Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme

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1 Netzwerk Therm: Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme Dr. Rainer Tamme Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Technische Thermodynamik, Stuttgart Netzwerkmanager: Dr. Corinna Hengsberger Autark Institut, Zittau/Sachsen Z Folie 1 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

2 Ziel des Netzwerkes Therm......ist die Entwicklung eines Thermischen Wärmespeichers zum Einsatz bei phasenweise anfallender Abwärme aus Industrieprozessen, mit dessen Hilfe eine Nutzung der Abwärme in wärmegeführten Nachverstromungsanlagen im kleinen Leistungsbereich bis 100 kw, vorzugsweise in ORC-Anlagen, möglich wird. Folie 2 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

3 Die Herausforderungen: Thema Thermische Wärmespeicher: zahlreiche technische Lösungen und Konzepte, der kleine Leistungsbereich ist bisher kommerziell nicht attraktiv. Thema Wärmekataster: es gibt wenig/keine verwendbaren Informationen, welche Wärme bei welchen Prozessen anfällt. Diese Information wird dringend benötigt, um eine marktorientierte Technologieentwicklung zu fokussieren. Thema Customisation: realisierte Projekte bleiben auf Pilotniveau, weil immer wieder individuell angepaßt werden muß. Viel Enthusiasmus, aber derzeit eingeschränkte Perspektive auf Stückzahlen und kommerziellen Erfolg Folie 3 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

4 Wissenschaftliches Umfeld + Netzwerkpartner: Folie 4 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

5 Argumente für Speichertechnik I Verminderter Einsatz fossiler Brennstoffe für: Klimaschutz, Versorgungssicherheit, 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 5 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

6 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 wie: Wasser, Kältemittel, Öl, Salz, Luft etc. Folie 6 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

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 Beleuchtung mech. Energie Raumwärme Prozesswärme Industrie Verkehr priv. Haushalte GHD Folie 7 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

8 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 8 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

9 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 Beladung des Speichers Kaverne Entladung des Speichers Beispiellayout für adiabate Druckluftspeicherkraftwerk Folie 9 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

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 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

11 Hochtemperatur Speicher für Solartechnik Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke Wärmespeicher für solare Prozesswärme Wärmespeicher für dezentrale KWK Anlagen CPC Collector Fresnel Kollektor Trough Kollektor Folie 11 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

12 Speichertechnologien Speicherung in Form von Fühlbare Wärme fest flüssig Temperaturbereich 0C -50 C 100 C 500 C 1000 C Entwicklungsstand Energiedichte kwh/m 3 gering hoch Latentwärme Sorptionswärme Reaktionswärme hoch gering Folie 12 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

13 Schwerpunkte für Speicherauslegung Kernziel heißt effiziente und wirtschaftliche Lösungen Speichermedium Wärmeleitfähigkeit spez. Wärmekapazität Dichte Kapazität therm. Ausdehnungskoeffizient Langzeitstabilität Wärmeübertragung Geometrie, Abmessungen und Anordnung Druckverluste Leistung Lade/Entladeleistung Fertigungsaspekte und Kosten Betriebsstrategie Systemintegration Systemsintegration Regelungsaspekte Folie 13 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

14 Speicher fühlbarer Wärme - Sensible Wärmespeicher Bevorzugte Anwendungsgebiete: - Einphasige Wärmeträgerfluide (Wasser, Öl, Flüssig Salz, Luft, etc.) - Nutzung des Wärmeträgerfluids als Speichermedium (Direkte Speicherung) - Große Temperaturspreizung zwischen Laden und Entladen Liquid materials molten salt HTF+ storage direct HTF oil/steam solid material/concrete indirect HTF air Solid materials/ ceramics - direct HTF air small particles direct packed bed configuration Molten Salt Storage 2 nd Generation Pilot Storage Moving bed heat exchanger Folie 14 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

15 Aktuelle Entwicklungen Latentwärmespeicher Präferenz für PCM bei kleinem ΔT oder in Verbindung mit zweiphasigen Wärmeträgerfluiden Nitratsalze als PCM s für C Salzhydrate oder KW-Verbindungen für < 100 C LiNO Enthalpy [J/g] KNO 3 -LiNO 3 LiNO 3 -NaNO 3 NaNO 2 NaNO KNO 3 -NaNO 2 -NaNO 3 KNO 3 -NaNO 3 KNO Industrielle Prozess Wärme Temperature [ C] Kraftwerkstechnik Folie 15 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

16 Aktueller Status von PCM Speichern >100 C DISTOR storage kg PCM NaNO 3 ; Tm = 305 C 2000 kg PCM K/NaNO3, Tm = 220 C PSA, Spain Vom kw zum MW Maßstab NaNO 3 storage Carboneras, Spain 1) national BMWi Project 2) FP 6 Project 3) national BMU Project Folie 16 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

17 Zusammenfassung Energiespeicherung ist Schlüsselthema für zukünftige nachhaltige Energieversorgung Thermische Energiespeicher sind zentrales Element für verbesserte Effizienz und effektives Wärmemanagement im Bereich thermischer Anwendung Klimatisierung, Heizung, Prozesswärme Abwärmepotential Temperatur, Fluid, Profil nur sehr begrenzt bekannt: Bedarf Wärmekataster Anwendungen im industriellen Umfeld zur Nutzung von Prozesswärme bedürfen weiterer, anwendungsorientierter Forschung. DLR Institut Technische Thermodynamik liefert Beiträge zu: - Energiesystemanalyse, Systemtechnik - neue, verbesserte Speichertechniken und effizienten Energieeinsatz - Systemintegration, techno-ökonomische Bewertung Folie 17 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger

18 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Folie 18 > Netzwerk THERM, Fachkonferenz "Erneuerbare Energien", Berlin > Tamme-Hengsberger