Speichertechnik nicht nur für Solarenergie

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1 Speichertechnik nicht nur für Solarenergie Doerte Laing, Rainer Tamme DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Technische Thermodynamik 4. Solartagung Rheinland-Pfalz Klimaschutz durch Sonnenenergie 11. September 2008 Folie 1

2 Thermische Energiespeicher Schlüsselkomponente für eine nachhaltige Energieversorgung Folie 2

3 Thermische Energiespeicher Anwendungen solare Klimatisierung Ziel: Solaren Deckungsanteil erhöhen Folie 3

4 Thermische Energiespeicher Anwendungen solare Prozesswärme Temperaturbereich > 100 C Verwendung konzentrierender Kollektoren Wärmespeicher erforderlich: Wärmebedarf für spezifisches Verbraucherprofil sichern Solare Deckungsrate zu erhöhen Lebensdauer von Anlagenkomponenten erhöhen Folie 4

5 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 Folie 5

6 Thermische Energiespeicher Anwendungen Kraftwerkstechnik Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke Therm. Energiespeicher für solarthermische Kraftwerke Solarkollektoren Speichersystem Dampfkreislauf Erhöhung der Flexibilität Spitzenlastbereitstellung Wärmespeicher für dezentrale KWK Anlagen Folie 6

7 Thermische Energiespeicher Anwendungen KWK und Abwärmeverstromung BHKW Verbraucher Variable Leistung Variable Zeit Therm. Energiespeicher für dezentrale KWK Anlagen Verstromung von Abwärme Thermischer Pozess 1 Thermischer Pozess 2 Abwärme Abwärme Wärmespeicher TES BHKW Motor Variable Temperatur Fuel replacement /reduction Wärmeverbraucher Folie 7

8 Relevante Einsatzgebiete für Wärmespeicher Solare Prozesswärme KWK Prozesswärme Prozesswärme T < 100 C Prozesswärme 100 C < T < 400 C Prozesswärme T> 400 C Folie 8

9 Herausforderung an Speichertechnologien Breites Anforderungsprofil Temperaturbereich von C Diverse Wärmeträgermedien: Wasser, Dampf, Öl, Salz, Luft, Prozessgas etc. Speicherzeiten Kurzzeitspeicher Stunden bis Tagesspeicher Langzeitspeicher Woche bis Monate (saisonale Speicher) Leistungsbereich von kw bis MW Kapazität: wenige kwh bis GWh Es gibt nicht den EINEN Typ Wärmespeicher für alle Anwendungen Folie 9

10 Speicherkonzepte Einteilung Wärmeträger als Speichermedium Direkte Speicherung Zwei-Tank Ölspeicher Gleitdruckspeicher Zweistoff-Speichersysteme Indirekte Speicherung flüssig fest Phasenwechsel Sensible Flüssigsalz-Speicher Sensible Feststoffspeicher Latentwärmespeicher Folie 10

11 Gleitdruckspeicher (Ruths-Speicher) Speicher für sensible Wärme Kommerziell verfügbare Technik Steam Charging Isolated Pressure Vessel Steam Steam Discharging Beladevorgang: Anstieg von Druck und Temperatur im Kessel durch Kondensation von Dampf Liquid Phase Liquid water Charging / Discharging Entladevorgang: Dampferzeugung durch Druck- und Temperaturabsenkung im gesättigten Wasser/ Dampf-Volumen Pufferspeicher für Spitzenlast Ineffizient and wirtschaftlich nicht attraktiv für hohe Drücke und Kapazitäten Folie 11

12 Flüssigsalz-Speicher für solarthermische Parabolrinnenkraftwerke Folie 12

13 Flüssigsalz-Speicher Andasol 1 Parabolrinnenkraftwerk, Guadix Kommerziell verfügbare Technik indirekte Speicherung Öl/Salz-Wärmeübertrager geringes T Source: ACS Cobra Folie 13

14 Betonspeicher - Sensible Feststoffspeicher Anwendungen mit großer Temperaturspreizung Beton - Feststoffspeicher Testspeicher PSA, Almeria 4 Module zu jeweils 25 kw, 80 kwh Testbetrieb 2004/2005 Beton Feststoffspeicher Testspeicher DLR, Stuttgart 100 kw, 400 kwh Testbetrieb 2006 Max. Einsatztemperatur 400 C Folie 14

15 Sensible Feststoffspeicher Anforderungen an das Speichermedium Hohe spez. Wärmekapazität Hohe Wärmeleitfähigkeit Thermische Langzeitstabilität Thermische Ausdehnung ähnlich dem Rohrregister Gute Handhabung bei der Herstellung Geringe Kosten Gute Verfügbarkeit der Komponenten Folie 15

16 Entwicklung von Speicherbeton klassisches Dreistoffsystem modernes Fünfstoffsystem Wasser Zement Zuschlag Beton Betonzusatzstoffe Betonzusatzmittel Anpassung an spezielle Anforderungen möglich! Folie 16

17 Entwicklung von Speicherbeton Test verschiedener Betonvarianten Untersuchte Hauptzuschläge: N2 - Sand / Kies NZ 2 - Sand / Kies + Zunder B1, B2 - Basalt BZ 1 - Basalt + Zunder Folie 17

18 Sensible Feststoffspeicher Betonspeicher Material Speicherbeton mit Sand/Kies Speicherbeton mit Zunder Speicherbeton mit Basalt Dichte [kg/m³] Spez. Wärmekapazität [J/kgK] Wärmeleitfähigkeit [W/mK] 1,31 1,3 1,18 Thermischer Ausdehnungskoeffizient [µm/mk] 12,4 11,6 7,1 Folie 18

