrag über Wärmeübertrager Gleitdruckspeicher (Ruths): Druckbeaufschlagter Wasser/Dampf-Behälter Latentwärmespeicher Sorptions- / Thermochemische Speicher Energiedichte [kwh/m 3 ] gering hoch Entwicklungsstand hoch gering Seite 7 Sensible Wärmespeicher Flüssigsalz-Speicher Nitratsalze (KaNO3-NaNO3) Andasol-Kraftwerke 2-Tank Flüssigsalz- Speicher für Parabolrinnenkraftwerke (390 C) Gemasolar direkte Speicherung von Flüssigsalz (565 C) Entwicklung alternativer Salzsysteme Niedrigerer Schmelzpunkt Stabilität bei höheren Temperaturen Kostensenkung durch alternative Tankkonzepte (z.b. Thermocline 1-Tank mit Füllmaterialien) Komponentenentwicklung und Materialien für höhere Temperaturen Source: ACS Cobra Seite 8 4

5 Sensible Wärmespeicher Betonspeicher Temperaturfester Beton bis 500 C einsetzbar Rohrregister im Beton eingegossen Modularer Aufbau Wärmeträger Thermoöl oder Wasser/Dampf Spezifische Speicherkapazität kwh/m³ Testmodul 2. Generation in Stuttgart: 100 kw, 400 kwh, 3 Jahre Testbetrieb Seite 9 Sensible Wärmespeicher Regeneratorspeicher Direktkontakt zwischen Luft und festem Speichermaterial Vorteilhaft für Hochtemperaturanwendungen bis 1000 C Erste Demonstration im Solarturm Jülich (680 C, 1 bar) Test von druckbeaufschlagtem System mit verschiedenen Materialien in HOTREG-Anlage des DLR Analyse der thermomechanische Spannungen in Speichermaterial und Behälter Receiver Hot Air 680ºC Steam Generator Thermal Storage ~ Heliostat Field Blower Cold Air 110ºC Blower Steam 65 bar, 460ºC Power Block Ed. Züblin AG Seite 10 5

6 Regeneratorspeicher Thermomechanik von Schüttspeichern Verdichtung der Schüttung aufgrund von Partikelbewegungen während der thermischen Beaufschlagung untersucht Gekoppeltes thermisches und mechanischen Modell (discrete element methode DEM ) Vergleich Simulation-Experiment im kalten Zustand HOTREG Testanlage für Verifizierung von Entwurfskonzepten Seite 11 Latentwärmespeicher Anwendung Arbeitsmedium Wasser/Dampf => Verdampfung (T=konst) sensibler water Latentspeicher wet steam superheated sensibler Speicher Speicher steam Latentspeichermaterial => Schmelzbereich (T=konst) sensibler sensible Latentspeicher latent sensibler sensible Speicher solid heat Speicher liquid Temperatur Temperatur spez. Entropie spez. Entropie Wesentlicher Vorteil von Latentwärmespeichern für Dampfproduktion wegen Temperaturkonstanz der Phasenwechsel => Prozessdampf, Solare Direktverdampfung Seite 12 6

7 Latentwärmespeicher Auswahl der Latentspeichermaterialien 400 Enthalpy [J/g] KNO 3 -LiNO 3 LiNO 3 Für industrielle Prozesswärme LiNO 3 -NaNO 3 NaNO 2 NaNO KNO 3 -NaNO 2 -NaNO 3 KNO 3 -NaNO 3 KNO 3 50 Für solarthermische 0 Kraftwerke Temperature [ C] Seite 13 Latentwärmespeicher Design Konzepte liquid solid Aluminiumrippen quer Fluid Aluminiumrippen längs Seite 14 7

8 Latentwärmespeicher Phasenwechselmaterialien (PCM) Drei Systeme demonstriert NaNO3 - KNO3 - NaNO2 142 C NaNO3 - KNO3 222 C NaNO3 306 C Speicherkonzept Beripptes Rohrkonzept demonstriert - Graphitrippen / horizontale Rohranordnung (<250 C) - Aluminumrippen / vertikale Rohranordnung (<350 C) Experimentelle Validierung des Konzepts 5 Testmodule mit kg PCM Weltweit größter Hochtemperatur- Latentwärmespeicher mit 14 Tonnen NaNO3 (700 kwh) im Test seit 2010 Seite 15 Thermochemische Wärmespeicherung Mittels heterogener Gas-Feststoff-Reaktionen AB + ΔH A + B Katalytische Reformierung CH4 + CO 2 2 H 2 + 2CO Zersetzung von Salzen NH 4 HSO 4 NH 3 + H 2 O + SO 3 Zersetzung von Metallhydroxiden Ca(OH) 2 CaO + H 2 O Zersetzung von Metallkarbonaten Reaktion: Ca(OH)2 CaO + H2O T G [1 bar] C 507 ΔH [1 bar] kj/mol 100 Speicherkapazität Feststoff Gesamt Masse kwh/m 3 kwh/m 3 kwh/t ( Porosität 0.5) CaCO 3 CaO + CO 2 Zersetzung von Metallsulfaten MgSO 4 MgO + SO 3 Zersetzung von Metalloxiden MnO 2 ½Mn 2 O 3 + ¼ O 2 Zersetzung von Metallhydriden MgH 2 Mg + H 2 Seite 16 8