19 Entwicklung von Speicherbeton Festigkeitsuntersuchungen Zug- und Druckfestigkeit unzyklierter Proben im Bereich herkömmlicher Betone 30-40% Festigkeitsabnahme nach Langzeit- Zyklierung zwischen 330 und 390 C Folie 19

20 Speicherauslegung Basis-Speichermodul Speicherblock 134 mm Basis-Modul: 400 t Speicherbeton 4 MWh th 4 m 18 m Flexible Kapazität und Leistung 2,6 m Folie 20

21 Sensible Feststoffspeicher 400 kwh Betonspeicher-Testmodul 1,3 0 m 1,7 0 m 9 m Testmodul von Ed. Züblin AG und DLR, entwickelt im Rahmen des WANDA- Projekt, gefördert durch BMU Folie 21

22 Sensible Feststoffspeicher 400 kwh Betonspeicher-Testmodul Folie 22

23 Latentwärmespeicher Korrelation von Speichermaterial und Wärmeträger Arbeitsmedium Wasser/Dampf => Verdampfung (T=konst) sensibler Speicher Latentspeicher sensibler Speicher steam water wet steam superheated Latentspeichermaterial => Schmelzbereich (T=konst) sensibler Speicher solid sensible Latentspeicher latent heat sensibler Speicher sensible liquid Temperatur Temperatur spez. Entropie spez. Entropie Wesentlicher Vorteil von Latentwärmespeichern für Dampfproduktion wegen Temperaturkonstanz der Phasenwechsel Folie 23

24 Auswahl der Latentspeichermaterialien Nitratsalze 400 Enthalpy [J/g] Für industrielle Prozesswärme KNO 3 -LiNO 3 LiNO 3 LiNO 3 -NaNO 3 NaNO 2 NaNO KNO 3 -NaNO 2 -NaNO 3 KNO 3 -NaNO 3 KNO 3 50 Für solarthermische Kraftwerke Temperature [ C] Folie 24

25 Herausforderung für Latentspeicher Wärmeübertragung liquid solid Fluid Wärmeübertragungskoeffizient wird von der Wärmeleitfähigkeit des festen PCMs dominiert Geringe Wärmeleitfähigkeit des PCM ist Flaschenhals für Wärmeübergang Folie 25

26 Basisdesign für Latentspeicher Paralleles Rohrregister im Latentspeichermaterial Charakteristischer Wert für Nitrate: 0,5 1,0 W/mK Erforderliche Wärmeleitfähigkeit des PCM: 5-10 W/(mK) Folie 26

27 Latentwärmespeicher - Sandwich-Design Demonstrierte Konzepte Sandwich-Design Metall-Lamellen Sandwich-Design Graphit-Lamellen Folie 27

28 Latentspeicher für Prozesswärme Sandwich - Design 400 kg PCM (K/NaNO3, NaNO2), Tm = 142 C für Prozesswärmeanwendung Folie 28

29 Latentwärmespeicher 100 kw/200 kwh Pilotspeicher dimensions: 5 x 0,6 x 0,5 m3 PCM: 2000 kg nitrate salt kg graphite plates maximum pressure: 40 bar Operation temperature C Charging/discharging power 100 kw Thermal capacity 200 kwh Folie 29

30 Latentwärmespeicher NaNO3-307 C Technikumspeicher Vertikale Aufstellung Metall-Lamellen Charge T_Schmelz 307 C Latentwärme 175 kj/kg Masse_PCM 156 kg Discharge Folie 30

31 Latentwärmespeicher NaNO3-307 C Technikumspeicher Laden Temperature oil top (Output) Temperature oil bottom (Input) Temperature PCM ZR2 Temperature [ C] Erstarrungszeit ca. 1,5 Stunden 290 Entladen Time [h] Folie 31

32 Latentwärmespeicher für solare Direktverdampfung Beton-Speicher Latentwärmespeicher Beton-Speicher zum Solarfeld Vorwärmung Verdampfung Überhitzung vom Solarfeld vom Kraftwerk Vorwärmung Verdampfung Überhitzung zum Kraftwerk Folie 32

33 Entwicklungsstand Latentwärmespeicher > 100 C Thermal Power 1000 kw 100 kw 10 kw 1 kw Basic Development Material and Design PCM 100 bar 300 C DISTOR-PSA 220 C Low Pressure 145 C DISTOR-Lab 220 C Folie 33

34 Zusammenfassung Wärmespeicher sind zentrales Element für Brennstoffeinsparung und Verbesserung der Energieeffizienz im Bereich thermischer Prozesse zur Erzeugung von Strom und Wärme Beton-Festsoffspeicher sind eine kostengünstige Option für Speicherung sensibler Wärme bis 400 C Beton-Feststoffspeicher bis 100 kw entwickelt => Pilot-Speicher mit mehreren Basismodulen erforderlich Latentwärme-Speichertechnik hat hohe Präferenz für zweiphasige Wärmeträgerfluide Wasser/Dampf-Systeme Hohes Potential der Latentspeicher für Prozessdampf und Kraftwerkstechnik Latentwärmespeicher bis 100 kw realisiert (Sandwich-Design) 1 MW Latentwärmespeicher wird in 2009 in Betrieb gehen Folie 34

35 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Folie 35