9 Thermochemische Wärmespeicherung Herausforderung für ingenieurmäßige Umsetzung Herausforderungen (Fokus auf Feststoff-Gas Reaktionen) Identifikation und Charakterisierung geeigneter Reaktionssysteme Umsetzung in tragfähige Reaktorkonzepte (Wärmeund Stofftransport, Kinetik) Prozessintegration Reversibilität Indirekter Wärmetransport Direkter Wärmetransport Aktivierungsenergie Kinetik Seite 17 Thermische Energiespeicher Anwendungen industrielle Prozesswärme Funktion für Prozessdampf (5-15 bar; C): Dampf als Wärmeträgerfluid Dampf als Prozesskomponente Wichtige Anwenungsgebiete: Baustoffindustrie Zellstoff- und Papierindustrie Textilindustrie Lebensmittelindustrie und Brauereisektor Chemische Industrie Seite 18 9

10 Thermische Energiespeicher Anwendungen Abwärmeverstromung Verstromung von Abwärme BHKW Fuel replacement /reduction Thermischer Pozess 1 Thermischer Pozess 2 Abwärme Abwärme Wärmespeicher TES Motor Wärmeverbraucher Seite 19 Fallbeispiel: Verstromung der Abwärme Abwärmespeicherung bei Lichtbogenöfen in der Stahlerzeugung Industrieprozess Wärmeübertrager Speichersystem Kreisprozess G Abwärme Elektrodenhalterung Abgasrohr Leistung Zeit Speicherunterstützte Verstromung von Abwärme Elektroden Lichtbogen Schmelze Lanzenmanipulator Vorteile beim Speichereinsatz - Ausgleich zeitlicher Schwankungen im Abwärmeangebot - bessere Auslastung von Energiewandlern - Höherer Wirkungsgrad - Vermeiden von An-und Abfahrvorgängen Seite 20 10

11 Thermische Energiespeicher Anwendungen Kraftwerkstechnik Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke Speichersystem Dampfkreislauf Erhöhung der Flexibilität Spitzenlastbereitstellung Wärmespeicher für dezentrale KWK Anlagen Solarkollektoren Seite 21 Flüssigsalz-Speicher Andasol 1 Parabolrinnenkraftwerk Wärmeträger: Thermoöl Speichermedium: Flüssigsalz Erste kommerzielle Anlagen: 50 MWe Parabolrinnenkraftwerk mit 7,7 h Speicherkapazität Source: Kolb, G. J., 2010, Evaluation of Annual Performance of 2-Tank and Thermocline Thermal Storage System for Trough Plants, Solar Paces 2010, Perpignan, France. Relloso, S., Delgado, E., Experience with Molten Salt Thermal Storage in a Commercial Parabolic Trough Plant, Solar Paces 2009, Berlin, Germany. Seite 22 11

12 Flüssigsalz-Speicher GemaSolar, 2-Tank Speicher, direkt Speicherkapazität (15h) Nitratsalz (60% NaNO3 + 40% KNO3) Salz Inventar 8000 t 2 Tanks, kein Wärmeübertrager Seite 23 Quelle: SENER Thermische Energiespeicher Anwendung - Kraftwerkstechnik Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke Großmaßstäbliche Stromspeicherung (Netzintegration von Windenergie) Zentrales Element: Wärmespeicher Betriebsbedingungen: C; bar Speicherkapazität: MWh_th Seite 24 12

13 Thermische Energiespeicher Anwendungen Kraftwerkstechnik Erhöhung der Flexibilität Spitzenlastbereitstellung KWK Wärmespeicher G G Wärmespeicher für G dezentrale KWK Anlagen Seite 25 Thermische Energiespeicher Zusammenfassung I Energiespeicherung ist Schlüsselthema für zukünftige nachhaltige Energieversorgung 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 Unterschiedliche Randbedingungen und Anwendungen erfordern spezifische Lösungen hinsichtlich: Leistung + Kapazität + Systemintegration Benötigt wird ein breites Portofolio an : Speichertechnologien, -Materialien und -Methoden Es gibt nicht den EINEN Typ Wärmespeicher für alle Anwendungen Seite 26 13

14 Thermische Energiespeicher Zusammenfassung II Wenige Thermische Speicher im Bereich > 100 C sind kommerziell verfügbar.. oder 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) Für wirtschaftliche Lösungen sind Anwendungen mit ähnlichem Profil und hoher Zyklenzahl erforderlich Kernthemen der Forschung sind: - Materialien mit verbesserten thermophysikalischen Eigenschaften - Effiziente Lösungen für Wärmeein- und Auskopplung - Kostengünstige Speicher/Reaktor-Auslegungskonzepte - Effiziente Speicherintegration Seite 27 14

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